廣西防城港核電站高強(qiáng)度混凝土配合比設(shè)計(jì)*

趙志強(qiáng)，劉 軍，劉 康，汪宇雄，荊 銳

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

目前，在建廣西防城港核電站二期3，4號(hào)機(jī)組采用目前最先進(jìn)的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“華龍一號(hào)”核電技術(shù)，主要為鋼筋混凝土墻板結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為筏基，全廠混凝土用量約為87萬(wàn)m3。以筏基混凝土為例，強(qiáng)度等級(jí)為C40，根據(jù)實(shí)際水泥選用，混凝土中摻合料總量≤40%，設(shè)計(jì)要求CI-含量≤膠凝材料總量的0.08%，SO3含量≤膠凝材料總量的4%，混凝土中的堿含量≤3kg/m3，28d齡期抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤7，56d齡期抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤4。

2 混凝土原材料及測(cè)試方法

通過(guò)分析技術(shù)規(guī)格書、國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出混凝土技術(shù)指標(biāo)要求，建立針對(duì)核電混凝土的質(zhì)量保障體系，包括原材料質(zhì)量、混凝土生產(chǎn)質(zhì)量、混凝土施工質(zhì)量。

對(duì)所用原材料進(jìn)行調(diào)研、選擇，以滿足技術(shù)規(guī)格書(BTS)的要求，同時(shí)對(duì)原材料礦物組成技術(shù)指標(biāo)要求、生產(chǎn)技術(shù)措施、場(chǎng)外儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中性能保障及技術(shù)措施等做好管控。

2.1 原材料

為保證研究成果具有代表性，所用原料(除拌合水外)均與現(xiàn)場(chǎng)保持一致，如表1所示。其中，水泥和粉煤灰化學(xué)組成如表2所示。

表1 試驗(yàn)用原材料

表2 水泥與粉煤灰化學(xué)組成 %

2.2 測(cè)試方法

1)混凝土試塊成型 采用臥軸式60L混凝土攪拌機(jī)拌制混凝土?；炷涟韬衔锍鰴C(jī)時(shí)的坍落度為(200±20)mm。制作尺寸為100mm×100mm×100mm，300mm×100mm×100mm，515mm×100mm×100mm的試塊，分別用于混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量和干燥收縮試驗(yàn)。成型后的混凝土試件立即覆蓋塑料薄膜，在室溫下養(yǎng)護(hù)1d后拆模，然后在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度95%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

2)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試 采用濟(jì)南試金 2 000kN 抗壓性能試驗(yàn)機(jī)，試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，加荷速度為0.45MPa/s。

3 高強(qiáng)度混凝土配合比設(shè)計(jì)

項(xiàng)目中大體積混凝土筏基澆筑面臨材料內(nèi)部溫度變化引發(fā)的開裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)該筏基混凝土又使用了大摻量礦物摻合料。因此，需在現(xiàn)場(chǎng)施工前進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 混凝土配合比初選

3.1.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為給出滿足施工現(xiàn)場(chǎng)要求且早期放熱量較小的混凝土配合比，需將多個(gè)關(guān)鍵取值設(shè)置為變量，通過(guò)測(cè)試樣品混凝土強(qiáng)度確定各變量。設(shè)置的變量包括水膠比、單方膠材用量及粉煤灰占比。為提高試驗(yàn)效率，引入正交試驗(yàn)法。為分析各因素對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的顯著程度，引入空白因素項(xiàng)，因此，在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，共設(shè)置4個(gè)因素。各因素水平取值如表3所示。

表3 配合比設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)中各因素水平取值

根據(jù)各項(xiàng)因素和水平的設(shè)置結(jié)果，選取L9(34)正交試驗(yàn)表安排試驗(yàn)(見表4)，據(jù)此得到試驗(yàn)用混凝土配合比(見表5)。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表5 各試驗(yàn)組配合比 kg·m-3

正交試驗(yàn)中需先對(duì)各變化因素給定若干取值水平。為獲得各因素取值水平的大致范圍，依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)程》”),結(jié)合預(yù)設(shè)的強(qiáng)度等級(jí)要求和大體積混凝土特性，對(duì)配合比進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，并根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)結(jié)果確定各因素取值水平(見表3)。需指出的是，粉煤灰占比在依據(jù)《規(guī)程》的計(jì)算基礎(chǔ)上，依據(jù)GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行適當(dāng)增加。其目的是通過(guò)正交試驗(yàn)了解粉煤灰在大摻量情況下對(duì)混凝土多個(gè)性能的影響。

3.1.2正交試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)各試驗(yàn)組3，7，28，60d強(qiáng)度分別進(jìn)行測(cè)試。由于試驗(yàn)采用的是100mm×100mm×100mm非標(biāo)準(zhǔn)試塊，所測(cè)強(qiáng)度依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，乘以0.95進(jìn)行折算，得到標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度值(見表6)。

表6 正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于3，7d抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)組7性能最好，對(duì)應(yīng)的各因素取值為：水膠比0.36，單方膠材用量415kg，粉煤灰占比40%。而對(duì)于28，60d抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)組5性能最好，對(duì)應(yīng)因素取值為：水膠比0.38，單方膠材用量395kg，粉煤灰占比40%。

