核電站超高預(yù)應(yīng)力豎向鋼束全比例灌漿試驗(yàn)及其替代方法研究*

付凱明，劉 康，劉 軍，朱貴超，顏靈平，荊 銳

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

廣西防城港核電站二期3，4號(hào)機(jī)組采用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“華龍一號(hào)”核電技術(shù)，其核島反應(yīng)堆廠房為雙層安全殼，其中內(nèi)安全殼為帶鋼襯里的后張拉有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由公共筏基、內(nèi)殼筒體墻、環(huán)梁和穹頂組成。內(nèi)殼筒體內(nèi)徑45m、厚1.2m，球面穹頂厚1.0m。

內(nèi)安全殼筒體內(nèi)垂直鋼束144束，其中44束純豎向鋼束，100束Gamma鋼束(垂直段)。垂直鋼束中心位于R= 23.1m處，底部錨固在反應(yīng)堆下部廊道內(nèi)，上部錨件位于環(huán)梁區(qū)域，整體鋼束長(zhǎng)約63m；水平鋼束98束，高度方向沿安全殼-5.920～45.760m布置，水平方向在筒體內(nèi)按半徑23.4m分布，鋼束兩端分別錨固在位于133°，313°的2個(gè)扶壁柱兩側(cè)。穹頂鋼束內(nèi)分布100束Gamma鋼束(穹頂段)，分上、下2層各50束，2層鋼束在穹頂投影面上相互垂直布置，鋼束底部錨件錨固在反應(yīng)堆下部廊道頂部，上部錨件錨固在穹頂與筒體墻連接處的環(huán)梁底部，鋼束布置如圖1所示。

圖1 鋼束布置示意

預(yù)應(yīng)力鋼束均由54束鋼絞線構(gòu)成，采用強(qiáng)度等級(jí)為1 860MPa、直徑15.7mm、公稱橫截面積150mm2、極限負(fù)荷279kN的七絲低松弛鋼絞線。水平鋼束導(dǎo)管主要采用預(yù)埋φ160×0.6磷化皂化薄壁半剛性螺旋折疊管(波紋管)成孔，局部采用φ165.3×3.0薄壁剛性管(簡(jiǎn)稱鋼管)過渡；純豎向和Gamma鋼束導(dǎo)管全部采用φ165.3×3.0薄壁鋼管。導(dǎo)管在澆筑混凝土前預(yù)埋，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度后，進(jìn)行穿束、張拉和灌漿操作。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為保障核電站安全殼后張拉預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工灌漿質(zhì)量并處于受控狀態(tài)，通過全比例灌漿試驗(yàn)驗(yàn)證灌漿材料選擇、漿體施工性能及可用性，完善制漿程序；模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備使用狀態(tài)、施工組織與實(shí)際操作過程，為正式施工做好充分準(zhǔn)備；收集試驗(yàn)過程中的工藝參數(shù)、控制要點(diǎn)，驗(yàn)證灌漿工作程序操作性及適用性，為正式施工提供依據(jù)。

3 試驗(yàn)材料選擇

1)管道材料 由于試驗(yàn)導(dǎo)管外側(cè)無混凝土保護(hù)，為滿足試驗(yàn)強(qiáng)度需求，成孔材料全部采用剛性導(dǎo)管。規(guī)格為φ165.3×3.0，材質(zhì)為20號(hào)無縫鋼管，滿足GB/T 8162—2018 《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》要求。

2)錨夾具 采用法西奈公司生產(chǎn)的55C15系列錨具及夾片，與結(jié)構(gòu)主體使用的相同。

3)鋼絞線 采用1 860MPa 級(jí)、公稱直徑為15.7mm的低松弛鋼絞線，每束鋼絞線由7根鋼絲組成，公稱橫截面積為150mm2，與結(jié)構(gòu)主體使用的相同。

4)水泥 水泥采用廣西魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·II 42.5硅酸鹽水泥。

5)拌合水 拌合水為廣西防城港核電站二期現(xiàn)場(chǎng)施工用水，且滿足技術(shù)規(guī)格書中對(duì)拌合水的要求。

6)外加劑 選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的BT?-GW(1)型減水劑和SBT?-SR(II)型緩凝劑，所配制的緩凝漿各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

