海阳核电1号核岛混凝土试验和施工经验分析

2011-05-23李斌，李宁

中国核电 2011年1期

李斌，李宁

（山东核电有限公司，山东烟台 265116）

核电站要求混凝土具有良好的工作性、质量可靠性和长期耐久性，因此，如何保证混凝土施工质量具有十分重要的意义。AP1000作为第三代核电站，核岛底板浇筑采用新技术、新规范，在国内核电站工程中属首次采用。海阳核电站在1号核岛厂房施工过程中，根据厂址特征以及周边原材料的特性，从混凝土的原材料选择、配合比设计、混凝土制备、浇筑以及后期养护中进行了严格管理，积累了一定经验。本文将重点围绕海阳核电1号核岛底板混凝土的施工经验，就如何保证核电混凝土的质量，对海阳核电核岛混凝土试验和施工过程进行简单阐述。

1 核岛混凝土概述

核岛混凝土目前有普通混凝土和SCC自密实混凝土等，其中1号核岛反应堆厂房和核辅助厂房基础底板为整体钢筋混凝土结构，满足抗震I类要求。其底标高为60英尺6英寸，顶标高66英尺6英寸，核反应堆厂房和核辅助厂房整体基础底板长度约为78 m，最宽处约49 m，总面积约为3 015 m2，底板厚度为1.829 m，一次性浇筑总量约5 200 m3。反应堆底板中心处有一条正十六边形的施工缝，顶标高为64英尺6英寸，板厚为1.220 m，其里面的内切圆半径约为11.6 m。

核岛底板混凝土的56 d抗压强度为4 000 psi。底板下部为305 mm厚的混凝土垫层，底板内布置有接地线、防水薄膜、一到五层水平钢筋、“T”形头剪力筋、施工缝钢筋、温度钢筋、墙体钢筋、预埋螺栓、预埋管道以及KB模块等。

2 核岛混凝土试验

2.1 材料选择

混凝土组分材料是保证混凝土质量的源头和前提，通过对山东等地原材料厂家的广泛调查，以及初步的配比试验和招投标，最后优选确定了各原材料。

参考ASTM C 150—2007《波特兰水泥标准规范》的Ⅱ型水泥，结合中国标准GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》、GB 200—2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥》，采用的是中低热硅酸盐水泥P.Ⅰ42.5。水泥熟料由山水集团安丘熟料基地生产，水泥由山水集团青岛分公司的5 000 t干法旋窑生产，由于采用了优化配方，其显著的特点是水化热较低，早期强度不高但后期强度增长强劲。

参考ASTM C 618《粉煤灰、烧结或天然火山灰作为混凝土矿物掺合料的标准》中F类粉煤灰，结合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅰ级粉煤灰，采用威海电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其平均细度为6%～8%，烧失量1.5%，一般以25%～30%掺量替代部分水泥，减少早期水化热并尽可能利用其后期强度。

参考ASTM C 494/C 494M—2005《混凝土用化学外加剂的规格》，结合GB 8076—2008《混凝土外加剂》、JG/T 223—2007《聚羧酸系高性能减水剂》、JC 473—2001《混凝土泵送剂》，外加剂采用山东华伟银凯公司的NOF-AS聚羧酸型高效减水剂和NOF-AE松香型引气剂，其减水率可达25%以上。

参考A S T M C 33—2002《混凝土骨料标准》，结合GB/T 14685—2001《建筑用卵石、碎石》、GB/T 14684—2001《建筑用砂》，骨料采用峰顶中粗二长花岗岩经砂石场破碎加工而成。

参考JGJ 63—2006《混凝土拌合用水标准》采用力能区提供的生产水。

2.2 核岛混凝土施工配合比设计与试验

海阳核电核岛混凝土设计依据是美国西屋公司的技术规格书CPP-CC01-Z0-010《混凝土搅拌与运输》[1]，CPP-CC01-Z0-020《混凝土浇筑与钢筋》[2]和CPP-CC01-Z0-025《混凝土试验服务》[3]，并参考美国ASTM、ACI等规范和中国相关标准。

