C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土配制技術(shù)

向 群

(中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引言

巴基斯坦卡拉奇核電廠二期工程采用中國自主三代核電“華龍一號(hào)”核電機(jī)組,設(shè)計(jì)的混凝土最高強(qiáng)度等級(jí)為C60。巴基斯坦工業(yè)水平相對落后,當(dāng)?shù)厝鄙俜勖夯?、硅粉等摻合?在沒有摻合料的情況下,采用純水泥配制C60混凝土的水泥用量達(dá)500kg/m3以上,高水泥用量增大了混凝土裂縫的控制難度,存在較高的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。若從中國國內(nèi)進(jìn)口摻合料將增加經(jīng)濟(jì)成本,且海運(yùn)的防潮、存儲(chǔ)及運(yùn)輸周期存在不確定性,會(huì)影響整個(gè)工程項(xiàng)目的進(jìn)展。

同屬巴基斯坦境內(nèi)已建的恰?，敽穗奀1～C4項(xiàng)目通過在混凝土配合比中添加石灰石粉降低水泥用量、改善混凝土的和易性,經(jīng)過實(shí)際施工驗(yàn)證具有較好的效果,但恰?，敽穗娕渲频幕炷磷罡邚?qiáng)度等級(jí)為C40,且按90d強(qiáng)度進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),而卡拉奇“華龍一號(hào)”核電要求C60混凝土按28d強(qiáng)度進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。兩者混凝土強(qiáng)度等級(jí)差別較大,配制難度也不同,同時(shí)國內(nèi)外還沒有采用石灰石粉配制C60高強(qiáng)混凝土的先例,能否通過摻加石灰石粉配制出滿足要求的C60高強(qiáng)混凝土存在不確定性。

今后我國將陸續(xù)出口巴基斯坦“華龍一號(hào)”核電機(jī)組,因此,如何實(shí)現(xiàn)混凝土配合比的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),又能滿足混凝土施工質(zhì)量,是亟需解決的問題。

1 工程概況

卡拉奇核電廠二期工程位于巴基斯坦信德省卡拉奇市(Karachi)西部阿拉伯海北岸邊,采用中國自三代核電“華龍一號(hào)”核電機(jī)組,是我國出口到海外的“華龍一號(hào)”首堆工程,整個(gè)工程的混凝土總量約為100萬m3,最高強(qiáng)度等級(jí)為C60,其中C60混凝土總量為16.4萬m3、單次澆筑最大量約 1 100m3, C60混凝土使用部位為核島的內(nèi)外安全殼、APC殼結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)部位,該部位均為核電廠的核心關(guān)鍵部位。

1.1 混凝土原材料的性能和質(zhì)量

巴基斯坦全國范圍的水泥廠僅能生產(chǎn)42.5級(jí)硅酸鹽水泥,水泥的28d平均抗壓強(qiáng)度只有46MPa左右,強(qiáng)度富余度較低,當(dāng)?shù)厮鄬?shí)際檢測7d水化熱為308kJ/kg,高于國內(nèi)水泥的水化熱(國內(nèi)核電一般控制水泥7d水化熱不大于293kJ/kg),混凝土前期的水化熱較大,對裂縫的控制不利。

石灰石粉由大理石等石材研磨而成,巴基斯坦當(dāng)?shù)厥腺Y源豐富,且有大量的石灰石粉加工廠,石灰石粉摻入到混凝土中可提高拌合物的流動(dòng)性,改善混凝土的空隙結(jié)構(gòu),但石灰石粉是非活性摻合料,摻量需通過配合比試驗(yàn)進(jìn)行對比分析確定。