7)物理性能 28d抗折強(qiáng)度應(yīng)≥4MPa，28d抗壓強(qiáng)度應(yīng)>30MPa，孔隙率應(yīng)<40%，毛細(xì)吸水應(yīng)<1.5g/cm2，28d收縮值應(yīng)<3 500μm/m。

4 預(yù)應(yīng)力漿體制備

4.1 配合比初步試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)

4.1.1漿體性能指標(biāo)

1)泌水率 緩凝漿3h泌水率宜≤2%，且應(yīng)≤3%，泌水應(yīng)能在24h內(nèi)全部被漿體吸收。

2)凝結(jié)時(shí)間 緩凝漿初凝時(shí)間應(yīng)<50h，終凝時(shí)間在5℃時(shí)應(yīng)<80h。

3)流動(dòng)度 緩凝漿攪拌后初始流動(dòng)度為9～13s，6h流動(dòng)度應(yīng)≤14s，10h流動(dòng)度應(yīng)<25s，環(huán)境溫度宜在5～35℃，漿體溫度宜≤32℃。

4.1.2漿體試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，漿體需滿足標(biāo)準(zhǔn)條件下(環(huán)境溫度和漿體溫度在(20±2)℃時(shí))相關(guān)漿體性能指標(biāo)及非標(biāo)準(zhǔn)條件下(環(huán)境溫度(7±2)，(33±2)℃)時(shí)流變性能要求。緩凝漿試驗(yàn)結(jié)果如表1～3所示。

表1 緩凝漿漿體流動(dòng)度隨時(shí)間變化

表2 緩凝漿漿體凝結(jié)時(shí)間與泌水率

表3 緩凝漿漿體硬化物理性能

4.2 漿體制備程序

4.2.1緩凝漿配合比

組成材料為P·II42.5硅酸鹽水泥、減水劑SBT?-GW(1)、 緩凝劑SBT?-SR(II)、現(xiàn)場(chǎng)施工用水(根據(jù)需要加冰調(diào)節(jié)溫度)。經(jīng)漿體配合比試驗(yàn)及驗(yàn)收試驗(yàn)確定配合比(質(zhì)量比)為C∶W∶SBT?-GW(1)∶SBT?-SR(II)=1∶0.313∶0.01∶0.001 5(見表4)。

表4 每盤材料用量

4.2.2攪拌工藝

緩凝漿采用二次攪拌工藝，每盤700kg水泥按比例進(jìn)行控制，在預(yù)應(yīng)力攪拌站進(jìn)行攪拌。生產(chǎn)工藝為：先加碎冰(如需要)，再依次加SBT?-GW(1)、水、水泥，邊投料邊攪拌，投料完成后攪拌4min；漿體取樣測(cè)量流動(dòng)度和溫度并記錄；靜置30min(期間將漿體轉(zhuǎn)移至二次攪拌罐中)；人工加入稱量好的SBT?-SR(II)，再攪拌2min，漿體取樣測(cè)量流動(dòng)度和溫度并記錄。若流動(dòng)度為9～13s，漿體溫度<32℃，將漿體導(dǎo)入儲(chǔ)漿罐；不滿足要求按不合格漿體處理。

5 試驗(yàn)管道設(shè)置

以往核電工程中預(yù)應(yīng)力豎向鋼束全比例灌漿試驗(yàn)通常采用純豎向管道作為試驗(yàn)管道，常用的試驗(yàn)工藝為在管道底部進(jìn)行灌漿，頂部設(shè)置重力桶進(jìn)行漿體泌水置換。由于預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)存在與以往核電工程不同的Gamma預(yù)應(yīng)力鋼束，包括豎向段和穹頂段，其中Gamma鋼束管道豎向段灌漿工藝與純豎向管道相似，但其頂部不易設(shè)置重力桶進(jìn)行漿體泌水置換操作，考慮采用部分穹頂管道作為豎向段的泌水置換容器。因其對(duì)純豎向管道的灌漿施工狀態(tài)與過程具有包絡(luò)性，故選取Gamma鋼束管道豎向段作為全比例豎向鋼束管道的試驗(yàn)管道。