核岛混凝土初步设计见表1。

参考ACI 211《大体积和常规混凝土配合比设计》结合GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》、CECS 203：2006《自密实混凝土应用技术规程》、CPP-CC01-Z0-025《混凝土试验服务》的技术规格书等标准规范，以及国内外先进混凝土发展趋势和经验，基于核电混凝土耐久性要求，在保证混凝土具有良好工作性的情况下，尽可能地降低混凝土的单位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）、二掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）、一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则，试验生产出高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值的抗裂混凝土。据此思路制定了试验大纲，并开展了一系列的混凝土配合比试验工作，通过反复试验和生产验证最后确定了核岛配合比，并一次性通过西屋公司的审批，其中，FCD用的D型混凝土在专家评审会上获得国内权威知名专家的肯定，认为在保障混凝土和易性基础上较大幅度降低了胶凝材料和水用量，减少了水化热风险，并充分发挥了后期火山灰效应，混凝土配合比性能良好。

核岛混凝土施工配合比设计汇总见表2。

核岛混凝土施工配合比主要性能试验结果汇总见表3。

表1 核岛混凝土初步设计Table 1 Preliminary design of NI concrete

表2 核岛混凝土施工配合比设计汇总Table 2 List of NI concrete construction mix designs

2.3 核岛混凝土均匀性试验和生产

参考ASTM C94/C94M—2007《预拌混凝土标准》中均匀性要求，从2009年1月19日开始到8月4日结束，通过大量实际生产试验检验，达到了混凝土均匀性的要求。

混凝土均匀性指标要求见表4。

混凝土入模检测值统计见表5。

2009年9月24日到9月26日，海阳核电FCD的42 h内生产合格混凝土5 198 m3。

3 核岛混凝土施工

3.1 核岛底板混凝土浇筑

采用3～5台泵车从核岛底板南侧向北斜向分层浇筑方法。浇筑过程中控制下料高度小于等于1.83 m。在每层混凝土的前后均布置振捣器，每个布料口布置4根。振捣从浇筑层的下端开始，逐渐上移，以保证混凝土的密实。钢筋密集处要特别加强振捣，以确保混凝土的质量。振捣方式采用单一的行列形式以免漏振，振捣棒移动间距小于410 mm，振捣棒距离模板250～380 mm，振捣时间5～15 s，不可过振，避免混凝土出现离析。振捣棒快插慢拔，视混凝土表面不再明显下沉、不再出现气泡、表面泛出灰浆为准。为增加混凝土的密实度和提高抗裂性能，采用二次振捣方法（在新浇混凝土覆盖下一层混凝土时，振捣棒应插入下一层混凝土50 mm左右进行振捣），二次振捣在混凝土初凝前完成。在振捣过程中，注意成品保护，严禁振捣棒碰击各种埋件、管道、应变测温探头和插筋等，以防其变形和移位，振捣棒距离上述物件必须保持300 mm左右的距离。在浇筑过程中，要控制好间歇时间，上层混凝土在下层混凝土初凝之前浇筑完毕，避免出现冷缝。

表3 核岛混凝土施工配合比主要性能试验结果汇总Table 3 Full performance test results of NI concrete construction mix designs

表4 混凝土均匀性指标要求Table 4 Requirements for concrete uniformity indicators

表5 混凝土入模检测值统计Table 5 Statistics of concrete input parameters tested

3.2 核岛底板混凝土养护

全过程养护的主要原则是动态保温和保湿，即根据温度湿度变化及时调整保温保湿措施。混凝土水化反应虽然集中在前期，但受到各种因素影响，养护实际上是一个长期的过程，因此需要在整个混凝土施工过程中实现动态养护。在浇筑阶段减少外界温度对混凝土温度的影响。在升温阶段要重点保湿并适当保温，强化混凝土向外部散热，尽可能降低混凝土内部的绝对温度。在降温阶段要重点保温并适当保湿。底板混凝土养护材料主要采用塑料薄膜、麻袋片、土工布、岩棉。

