核电厂土建施工三大原材料质量控制

王 锋

（中国核工业华兴建设有限公司， 广西 防城港 538003）

为了履行保证公众健康和安全的责任，核电厂的建造具有与民用工程不同的特性，所有对核电厂负有责任的人员：设计人员、设备供应厂商、工程公司、建造人员、运行人员等必须制订计划，并有效地实施质量保证的每一步工作。分析土建施工过程中，原材料采购、验收、仓储环节是如何实施质量控制，使其完全处于受控状态；探讨土建原材料的技术指标、管理程序、文件归档等都是十分重要的环节。

1 CPR1000核电站核岛土建材料

建筑材料是指建筑工程结构物中使用的各种材料和制品，它是建筑工程的物质基础。建筑材料的费用，一般占工程总造价的60%以上。核电站建设中，结构复杂、工序多、工作量大，CPR1000核电站一般是2台机组作为一个建造单元，新项目核岛土建工程2个机组核岛工程预计混凝土总量为23 万m3左右，水泥供应量在11 万t左右，碎石供应量在50万～66 万t，天然淡水砂供应量在25 万t左右，钢筋总量约4万t，模板总量约26 万m2，钢结构总量超过8 000 t，另外还包括钢门窗工程、油漆工程和防水工程、围护工程。

2 三大主材质量性能指标

2.1 钢材的性能指标含义

2.1.1 抗拉强度

钢材的抗拉强度表示能承受的最大拉应力值（见图1中的E点）。在建筑钢结构中，以规定抗拉强度的上下限作为控制钢材冶金质量的一个手段。

（1）如抗拉强度太低，则意味着钢的生产工艺不正常，冶金质量不良（钢中气体、非金属夹杂物过多等）；抗拉强度过高则反映轧钢工艺不当，终轧温度太低，使钢材过分硬化，从而引起钢材塑性、韧性的下降。

图1 低碳钢的应力—应变（σ-ε）曲线Fig.1 Low carbon steel stress - strain (σ-ε) curve

（2）规定了钢材强度的上下限就可以使钢材与钢材之间，钢材与焊缝之间的强度较为接近，使结构具有等强度的要求，避免因材料强度不均而产生过度的应力集中。

（3）控制抗拉强度范围还可以避免因钢材的强度过高而给冷加工和焊接带来困难。

由于钢材应力超过屈服强度后出现较大的残余变形，结构不能正常使用，因此钢结构设计是以屈服强度作为承载力极限状态的标志值，在一定程度上抗拉强度即作为强度储备；其储备率以抗拉强度与屈服强度的比值强屈比σb/σs表示，强屈比越大则强度储备越大。所以对钢材除要求符合屈服强度外，还应符合抗拉强度的要求。GB 1499.2—2007《钢筋混凝土用钢》第2部分：“热轧带肋钢筋”规定有较高抗震要求的钢筋，实测抗拉强度与实测屈服强度之比σb/σs不小于1.25，因此，国内在建的CPR1000核电站都采用了此项规定。

2.1.2 屈服强度

对于不可逆（塑性）变形开始出现时，金属单位截面上的最低作用外力定义为屈服强度或屈服点。它标志着金属对初始塑性变形的抗力。

钢材在单向均匀拉力作用下，根据应力—应变（σ-ε）曲线图，可分为弹性、弹塑性、屈服、强化4个阶段。

钢结构强度校核时根据荷载算得的应力小于材料的容许应力[σs]时结构是安全的。容许应力[σs]可用下式计算:

式中：σs——材料屈服强度；

K——安全因子。

屈服强度是作为强度计算和确定结构尺寸的最基本参数。

2.1.3 冲击韧性

钢材的冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，以及在低温、应力集中、冲击荷载等作用下，衡量抵抗脆性断裂的能力。钢材中非金属夹杂物、脱氧不良等都将影响其冲击韧性。为了保证钢结构建筑物的安全，防止低应力脆性断裂，建筑结构钢还必须具有良好的韧性。目前，关于钢材脆性破坏的试验方法较多，冲击试验是最简便的检验钢材缺口韧性的试验方法，也是作为建筑结构钢的验收试验项目之一。