純豎向管道長(zhǎng)約63m，Gamma鋼束管道豎向段長(zhǎng)約57.7m，為保證泌水長(zhǎng)度足夠，穹頂段留置長(zhǎng)度約11.5m(容量約140L)，試驗(yàn)管道總長(zhǎng)約69.2m，如圖2所示，其中E3位置高約63.5m，模擬純豎向鋼束管道高度。

圖2 全比例灌漿試驗(yàn)管道

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需采用2根管道進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，每根管道均有54束鋼絞線，試驗(yàn)所用的錨固塊、鋼絞線、夾片與后期施工所用的相同；灌漿膠管與現(xiàn)場(chǎng)施工相同；試驗(yàn)所用預(yù)應(yīng)力管道全部采用剛性管焊接制作組裝完成。

6 試驗(yàn)檢查方式

漿體硬化后，通過窗口和截面方式檢查灌漿密實(shí)度。在開窗口和截面處進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并留取圖片資料?？椎篱_窗、截面位置滿足以下要求：從起彎點(diǎn)起2.5m內(nèi)每100mm取1個(gè)截面，之后每5m取1個(gè)截面直至底部。截面內(nèi)漿體充滿管道，但允許有深度≤5mm的空隙(見圖3)。

圖3 管道空隙示意

7 灌漿施工

7.1 灌漿設(shè)備

灌漿泵為Freyssinet 公司生產(chǎn)的PH125型灌漿泵，灌漿壓力和流量可通過操作按鈕調(diào)節(jié)控制。入口處安裝1個(gè)量程為40bar(1bar=0.1MPa)的壓力表，灌漿管采用直徑50mm的高壓灌漿軟管。

7.2 灌漿過程

1)排氣口和排水口的初始狀態(tài) 除進(jìn)漿口、出漿口，其他口均關(guān)閉。

2)灌漿過程 開啟灌漿泵至較低速度擋位，使?jié){體從灌漿軟管中流出；在進(jìn)漿口處對(duì)支管漿體取樣，測(cè)試取樣漿體流動(dòng)度、溫度。如漿體不合格，則應(yīng)持續(xù)泵漿排放掉軟管內(nèi)漿體直至漿體滿足灌漿要求時(shí)，將灌漿軟管與進(jìn)漿口連接；開啟灌漿泵至較低速度擋位開始泵送，約10s后以正常灌漿速度灌漿，同時(shí)開始計(jì)時(shí)；當(dāng)漿體從E4出漿時(shí)，觀察漿體狀況，在E3出漿口取樣測(cè)量，同時(shí)保持繼續(xù)泵漿狀態(tài)，漿體取樣測(cè)量合格后，灌漿泵停泵。關(guān)閉進(jìn)漿口閥門，釋放泵中壓力并拆開灌漿軟管。

3)放漿及吹漿 第1根管道在灌漿結(jié)束后4～6h進(jìn)行放漿及吹漿操作(采用<3bar壓縮空氣進(jìn)行吹氣，此操作重復(fù)多次以保證排放孔間通暢)，由E4吹漿至E3，漿體液面保持在E3口，提高液面高度，驗(yàn)證Gamma鋼束管道豎向段高度與泌水量的匹配情況及吹漿時(shí)間與漿面下沉高度的關(guān)系。同步模擬純豎向鋼束高度，待漿體凝固后，測(cè)量漿體下沉高度，計(jì)算純豎向鋼束重力桶容積。第2根管道根據(jù)第1根管道漿面下沉情況確定放漿及吹漿操作時(shí)間，由E4吹漿至E2-1，漿體液面保持在E2-1口，匹配Gamma鋼束管道豎向段高度，待漿體凝固后，測(cè)量漿體下沉高度，與第1根管道進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步確定吹漿時(shí)間。

7.3 試驗(yàn)結(jié)果

1)第1根管道灌漿結(jié)束4h后在E3口放漿，測(cè)定流動(dòng)度為5.16s，基本判定為泌水，將E4～E3段管道泌水全部放出約65L；5h后在E2′口放漿取樣，測(cè)定流動(dòng)度為6.51s，判定為漿水混合物，將E4～E3段管道吹凈；5d后待漿體硬化后切開管道發(fā)現(xiàn)硬化面在E3向下1.6m處，即漿面下沉1.6m，由此測(cè)算出總泌水量約為65+1.6×12=84.2L(每米管道漿體體積為12L)。