混凝土所用的砂石骨料為項(xiàng)目砂石廠自制砂石,機(jī)制砂比河砂的吸水率大,混凝土配制用水量會(huì)增加,導(dǎo)致膠凝材料用量增加。

1.2 混凝土質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

“華龍一號(hào)”核島C60混凝土使用部位結(jié)構(gòu)尺寸大,其中外殼和APC殼厚1 800mm,且卡拉奇的平均氣溫達(dá)30℃以上,最高溫度達(dá)46℃,高環(huán)境溫度再加上高水泥用量,對混凝土施工與養(yǎng)護(hù)都非常不利,混凝土裂縫控制難度大,存在較高的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 混凝土的經(jīng)濟(jì)成本

項(xiàng)目前期進(jìn)行了初步測算,若將粉煤灰或硅粉摻合料從中國國內(nèi)進(jìn)口到巴基斯坦,按照“華龍一號(hào)”2臺(tái)機(jī)組C60混凝土總量近16.4萬m3,至少需花費(fèi)1 000萬元左右,會(huì)大大增加混凝土的經(jīng)濟(jì)成本,提高造價(jià)。

2 C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土配制及試驗(yàn)

2.1 C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土配制

在巴基斯坦恰?，敽穗娬綜40石灰石粉混凝土使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過在C60混凝土中摻加不同數(shù)量的石灰石粉進(jìn)行相關(guān)配合比試驗(yàn),檢驗(yàn)混凝土的和易性和強(qiáng)度是否滿足要求?？ɡ婧穗奀60混凝土相關(guān)要求為:28d立方體最小抗壓強(qiáng)度不小于60MPa,最大水膠比為0.36,最小膠凝材料用量為380kg/m3。

現(xiàn)場材料中,細(xì)骨料為機(jī)制中砂;粗骨料為5～16mm,16～31.5mm 2種規(guī)格的機(jī)制碎石,以4∶6比例混合后,滿足5～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石要求;水泥28d平均抗壓強(qiáng)度僅為46.0MPa左右,強(qiáng)度富余系數(shù)較低。

2.1.1確定配合比試驗(yàn)混凝土配制強(qiáng)度

依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》第4.0.1條,配合比試驗(yàn)時(shí)的混凝土配制強(qiáng)度應(yīng)不低于60×1.15=69.0MPa。

2.1.2初步確定用水量及水灰比

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》第7.3.2條,結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)初步選取砂率38%,用水量 160kg/m3, 水泥用量(450～500kg/m3,即水灰比0.36～0.32),再通過試驗(yàn)確定滿足配制強(qiáng)度的水灰比。

在沒有摻合料的情況下,實(shí)驗(yàn)室通過大量的試驗(yàn)分析,梳理匯總出滿足強(qiáng)度要求的3個(gè)配合比(見表1),但只有配合比3的和易性基本能滿足。

表1 不同水灰比下的28d抗壓強(qiáng)度Table 1 28 day compressive strength under different water cement ratio

2.1.3確定最佳砂率

通過改變不同的砂率對比混凝土出機(jī)坍落度與和易性,確定混凝土中的最佳砂率,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,最佳砂率為37%。

表2 不同砂率下的混凝土拌合物性能Table 2 Performance of concrete mixes with different sand rates

2.1.4確定石灰石粉用量

在水泥用量、砂率、外加劑摻量等參數(shù)不變時(shí),通過添加不同的石灰石粉用量對比混凝土性能和強(qiáng)度,然后選取最佳石灰石粉用量,如表3所示。

表3 石灰石粉用量對混凝土性能的影響Table 3 Influence of limestone powder content on concrete performance

由表3可知,以石灰石粉作為摻合料能改善混凝土的和易性,但隨著石灰石粉摻量的增加,混凝土坍落度開始變小,強(qiáng)度降低較明顯,其中配合比2最優(yōu),因此選擇配合比2作為初步配合比。

2.1.5驗(yàn)證試驗(yàn)確定實(shí)驗(yàn)室配合比

經(jīng)過上述試驗(yàn)后,對選定的初步配合比的經(jīng)濟(jì)性及混凝土和易性進(jìn)行驗(yàn)證,從而確定混凝土配合比,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 混凝土配合比和易性驗(yàn)證Table 4 Verification of economy and workability of concrete mix proportion