钢材的冲击韧性采用V形缺口的标准试件。冲击韧性指标以冲击荷载使试件断裂时所吸收的冲击功用AKV表示，单位为J 。

2.1.4 耐疲劳性

钢筋混凝土构件在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于屈服点时，发生突然的脆性断裂，这种现象叫做疲劳破坏。

2.1.5 断后伸长率

断后伸长率是钢材加工工艺性能的重要指标，并显示钢材冶金质量的好坏。

断后伸长率是衡量钢材塑性及延性性能的指标。断后伸长率越大，表示塑性及延性性能越好，钢材断裂前永久塑性变形和吸收能量的能力越强。对建筑结构钢的δ5要求应在16%～23%。钢的断后伸长率太低，可能是钢的冶金质量不好所致；伸长率太高，则可能引起钢的强度、韧性等其他性能的下降。随着钢的屈服强度等级的提高，断后伸长率的指标可以有少许降低。

2.1.6 冷弯试验

冷弯试验是测定钢材变形能力的重要手段。它以试件在规定的弯心直径下弯曲到一定角度不出现裂纹、裂断或分层等缺陷为合格标准。在试验钢材冷弯性能的同时，也可以检验钢的冶金质量。在冷弯试验中，钢材开始出现裂纹时的弯曲角度及裂纹的扩展情况显示了钢的抗裂能力，在一定程度上反映出钢的韧性[1]。

2.2 混凝土材料的性能指标含义

混凝土材料已成为用量最大、用途最广的建筑材料，其原因除众所周知的原料易得、施工简便、可浇筑成任意形状、能适应各种环境、经久耐用等外，还有工业发展最重要条件的“三少”特点，即能源消耗少、用水量少、环境污染少。混凝土的原材料选择、配合比、搅拌、运输、浇捣、养护等都直接影响到混凝土结构的力学性能与耐久性能，因此，施工中尤其要注意每个环节的质量控制。

2.2.1 核电厂水泥的指标要求

供核电厂用的水泥为硅酸盐水泥或掺6%～15%混合材料的普通硅酸盐水泥。各指标的含义和要求如表1和表2所示。

2.2.1.1 凝结时间

水泥从加水开始到失去流动性，即从可塑状态发展到固体状态所需的时间叫凝结时间。水泥凝结时间分初凝时间和终凝时间。

初凝时间是从水泥加水拌合起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间是从加水拌和至水泥浆完全失去塑性的时间。水泥的初凝不宜过早，以便施工时有足够的时间来完成混凝土或砂浆的搅拌、运输、浇捣和砌筑等操作；水泥终凝不宜过迟，以便使混凝土能尽快地硬化，达到一定的强度，以利于下道工序的进行。国家标准规定，初凝不早于 45 min，终凝不迟于 6.5 h。

表1 核电厂水泥物理性能要求Table 1 Cement physical performance requirements for nuclear power plant

表2 核电厂水泥的化学性能要求Table 2 Cement chemical performance requirements for nuclear power plant

2.2.1.2 体积安定性

如果水泥硬化后，产生不均匀的体积变化，即所谓体积安定性不良，就会使构件产生膨胀性裂缝，降低建筑物质量，甚至引起严重事故。

GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》规定，用沸煮法检验水泥的体积安定性。体积安定性不良的水泥应作废品处理，不能用于工程中。

2.2.1.3 水化热

水泥和水之间化学反应放出的热量称为水化热，单位为J/kg。水泥的水化热，大部分在水化初期（7 d）内放出，以后逐渐减少。其量的大小和发热速度因水泥的种类、矿物组成、水灰比、细度、养护条件等而不同。水泥的水化热，对于大体积混凝土工程是不利的。因为水化热积聚在内部不易发散，致使内外产生很大的温度差，引起内应力，使混凝土产生裂缝。对于大体积混凝土工程，应采用低热水泥，若使用水化热较高的水泥施工时，应采取必要的降温措施。