2)第2根管道灌漿結(jié)束6h后在E3口放漿，測(cè)定流動(dòng)度為5.63s，基本判定為泌水(少量漿體)，將E4～E3段管道泌水全部放出約89.56L(硬化后漿體約10.8L)；在E2′口放漿取樣，灌漿6h后流動(dòng)度為7.63s，7h后流動(dòng)度為7.12s，8h后流動(dòng)度為7.53s，9h后流動(dòng)度為7.31s，同時(shí)在E2-1口取樣測(cè)定流動(dòng)度為8.03s，因此判定灌漿6h后漿體泌水基本完成，將E3～E2-1段管道漿體全部放出約44.5L(硬化后漿體約43.8L)，并將E4～E2-1段管道吹凈；5d后待漿體硬化后切開管道發(fā)現(xiàn)硬化面在E2-1向下0.1m處，即漿面下沉0.1m，由此測(cè)算出總泌水量約為(89.56-10.8)+(44.5-43.8)+0.1×12=80.66L。

由此得出，豎向管道灌漿總體泌水量為80～90L，即泌水率為9.6%～10.8%，Gamma鋼束管道豎向段灌漿時(shí)，其E3距離E2-1應(yīng)≥6.3m，豎向管道灌漿時(shí)重力桶體積可取其2倍即180L。漿體泌水時(shí)間在6h內(nèi)可完成，即6h后可進(jìn)行吹漿操作或重力桶拆除。

漿體硬化后按要求對(duì)管道截面進(jìn)行檢查，灌漿效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，漿體充滿管道、飽滿密實(shí)，最大空隙深度約2.5mm。

8 壓力泌水補(bǔ)充驗(yàn)證

豎向試驗(yàn)管道高度約70m，同期核電站內(nèi)無滿足豎向鋼束管道試驗(yàn)高度要求的場(chǎng)地，故將試驗(yàn)場(chǎng)地定于距離核電站約30km某在建高層電梯井內(nèi)。

考慮核電站能實(shí)現(xiàn)此高度的豎向鋼束全比例灌漿試驗(yàn)較困難，在完成豎向鋼束全比例灌漿后，增加了預(yù)應(yīng)力管道模型進(jìn)行壓力泌水試驗(yàn)，對(duì)比在相同壓力下漿體泌水率與等長(zhǎng)管道實(shí)際泌水率的區(qū)別，為后續(xù)核電項(xiàng)目豎向鋼束全比例灌漿試驗(yàn)降低試驗(yàn)高度提供參考。

8.1 試驗(yàn)裝置

測(cè)量核島預(yù)應(yīng)力漿體在超高壓力下的泌水率，采用的方法為：通過將一定體積V(mL)的預(yù)應(yīng)力漿體裝入壓力泌水儀，在上部加壓至指定壓力，下部用量筒收集泌出水量；施加壓力至一定值并恒壓一定時(shí)間，直至施加的壓力達(dá)到設(shè)定的超高壓;確定試驗(yàn)恒壓時(shí)間為n(h)，每小時(shí)測(cè)量泌出的水體積(mL)，并分別記錄為Vn，每小時(shí)壓力泌水率Bn=Vn/V×100%。此方法可提供穩(wěn)定高壓，但與漿體在豎向鋼束管道內(nèi)受力所產(chǎn)生的泌水狀態(tài)有較大區(qū)別。

試驗(yàn)裝置采用與正式工程相同的鋼管和鋼絞線，管道長(zhǎng)6 000mm，距離下口300mm處開2個(gè)相互垂直的排放孔，下口密封；管道頂部加設(shè)蓋板，蓋板直徑與翼緣直徑相同，開設(shè)螺栓孔，蓋板頂部開孔并焊接短鋼管。根據(jù)鋼束管道長(zhǎng)度，將鋼絞線切割成每束長(zhǎng)5 950mm，共54束，每束鋼絞線穿插到底，保證鋼絞線落在底部。在管道底部進(jìn)漿口設(shè)置壓力表與灌漿泵相連，頂部可拆卸蓋板設(shè)置壓力表并與空壓機(jī)相連，空壓機(jī)可進(jìn)行補(bǔ)壓操作，如圖4所示。

