核電站自密實(shí)混凝土原材料選擇與質(zhì)量控制

張 杰 任永清 陳云飛 王利民 劉洪斌

中國電建集團(tuán)核電工程有限公司

1 引言

某三代核電工程是在引進(jìn)、消化和吸收西屋AP1000技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)的國家科技重大專項(xiàng)。結(jié)構(gòu)大量采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊空間狹小，構(gòu)件密布，混凝土澆搗困難，成型后實(shí)體不可見，設(shè)計(jì)采用自密實(shí)混凝土技術(shù)。因此，開展核電站自密實(shí)混凝土技術(shù)攻關(guān)，掌握關(guān)鍵技術(shù)，具有重要意義。

品質(zhì)良好的混凝土應(yīng)由優(yōu)質(zhì)的材料制成，同時(shí)具有良好的耐久性、工作性和勻質(zhì)性。自密實(shí)混凝土對(duì)原材料性能異常敏感，有著“既嬌且貴”的特性。核電工程涉及輻射安全，質(zhì)量控制更加嚴(yán)格。因此，核電自密實(shí)混凝土的原材料質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格控制，對(duì)比優(yōu)選。

2 原材料選擇基本原則

原材料是構(gòu)成混凝土的基本要素，優(yōu)質(zhì)的材料是混凝土良好性能的前提與保障。在配合比設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)擬定的原材料開展性能試驗(yàn)，分析、對(duì)比、優(yōu)選。核電工程建設(shè)周期長，材料來源要求質(zhì)量穩(wěn)定、供應(yīng)充足。開工前應(yīng)對(duì)項(xiàng)目周邊的原材料市場(chǎng)進(jìn)行考察，對(duì)原材料產(chǎn)地、種類、產(chǎn)量、分布等情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究。建立滿足核電工程技術(shù)要求的原材料清單，以備工程選取和使用。

從長期施工經(jīng)驗(yàn)來看，原材料的選用宜考慮質(zhì)量、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素，具體原則如下：

（1）品質(zhì)穩(wěn)定。相較于普通混凝土，原材料性能波動(dòng)對(duì)自密實(shí)混凝土影響更大，也更敏感。因此，自密實(shí)混凝土用原材料質(zhì)量應(yīng)保持穩(wěn)定，波動(dòng)不可過大，否則不利于現(xiàn)場(chǎng)混凝土質(zhì)量的控制。對(duì)于粗細(xì)骨料，可考慮一次集中采購或生產(chǎn)，確保品質(zhì)穩(wěn)定性。選料時(shí)，對(duì)潛在廠家開展供應(yīng)商評(píng)審，可獲得產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)等相關(guān)信息，為選料提供依據(jù)。

（2）符合性。對(duì)所選材料，應(yīng)開展材料試驗(yàn)以驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

（3）就近原則。一般，原材料的選擇遵循就近原則，過遠(yuǎn)的距離會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸成本的增加，經(jīng)濟(jì)性差。特別是砂、石骨料，應(yīng)堅(jiān)持就近原則。

（4）經(jīng)濟(jì)性。原材料的選擇要兼顧經(jīng)濟(jì)性。材料的各項(xiàng)指標(biāo)不僅要滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，其價(jià)格也要經(jīng)濟(jì)合理。

（5）材料適應(yīng)性。選擇水泥和外加劑時(shí)，應(yīng)開展外加劑和水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)，確保各種材料間具有良好的相容性?；炷林刑砑佣喾N外加劑宜選取同一廠家，可有效避免相容性不良的現(xiàn)象。

總之，自密實(shí)混凝土原材料控制與選擇應(yīng)綜合考慮，滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求是前提，良好的質(zhì)量管理是質(zhì)量穩(wěn)定的保證，材料的相容性是基礎(chǔ)；統(tǒng)籌兼顧經(jīng)濟(jì)性和就近原則，方能選出性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)合理的材料。

3 水泥

水泥是配制性能良好的自密實(shí)混凝土的關(guān)鍵。同時(shí)，水泥也影響外加劑的適應(yīng)性。選擇品質(zhì)優(yōu)異、適應(yīng)性良好的水泥是材料選擇的首要任務(wù)。