2.2.2 核电厂砂石的指标要求

骨料是建筑混凝土主要组成材料之一，约占混凝土体积的70%。起骨架及减小由于胶凝材料在凝结硬化过程中干缩湿涨所引起体积变化等作用，同时还可作为胶凝材料的廉价填充料。在建筑工程中骨料有砂、石子、煤渣（灰）等。

骨料按颗粒尺寸，分为粗细两类。粒径为0.16～5.0 mm的称为细骨料（砂）；粒径在5.0 mm以上的称为粗骨料（石子）。按密度和性质可分为重骨料、普通骨料、轻骨料、特种骨料等，核电厂用的骨料如表3所示。

2.2.2.1 颗粒级配和粗细程度

砂的颗粒级配，表示砂大小颗粒的搭配情况。它决定了砂的空隙率的大小。砂的空隙率小，混凝土骨架密实，填充砂子空隙的水泥浆则少。砂的粗细程度，表示不同粒径的砂混合后总体的粗细程度，通常有粗砂、中砂和细砂之分。它决定了砂的总表面积。砂的总表面积小，包裹砂子表面的水泥浆用量则少。

石子的颗粒级配原理与砂基本相同，石子级配好坏对节约水泥和保证混凝土具有和易性有很大关系，特别是拌制高强度混凝土，尤为重要。

2.2.2.2 颗粒形状及表面特征

粗骨料的颗粒形状及表面特征同样会影响其与水泥的黏结及混凝土拌和物的流动性。碎石具有棱角，表面粗糙，与水泥黏结较好，而卵石多为圆形，表面光滑，与水泥的黏结较差，在水泥用量和水用量相同的情况下，碎石拌制的混凝土流动性较差，但强度较高。

表3 核电厂土建工程骨料Table 3 Skeletal materials for the civil construction of nuclear power plant

粗骨料的颗粒形状还有属于针状（颗粒长度大于该颗粒所属粒级的平均粒径的2.4倍）和片状（厚度小于平均粒径的0.4倍）的，这种针状颗粒过多，会使混凝土强度降低。

2.2.2.3 强度

为保证混凝土的强度要求，石子都必须是质地致密、具有足够的强度。碎石或卵石的强度可用岩石立方体强度和压碎指标两种方法表示。当混凝土强度等级为C6O及以上时，应进行岩石抗压强度检验。在选择采石场或对石子强度有严格要求或对质量有争议时，也宜用岩石立方体强度做检验。对经常性的生产质量控制则可用压碎指标值检验。

2.2.2.4 含泥量及泥块含量

含泥量是指碎石中粒径小于0.08 mm 颗粒的含量；泥块含量是指碎石中粒径大于5 mm，经水洗、手捏后变成小于2.5 mm的颗粒含量。

含泥量将会严重影响骨料与水泥的黏结力、降低和易性、增加用水量，影响混凝土的干缩和抗冻性。泥块含量对混凝土性能的影响较大，特别对抗拉、抗渗、收缩的影响更为显著。一般对高强度等级混凝土的影响比低强度等级混凝土影响大，所以根据混凝土强度等级的高低规定骨料中含泥量及泥块含量的控制指标。

2.2.2.5 有害物质含量

砂石中有害物质包括黏土、淤泥、云母、轻物质（砂中相对表观密度小于2.0的物质）、硫化物和硫酸盐及有机物质。

砂石中黏土、淤泥、云母及轻物质含量过多，会使混凝土表面形成薄弱层，若黏附在骨料表面，又会妨碍骨料与水泥的黏结。

硫化物与硫酸盐的存在会腐蚀混凝土，引起钢筋锈蚀，降低混凝土强度和耐久性。有机质含量多，会延迟混凝土的硬化，影响强度的增长。所以，核电厂用砂石中各有害物质的含量应严格控制在一定的范围内[2]。

2.3 核电建筑模板体系的质量控制

工程模板体系是钢筋混凝土结构工程的重要分项工程，其制作和安装质量可靠度，是确保混凝土结构强度和刚度，满足设计图纸要求构件受力状况的先决条件，模板体系质量的好坏，直接影响到混凝土结构和构件的内在质量、几何尺寸及外观质量的好坏。