圖4 壓力泌水試驗(yàn)裝置整體布置

8.2 試驗(yàn)過程

通過灌漿泵將漿體泵入壓力管道容器中，觀察壓力表讀數(shù)達(dá)到一定壓力后關(guān)閉進(jìn)口閥門及灌漿泵，持壓一定時(shí)間后打開容器上部泌水觀察孔，測(cè)出壓力狀態(tài)下漿體實(shí)際泌水率。具體為：連接好灌漿泵和儲(chǔ)漿罐，除進(jìn)漿口及頂部壓力表下放閥門外，其他閥門全部關(guān)閉；泵漿至進(jìn)漿口后取樣，測(cè)試流動(dòng)度、溫度合格；接好進(jìn)漿管慢速泵漿，觀察進(jìn)漿口壓力表，在滿足慢速泵漿的條件下不斷調(diào)整泵壓，并時(shí)刻注意進(jìn)漿口壓力。當(dāng)壓力達(dá)到最終壓力的一半時(shí)，靜置30s后繼續(xù)慢速泵漿；當(dāng)壓力達(dá)到最終壓力時(shí)，靜置60s，觀察壓力下降是否滿足要求，否則慢速泵漿重復(fù)此操作至滿足要求后停泵關(guān)閥；靜置過程中出現(xiàn)壓力下降，也可利用空壓機(jī)從上部進(jìn)行補(bǔ)壓操作。

8.3 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量漿體在1，3，5，7，10，13，14，15，16，17bar壓力下靜置6h后的泌水率，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同壓力狀態(tài)下漿體泌水率

由圖5可知，壓力在7bar以下時(shí)漿體泌水率增長(zhǎng)不明顯，當(dāng)?shù)竭_(dá)7bar及以上時(shí)漿體泌水率隨壓力增大近似呈線性增長(zhǎng)。若后續(xù)核電項(xiàng)目豎向鋼束全比例灌漿試驗(yàn)高度因場(chǎng)地條件限制需降低，以本工程漿體密度為2.00g/cm3計(jì)算，高度應(yīng)≥35m，可以50m高度作為豎向鋼束全比例試驗(yàn)高度，以此推導(dǎo)出實(shí)際高度下漿體泌水率。

通過實(shí)測(cè)50m高度泌水率A1及相應(yīng)壓力狀態(tài)下泌水率A2、14bar壓力下(高約70m)泌水率B2，則可推導(dǎo)出70m高度泌水率B1如式(1)所示：

(1)

在本工程豎向鋼束全比例灌漿試驗(yàn)中，以第2根管道數(shù)據(jù)為例，管道長(zhǎng)度約70m，漿體密度約為2.05g/cm3(流動(dòng)度為10.45s時(shí))，理論最大壓力約為14.35bar，進(jìn)漿口處實(shí)際最大壓力為14.5bar，兩者相近，在此壓力下，實(shí)測(cè)泌水率為9.6%，壓力泌水試驗(yàn)泌水率為9.73%；漿體在10bar(約50m管道高度)壓力泌水率為6.57%。則實(shí)測(cè)50m管道高度泌水率B1=6.57%×9.6%/9.73%=6.48%。

9 結(jié)語(yǔ)

1)豎向鋼束全比例試驗(yàn)采用將純豎向鋼束管道與Gamma鋼束管道豎向段相結(jié)合的方式，通過驗(yàn)證漿體泌水率、泌水率時(shí)間，從而得出現(xiàn)場(chǎng)灌漿所需的Gamma鋼束管道豎向段泌水置換長(zhǎng)度及吹漿時(shí)間、純豎向鋼束管道重力桶容積及置換時(shí)間，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2)通過設(shè)置的與現(xiàn)場(chǎng)相近狀態(tài)下的漿體壓力泌水試驗(yàn)裝置進(jìn)行漿體壓力泌水試驗(yàn)，得到漿體壓力與泌水率之間的關(guān)系，提供了實(shí)際高度下漿體泌水率的推導(dǎo)方法，對(duì)后續(xù)核電站項(xiàng)目降低預(yù)應(yīng)力豎向鋼束全比例灌漿試驗(yàn)管道試驗(yàn)高度具有一定的參考意義。