一般，摻加礦物摻合料的自密實(shí)混凝土，宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥熟料中礦物摻合料用量低（≤5%），水化熱高，凝結(jié)時(shí)間短，價(jià)格高昂；普通硅酸鹽水泥熟料中摻合料用量為5%～20%，可有效降低水化熱；凝結(jié)時(shí)間延長，價(jià)格相對(duì)較低。

自密實(shí)混凝土膠凝材料用量較大，一般高于450kg/m3，核電站結(jié)構(gòu)涉及大體積混凝土施工，應(yīng)考慮混凝土絕熱溫升對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。硅酸鹽水泥水化熱高，不利于混凝土溫升控制，易產(chǎn)生溫度裂縫。因此，普通硅酸鹽水泥更適合大體積混凝土施工。

除常規(guī)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求外，核電工程對(duì)影響混凝土耐久性和質(zhì)量穩(wěn)定性的指標(biāo)嚴(yán)加控制。其中3d 水化熱≤240kJ/kg,7d水化熱≤290kJ/kg；水泥堿含量（以Na2O+0.658K2O 計(jì)）≤0.6%，鋁酸三鈣含量≤7.0%，氯離子含量≤0.05%。

水泥的礦物組成影響其與減水劑的適應(yīng)性。一般鋁酸三鈣低和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量低的水泥更適合配制自密實(shí)混凝土。在進(jìn)行水泥選擇時(shí)，應(yīng)在上述兩個(gè)指標(biāo)上再進(jìn)行優(yōu)選。

4 礦物摻合料

礦物摻合料可有效改善混凝土的各項(xiàng)性能。自密實(shí)混凝土膠凝材料用量大，單用水泥的混凝土早期水化熱高，自生收縮大，易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫和收縮裂縫?；炷林袚郊觾?yōu)質(zhì)的活性礦物摻合料可有效降低水化熱，減少自生收縮。另外，品種適宜的優(yōu)質(zhì)活性礦物摻合料可以和水泥顆粒形成良好的級(jí)配，有效降低混凝土用水量，改善拌合物的工作性能。

對(duì)于非高強(qiáng)的自密實(shí)混凝土，采用粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻體系是配合比設(shè)計(jì)的常用做法。按照摻合料特性復(fù)合摻加，改善工作性能，提高強(qiáng)度和耐久性能。兩種摻合料之間性能疊加，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互作用，可獲得性能優(yōu)異的自密實(shí)混凝土。粉煤灰和礦渣粉在膠材體系中的摻量可通過相關(guān)試驗(yàn)確定。

（1）粉煤灰。用于自密實(shí)混凝土的粉煤灰宜采用Ⅰ級(jí)F類；C類高鈣粉煤灰由于可能存在體積安定性問題，不宜采用。市面上Ⅰ級(jí)粉煤灰的產(chǎn)量較低，采購困難和連續(xù)供應(yīng)是應(yīng)考慮的因素。粉煤灰的價(jià)格約為普通硅酸鹽水泥的1/3～1/2，粉煤灰的摻加可有效降低自密實(shí)混凝土的單方價(jià)格。

除常規(guī)指標(biāo)外，對(duì)粉煤灰的堿含量、放射性應(yīng)有嚴(yán)格限制。其中，堿含量（以Na2O+0.658K2O計(jì)）≤2.0%；放射性應(yīng)滿足《建筑材料放射性核素限量》（GB6566）中建筑主體材料規(guī)定的指標(biāo)要求。

（2）礦渣粉。礦渣粉是重要的活性摻合料，其品質(zhì)的優(yōu)劣影響混凝土的各項(xiàng)性能。S95 級(jí)礦渣粉是市場(chǎng)的主流，性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)合理。其中，比表面積應(yīng)≥400cm2/kg，以確?；钚浴?/p>