目前，国内CPR1000堆型安全壳模板和墙体模板均采用芬兰进口的WISA模板，其厚度为18 mm，全部采用1.4 mm厚的北欧寒带桦木单板十字交叉黏结，采用的黏结剂为酚醛树脂。模板在龙骨的支撑下有足够的强度和刚度，当混凝土浇筑层厚在3 m以内的情况下，其变形误差完全能满足设计要求。

为使模板易于清洗，保证混凝土表面的光洁度，同时延长模板使用寿命，在模板面板的正反面均覆盖有酚醛膜涂层，覆膜重量正面为220 g/m2，反面为120 g/m2，周转次数一般可达20～80次不等。当然，周转次数的多少与很多因素有关。

WISA模板其他物理性能如下:

渗水率: 50 kg/m2（正面，7 d）；

覆膜磨穿周转次数：600次；

导热性：板厚12 mm，3.5 W/m·K；

板厚27 mm，2.5 W/m·K；

含水率（10±2）%时，标准厚度的WISA模板的物理性能如表4所示。

表4 WISA模板的物理性能Table 4 Physical performance of the WISA modular plate

3 材料的验收和仓储质量控制

有了以上的质量控制指标，没有严格地执行进场验收落实、管理程序约束，也是无法保证原材料环节质量处于受控状态。为了确保原材料的质量，下面介绍核电站建设过程中的管理方法——管理程序。每个核电项目中，承建都会发布《材料验收程序》、《仓库管理程序》等工作程序，规范各个部门的职责关系，保证每一步环节都处在受控状态下，凡事有据可依。

对用于核电工程实体的物资，必须采取一整套预防措施规范操作和管理，确保结构工程质量，杜绝隐患。对影响工程质量的重要物资，如钢筋、水泥必须由器材部及相应部门进行联合验收。验收应在规定的质量验收期内，由器材部验收员、保管员配合试验室，按有关国标、建筑规范、设计要求取样送现场实验室或送样到有资格的化验室进行相关验收。对于试验室尚不能复检的项目，由试验室委托外部有资质的试验机构进行检测，相应的检测报告由试验室跟踪落实，并对检验结果进行判定，并及时取回报告。

对于验收合格的物资必须由器材部验收员组织填写好验收记录单，验收合格的物资应悬挂“验收合格”绿色标牌并及时办理入库手续。

对于外观验收不合格的，影响到工程使用的物资按不符合项相关程序处理，通知采购员联络退回或更换，将缺陷物资单独存放在指定区域，并悬挂“验收不合格，勿用”的红色标牌。

库存物资的保管要做到管理专责化，货位固定化，堆放规格化，计量标准化，库容整洁化。

仓库保管员应按照程序《物项的标识》的具体要求，对库存物资进行标识，验收合格的库存物资标识的内容包括：物资名称、产地、数量、规格型号、验收日期、材质及批号，对于验收不合格的物资应予以隔离，并用红字标识：“验收不合格，勿用”，对未经验收的物资标识：“未经验收，勿用”黄色标牌。

对保管中产生的不符合项要及时做好各种记录，对不合格产品应单独存放并悬挂标志牌。对保管中混淆不清的产品，要报废或重新检验，直至确定恢复原合格状态。

4 结论

通过以上对核电厂土建施工过程中最主要的三大原材料质量控制的论述，可以看出，核电厂的承建单位对原材料质量控制要做到：事前理解指标的确切含义和要求，事中严格遵循操作程序，事后认真分析总结原因。土建施工原材料的质量处于全面的受控状态。中国核电的发展，要切实有效地实施质量保证的每一步工作，狠抓质量不放松，安全第一、质量第一，人人都是一道安全屏障，才能使我国的核电事业又好又快安全发展。

[1] 编委会. 现场材料员岗位通[M]. 北京：北京理工大学出版社，2009：84-85.（Editorial board. Post Duties of Site Material Man[M]. Beijing, Beijing Institute of Technology Press, 2009：84-85.）

[2] 潘延平. 质量员必读[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005：13-15.（P A N Y a n-p i n g. A Companion to Quality Inspector[M]. Beijing:China Construction Industry Press, 2005:13-15.）