由表4可知,在石灰石粉定量的情況下,隨著水泥用量的增加,混凝土逐漸變黏,強(qiáng)度變大,經(jīng)濟(jì)性變差。最終對比確定配合比2為卡拉奇項(xiàng)目C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土。

2.2 C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土全性能試驗(yàn)

由于C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土為首次使用,為充分驗(yàn)證混凝土的力學(xué)、熱工、耐久性等指標(biāo),委托國內(nèi)有資質(zhì)的混凝土檢測機(jī)構(gòu)對C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土進(jìn)行全性能試驗(yàn),如表5～7所示。試驗(yàn)證明該配合比全性能的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求,也驗(yàn)證了C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土的可靠性和科學(xué)性。

表5 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)Table 5 Physical and mechanical properties test of concrete

表6 混凝土熱學(xué)性能試驗(yàn)Table 6 Thermal performance test of concrete

表7 混凝土徐變、干縮率、碳化等耐久性能試驗(yàn)Table 7 Durability tests and concrete creep, shrinkage, carbonization

3 C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土經(jīng)濟(jì)性比較

為驗(yàn)證C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土的經(jīng)濟(jì)性,與其他配制方式(不摻、單摻、雙摻)的C60混凝土成本進(jìn)行對比,所有配制的C60混凝土均滿足設(shè)計(jì)要求。

混凝土配制分為不摻(純水泥)、單摻 (粉煤灰、石灰石粉、硅粉)和雙摻(粉煤灰和硅粉、粉煤灰和石灰石粉、硅粉和石灰石粉)的C60混凝土配合比,再根據(jù)混凝土中每種原材料的價(jià)格計(jì)算每m3混凝土的綜合單價(jià),其中水、水泥、砂石、石灰石粉在巴基斯坦當(dāng)?shù)夭少?外加劑、粉煤灰、硅粉考慮從中國進(jìn)口,C60混凝土各種配合比經(jīng)濟(jì)性如表8所示。

表8 C60混凝土各種配合比經(jīng)濟(jì)性比較Table 8 Economic comparison of various mix proportions of C60 concrete

由表8可知,粉煤灰和硅粉對混凝土單價(jià)影響大,尤其是硅粉對價(jià)格影響最大,配合比1～3摻加硅粉,綜合單價(jià)最低的配合比3也比不摻活性摻合料的配合比6高125.6元;配合比4～5采用單摻粉煤灰,綜合單價(jià)有所下降,但也比配合比6高近27.6元,綜上,摻加石灰石粉的配合比6經(jīng)濟(jì)性最高。另外采用粉煤灰或硅粉需在攪拌站增加儲(chǔ)存罐,初步統(tǒng)計(jì)每個(gè)機(jī)組增加1個(gè)500t儲(chǔ)存罐,共計(jì)5個(gè),共需500萬元。

2臺(tái)機(jī)組安全殼和APC殼C60混凝土總量近16.4萬m3,采用摻加石灰石粉作為摻合料比摻加粉煤灰直接材料成本就要減少452.64萬元,另外加上建設(shè)粉煤灰貯存罐的費(fèi)用500萬元,共節(jié)約費(fèi)用952.64萬元。

4 C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土現(xiàn)場施工模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土的施工性能、配合比是否滿足卡拉奇高溫條件下施工質(zhì)量要求、泵送性能可靠性及混凝土成型后外觀質(zhì)量和裂縫控制等情況,進(jìn)行現(xiàn)場施工模擬試驗(yàn)。