养护是保障大体积混凝土质量的关键环节。大体积混凝土水化热产生的温差造成的混凝土温度裂缝是炎热天气下混凝土施工的最大隐患。因此必须通过对温度进行全面实时监测，及时掌握混凝土中心与表层以及混凝土表层与大气温度间的温差变化，使得混凝土里表温差控制在20 ℃以内，最大不超过25 ℃，混凝土的中心降温速率控制在1 ℃/d，最大降温速率小于1.5 ℃/d，混凝土表面温度与环境温度相差小于15 ℃时才能拆除模板和保温层。

在养护过程中，每天随机检查混凝土表面湿润程度的前提下，随时对边缘、插筋位置进行人工喷雾补水，并保持水温与混凝土表面温度温差小于11 ℃；在养护棚内使用大型喷雾装置定时进行喷雾，同时设置湿度计定点监测棚内湿度情况，使得棚内的湿度保持在50%以上。

由于边角模和侧模容易散热，因此侧模和边角模处，根据降温速率重点加强保温，保温的次序大体上是先保底板的边角，其次是周边，再逐步向中部推进方式，这需要根据现场温度变化情况及时跟进。全过程养护前期侧重于保湿，后期侧重于保温。一旦混凝土温度开始下降，则动态保温是关键，必须及时根据温度下降趋势增减保温层。根据监控数据，在降温速率逐渐加大的同时，快速增加保温干麻袋、土工布或岩棉，保温层最多时达到4层干麻袋和2层土工布或岩棉。还要注意天气预报，如果有寒潮和大雨来临，提前做好保温和防雨排水措施，寒潮和大雨可能会急剧降低侧模和边模散热降温造成纵向裂缝。

14 d前期养护结束后，根据温度变化情况继续开展中期再养护14 d，到28 d左右根据温度情况基本可以逐步打开保温，但此时仍要注意必须逐步撤除保温，不可骤然全部撤除，撤保温时按照从中心向周边方式，最终要保证整个底板温度场的均匀，减少内外部的温度应力，检查表面无异常后再拆除大棚，侧面的模板等待混凝土温度降到接近环境平均温度时再拆除，顶板裸露区的混凝土还要继续采用保温才能完全撤除保温进行自然养护。

由于水泥水化反应剧烈，混凝土内部温度快速上升，底板混凝土浇筑后的3～5 d为升温阶段。随着水泥水化反应释放热量速率逐渐降低，在低于底板混凝土向环境散热量速率后，从9月29日起，大部分测点温度开始下降，控制降温速率不超过1.0 ℃/d；10月2日后，多数测点降温速率有所提高，降温速率控制在1.5 ℃/d内，该阶段一直持续到10月12日；随后底板混凝土降温速率基本控制在1.0 ℃/d内。

3.3 核岛底板混凝土评价

根据GBJ 107—1987《混凝土强度检验评定标准》、GB 50164—1992《混凝土质量控制标准》、ACI 301《混凝土结构规范》、技术规格书CPP-CC01-Z0-020《混凝土浇筑和钢筋》、ACI 224《混凝土裂缝评估及处理》要求评价混凝土质量。

根据ACI 301-05，混凝土强度合格标准是全部试块的强度平均值大于设计龄期的标准强度，且其中最小试块的强度应大于设计强度500 psi，即最小应大于24.5 MPa。

FCD混凝土的56 d强度平均值为42.2 MPa，为设计龄期标准强度的150%，满足规格书要求。强度保证率为97.7%，符合正态分布，属于质量优良水平。

1号机组核岛底板混凝土表观质量总体良好，满足AP1000底板施工设计要求。现场检验发现有表面裂缝产生（共14条），但裂缝均在设计要求范围内，其最大宽度为0.35 mm（设计文件及技术规格书规定的最大允许裂缝宽度为0.41 mm），凿毛后裂缝最大深度为30 mm，小于温度钢筋深度，经设计判定为表面无害收缩裂缝，不会对结构产生不利影响。1号核岛底板混凝土强度指标分析数据见表6。1号核岛底板表面裂缝见图1。