根據(jù)工程要求，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)達(dá)C40。以60d齡期為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，平均抗壓強(qiáng)度應(yīng)>48.23MPa，對(duì)比表6中60d齡期強(qiáng)度數(shù)據(jù)，4～9組均達(dá)到C40強(qiáng)度等級(jí)要求。各齡期下試樣的各因素水平對(duì)應(yīng)的ki值如圖1所示。ki表示某因素第i個(gè)水平對(duì)抗壓強(qiáng)度的有利程度。同時(shí)，由ki極差R可知，混凝土在28d齡期前，影響混凝土強(qiáng)度最主要的因素為粉煤灰占比，其次是水膠比；而當(dāng)齡期達(dá)60d后，影響強(qiáng)度的最主要因素為水膠比，其次為粉煤灰占比，單方膠材用量R值小于空白項(xiàng)R值，說(shuō)明單方膠材用量對(duì)強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)。

圖1 各因素不同水平對(duì)應(yīng)的ki值

找出各因素最大ki值，便可得到對(duì)混凝土強(qiáng)度最有利的水平取值組合。若以混凝土后期強(qiáng)度為主要評(píng)估準(zhǔn)則，強(qiáng)度最有利水平組合應(yīng)取A3B2C3，即水膠比0.36，單方膠材用量395kg，粉煤灰占比40%。此配合比并未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)中，但其對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能要優(yōu)于直接從試驗(yàn)結(jié)果中選出的試驗(yàn)組7，5。在后續(xù)補(bǔ)充的驗(yàn)證試驗(yàn)中，配合比取A3B2C3時(shí)，混凝土60d平均抗壓強(qiáng)度達(dá)58.1MPa，超過(guò)表6中的各組強(qiáng)度，證明此優(yōu)化合理有效。

3.2 混凝土泵送試驗(yàn)

以現(xiàn)場(chǎng)施工條件為依據(jù)，確定試驗(yàn)中泵送長(zhǎng)度、設(shè)備機(jī)械等參數(shù)，有針對(duì)性地進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證試驗(yàn)，更全面地了解混凝土配合比，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.2.1試驗(yàn)過(guò)程

1)選用3.1節(jié)優(yōu)選出的混凝土配合比，即A2B2C3組合。

2)泵送試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械。試驗(yàn)混凝土由攪拌站生產(chǎn)，選用攪拌站HBT12020進(jìn)行泵送，選用φ125泵管進(jìn)行布置。

3)進(jìn)行可振搗、耐振搗及產(chǎn)出量試驗(yàn)。

3.2.1.1耐振搗試驗(yàn)

根據(jù)方案，在現(xiàn)場(chǎng)制作7個(gè)木盒進(jìn)行耐振搗試驗(yàn)，將混凝土注入木盒中，分別用不同時(shí)間進(jìn)行振搗，振搗完畢后在木盒上用油漆筆標(biāo)記好振搗時(shí)間。

3.2.1.2可振搗試驗(yàn)

單獨(dú)準(zhǔn)備2個(gè)木盒，混凝土澆筑后，不進(jìn)行振搗，以澆筑時(shí)間為基準(zhǔn)，2h后開始對(duì)其振搗，每隔0.5h振搗1次，拔出后觀察振搗孔處混凝土，直至振搗孔處混凝土無(wú)法恢復(fù)原樣，可結(jié)束試驗(yàn)。

3.2.1.3產(chǎn)出量試驗(yàn)

準(zhǔn)備4個(gè)容積為1m3的模具，并在高度上進(jìn)行標(biāo)識(shí)，便于對(duì)混凝土量進(jìn)行觀測(cè)。在攪拌機(jī)內(nèi)攪拌1m3混凝土，利用攪拌車運(yùn)輸至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，將混凝土注入模具內(nèi)，采用現(xiàn)場(chǎng)所用的振搗棒按相關(guān)要求振搗密實(shí)。振搗完成后，測(cè)定混凝土容積誤差，在 ±2% 之內(nèi)方為合格。

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果

1)3組混凝土(等待時(shí)間分別為30，60，90min)泵送情況良好，無(wú)堵泵或泵送壓力不足情況，泵送出的混凝土和易性良好，無(wú)分層離析現(xiàn)象，保證了混凝土出泵后的工作性能。

2)混凝土成型后，拆除模板，通過(guò)鉆取芯樣，觀察截面分層和密實(shí)度，得到混凝土振搗最佳時(shí)間為20～30s。

3)根據(jù)觀察記錄振搗棒插入孔洞是否可恢復(fù)原狀，得到可振搗時(shí)間為4～5h。

4)根據(jù)測(cè)定混凝土容積誤差，容積誤差在±2%之內(nèi)，證明此種混凝土生產(chǎn)方式合格。

4 實(shí)施效果

通過(guò)正交試驗(yàn)和混凝土綜合性能測(cè)試，得出優(yōu)化后的混凝土配合比方案，所制混凝土強(qiáng)度滿足要求。并經(jīng)過(guò)混凝土性能試驗(yàn)與實(shí)際工程證明，此方案得出的混凝土完全滿足設(shè)計(jì)和質(zhì)量要求。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)防城港“華龍一號(hào)”核島項(xiàng)目中大體積混凝土筏基所用建筑原材料進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。施工實(shí)踐證明，采用此方案得出的混凝土配合比保證了施工質(zhì)量，完全滿足設(shè)計(jì)和質(zhì)量要求，得到了業(yè)界的一致好評(píng)。