本次模擬試驗(yàn)選擇在卡拉奇5月份高溫季節(jié),環(huán)境溫度39℃,選用塔式起重機(jī)基礎(chǔ)下平臺(tái)(8m×8m×2m)混凝土澆筑代替模擬墻體進(jìn)行測試,澆筑設(shè)備和管線也完全模擬安全殼混凝土澆筑過程,布料機(jī)高度為22m(澆筑半徑28m)、泵管總長約260m,其中包括4個(gè)90°彎頭和6個(gè)30°彎頭。對混凝土施工從攪拌、運(yùn)輸、澆筑等全過程進(jìn)行實(shí)際操作模擬試驗(yàn),現(xiàn)場施工模擬試驗(yàn)布置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場施工模擬試驗(yàn)布置Fig.1 Layout of field construction simulation test

4.1 試驗(yàn)過程及分析

對隨機(jī)12車混凝土的出機(jī)坍落度和溫度、入泵坍落度和溫度進(jìn)行測定和記錄,其中10車按正常的澆筑速度卸料、另外2車離站時(shí)間與開始卸料間隔時(shí)間人為控制在1h左右。通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)記錄和匯總,12組數(shù)據(jù)中混凝土出機(jī)溫度均在24℃以內(nèi)(混凝土生產(chǎn)中加入60kg冰),入模溫度均在26℃以內(nèi),混凝土的出機(jī)坍落度均滿足設(shè)計(jì)要求160±30mm,具體如表9所示。

表9 混凝土現(xiàn)場實(shí)測坍落度和溫度Table 9 Measured slump and temperature of concrete on site

由表9可知,C60混凝土從出機(jī)到開始卸料控制在30min以內(nèi),混凝土的坍落度基本沒有損失;從出機(jī)到開始卸料控制在60min以內(nèi),混凝土坍落度損失在20mm以內(nèi),整個(gè)澆筑過程中混凝土的和易性、流動(dòng)性良好,具有良好的可泵性,另外經(jīng)測定C60石灰石粉混凝土的可振搗時(shí)間為3.5h左右。

4.2 現(xiàn)場混凝土試塊強(qiáng)度

為驗(yàn)證C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢,分別成型了3次標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和同條件養(yǎng)護(hù)試件,每次成型8組(4組標(biāo)養(yǎng)和4組同條件),測定3d,7d,28d,60d抗壓強(qiáng)度。通過試塊的強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析,C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土在前7d的強(qiáng)度增長較快,而7d后混凝土強(qiáng)度增長減緩。試驗(yàn)結(jié)果如表10,圖2所示。

圖2 標(biāo)養(yǎng)及同條件試件抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between compressive strength and age of standard curing and specimens under the same conditions

表10 C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土模擬試驗(yàn)強(qiáng)度Table 10 Simulation test strength of C60 limestone powder high strength concrete

本次模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土在高溫條件下的和易性良好,施工性能均能滿足要求,混凝土澆筑成型后外觀質(zhì)量良好,同時(shí)獲取了混凝土坍落度、溫度、強(qiáng)度的變化趨勢數(shù)據(jù)及高溫條件下的養(yǎng)護(hù)方式等相關(guān)寶貴數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

1)目前C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土在巴基斯坦卡拉奇二三號(hào)機(jī)組中已澆筑16.4萬m3,所使用結(jié)構(gòu)部位的混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,外觀質(zhì)量良好。C60石灰石粉高強(qiáng)混凝土是國內(nèi)外首次單摻石灰石粉配制的高強(qiáng)混凝土,在經(jīng)濟(jì)上,為卡拉奇項(xiàng)目部避免了從中國國內(nèi)大量進(jìn)口粉煤灰摻合料,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,為項(xiàng)目節(jié)約成本952.64萬元。

2)驗(yàn)證了在混凝土中摻加適量的石灰石粉能改善混凝土和易性,達(dá)到減少水泥用量的效果,且石灰石粉混凝土的各項(xiàng)性能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定可靠,但石灰石粉的摻量需根據(jù)具體配合比指標(biāo)來確定,摻量少了起不到效果、摻量多了混凝土和易性變差。