5 砂、石骨料

骨料是影響自密實(shí)混凝土工作性能的關(guān)鍵性因素。相較于普通混凝土，自密實(shí)混凝土對(duì)砂、石骨料的品質(zhì)要求更高，對(duì)骨料的含泥量、泥塊含量、石子粒徑、針片狀顆粒含量等應(yīng)做嚴(yán)格的限定。骨料中的含泥量、泥塊含量是影響混凝土性能的重要因素。過高的含泥量、泥塊含量會(huì)導(dǎo)致混凝土用水量增大，也會(huì)使減水劑的效能降低。

（1）砂子。建筑用砂按照產(chǎn)源分為天然砂和人工砂兩種，以使用天然河砂居多。為保證混凝土拌合物的高流動(dòng)性，自密實(shí)混凝土砂漿含量高，一般砂率在50%上下。

砂子的粗細(xì)會(huì)對(duì)自密實(shí)混凝土的性能產(chǎn)生影響。過細(xì)的砂子會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能受到不利影響；細(xì)砂的比表面積大，會(huì)導(dǎo)致用水量增加，影響混凝土的工作性能。如果采用粗砂，則導(dǎo)致混凝土粘聚性降低，極易產(chǎn)生離析。因此，應(yīng)選用中砂作為原材料，為了進(jìn)一步降低混凝土需水量，保證流動(dòng)性，可選用偏粗的2區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6～3.0。

（2）石子。石子是影響自密實(shí)混凝土工作性能的首要因素，所選石子粒形應(yīng)為圓形或方形，粒形飽滿。石子分為卵石和碎石兩類。符合要求的天然卵石難以滿足核電混凝土大方量需求，因此，選用經(jīng)機(jī)械破碎、篩選的碎石比較可靠。

自密實(shí)混凝土用石子的粒徑不大于20mm。較大粒徑的石子有利于改善硬化后自密實(shí)混凝土的彈性模量、收縮、徐變等性能，因此，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和混凝土性能的前提下，盡可能選用粒徑大的石子。

石子中的針片狀顆粒含量直接影響混凝土流動(dòng)性能和間隙通過性能。它會(huì)導(dǎo)致孔隙率增大，相同工作性能要求下的砂漿量需求增加。影響混凝土的密實(shí)性，不利于力學(xué)性能的提高和長期耐久性能。自密實(shí)混凝土用石子的針片狀顆粒含量≤8%。

6 外加劑

外加劑已成為混凝土中不可或缺的組分，它可顯著改善混凝土的性能。對(duì)于自密實(shí)混凝土來講，為了實(shí)現(xiàn)大流動(dòng)性、高粘聚性和優(yōu)良的填充性，必須摻加減水率高、保水性好的高效減水劑。同時(shí)，在配制自密實(shí)混凝土?xí)r應(yīng)加入引氣劑。性能良好的、分散均勻的引氣劑在混凝土內(nèi)部可形成封閉的微觀氣泡，不僅帶來工作性能的改善，還可提高混凝土抗凍性能和抗?jié)B性能。引氣劑還可以明顯改善混凝土的收縮性能，在一定程度上彌補(bǔ)自密實(shí)混凝土收縮較大的缺陷。但引氣劑也會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低，對(duì)含氣量必須加以控制，含氣量為：5.0±1.5%。

國內(nèi)聚羧酸系高性能減水劑發(fā)展迅速，其特點(diǎn)是摻量低、減水率高，強(qiáng)度增長快、坍損小，拌合物黏滯阻力小，利于混凝土各項(xiàng)性能。配制自密實(shí)混凝土宜優(yōu)先選擇聚羧酸系高性能減水劑。

7 拌合用水

自密實(shí)混凝土對(duì)拌合用水并無特殊要求，和普通混凝土一樣，滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》JGJ63 要求即可。通常情況下，符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749要求的飲用水，可不經(jīng)檢驗(yàn)直接作為混凝土拌合用水。

8 結(jié)束語

由于核電安全至上的理念，對(duì)核電用自密實(shí)混凝土原材料技術(shù)指標(biāo)須嚴(yán)加控制。經(jīng)過精心的策劃，遵循上述材料選取和控制原則，研究不同材料的作用機(jī)理，經(jīng)過試驗(yàn)論證，最終可遴選出性能優(yōu)異，符合設(shè)計(jì)的原材料。