核电牺牲混凝土高温及火灾损伤研究

吴运超，金祖权，张宇

（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

核电牺牲混凝土高温及火灾损伤研究

吴运超，金祖权，张宇

（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

针对掺加0～1.5kg/m3聚丙烯纤维的核电牺牲混凝土开展高温与火灾试验．结果表明：牺牲混凝土在火灾作用下抗压强度变化不大，失重率为4.7%～5.8%．在400℃高温作用下抗压强度提高60%左右，失重率为5.0%～6.5%；800℃高温作用下强度损失20%左右，失重率为2.0%～2.5%；1 000℃高温作用后残余抗压强度仍有11～16MPa，失重率为0.1%～0.2%．牺牲混凝土高温熔融温度为1 180～1 210℃，聚丙烯纤维掺加对牺牲混凝土熔融温度、抗压强度损伤以及熔融产物类型影响较小，但加速混凝土早期自由水排出，防止牺牲混凝土火灾爆裂．

牺牲混凝土；聚丙烯纤维；高温；火灾

0 引言

核电站发生严重事故时，在冷却不及时的情况下反应堆堆芯元件会发生融化，熔融物温度可高达3000～4 000℃[1]，熔融物造成压力容器下封头失效，接着流入反应堆腔与混凝土材料反应．混凝土的融化分解温度只有1 100℃左右，熔融物开始向下侵蚀底板[2]，产生大量不可凝气体，提高安全壳的压力，一旦底板被熔穿，安全壳的完整性丧失，大量发射性射线将外泄，就可能造成难以估量的后果．牺牲混凝土作为安全壳衬底保护层，在高温熔蚀过程中可以降低熔融物的温度和辐射性．熔融物在反应堆腔内停留的时间也由牺牲性混凝土消融时间和熔融金属塞所需时间决定，是第三代核电站的重要组成材料．

MarkusNie等[3]对硅质混凝土及石灰石质混凝土与堆芯熔融物发生反应时的分解温度和分解焓提出了相应的预测模型．Spengler C等[4]开展了牺牲混凝土与熔融物反应的ACE实验，并采用MEDICIS程序对实验结果进行了分析，得出了混凝土温度变化和消融速率随时间的变化规律．胡萍，黄慎江[5]等研究了在火灾急速升温的环境中混凝土发生爆裂及承载力下降现象．施磊等[6]通过研究掺加聚丙烯纤维混凝土的工作性能和力学性能进行测试和分析．为评价牺牲混凝土的安全性，本文系统研究掺加聚丙烯纤维牺牲混凝土在高温及火灾作用下的强度衰减、质量损失、外貌变化，以及高温熔融温度及熔融产物．

1 实验

1.1 牺牲混凝土配合比

山东山水水泥集团提供P.I.52.5水泥，洛阳栾川铁矿石（Fe2O3＞80%）．最大粒径小于8mm的间断级配石英石．S95级矿粉，烧失量为0.37%．鲁青I级粉煤灰，烧失量为3.65%．聚羧酸高效减水剂，其减水率最高可达到45%．江苏博特生产的聚丙烯细纤维，其熔点为165℃，弹性模量3 500MPa．牺牲混凝土配合比如表1所示．

表1 牺牲混凝土配合比kg/m3Tab.1 M ix proportion of sacrificial concrete

1.2 实验方法

成型100mm×100mm×100mm混凝土试件，实验室标准养护28 d后，将其放入烘箱内烘干（2 h），温度设置为50℃．取出试块分别测火灾实验和高温实验前的质量与强度，然后放入垂直火灾炉和高温炉中，火灾炉内温度符合ISO标准升温曲线．煅烧完成和高温实验后，待试件完全冷却，测量其质量损失及抗压强度大小，并且观察实验前后试件外貌变化．利用XRD对高温熔融产物的物相进行分析．

图1 火灾实验后牺牲混凝土形貌Fig.1 Themorphologyof sacrifice after the fire testof concrete

2 结果与分析

2.1 牲混凝土在高温及火灾下的形貌演变

研究表明[7-8]，普通混凝土在高温作用后，其外观形貌会发生较大的改变，而且随着加热温度的不同而变化．本节对火灾及高温实验后各组牺牲混凝土的外观形貌演变进行观察．如图1、图2所示．

图2 高温后试件外貌变化Fig.2 Appearance changeofspecimen afterhigh temperature

由图1可知，牺牲混凝土在模拟火灾实验中，颜色由浅变深．其中未掺加纤维的聚丙烯纤维混凝土爆裂成两块，掺加1.5 kg聚丙烯纤维混凝土无裂缝产生，完整性好．由图2可知，牺牲混凝土在高温实验中，随着温度的升高，牺牲混凝土试件从深红色到浅红色，后逐渐由红色变为浅黄色，温度升至1000℃时，局部出现浅褐色．高温400℃后，试件外观变化不大，试件完整性良好，没有出现缺角掉皮的现象．温度在800～1 000℃，试件外观发生较大变化，主要表现为：随着温度的升高，试件变得疏松，微细裂缝和宽大裂缝增多；掺加聚丙烯纤维牺牲混凝土高温后裂缝要少于未掺加纤维的牺牲混凝土；高温后完整性仍较好，且未发生爆裂现象．

2.2 牲混凝土在高温及火灾下的强度演变

测试牺牲混凝土在高温及火灾作用下的强度演变，其结果如图3、图4所示．由图3可知：牺牲混凝土在400℃前，其抗压强度处于增长阶段，400℃高温后的残余强度高出常温时抗压强度的1.5～1.6倍．原因一是由于牺牲混凝土中主要成分Fe2O3和SiO2较密实且高温稳定性好；二是由于混凝土在高温下因失去自由水而变得更加致密，增加了水泥胶体与骨料之间的咬合力，部分抵消了高温下的强度损失[9]．400～1 000℃牺牲混凝土处于强度永久损失阶段，牺牲混凝土的残余抗压强度均出现明显下降．其中试验各组牺牲混凝土在高温800℃后抗压强度损失为22%～29%．这是由于温度的进一步升高，牺牲混凝土内部成分在高温作用下分解产生膨胀力，使其内部结构发生破碎，导致混凝土抗压强度大幅下降[7]．但经过1 000℃高温后，牺牲混凝土强度仍有11～16MPa，说明牺牲混凝土具有很好的抗高温性能．

由图4可知：牺牲混凝土经过火灾试验，其煅烧后强度与初始强度相当．其中不掺加纤维的牺牲混凝土Y3强度降低了10.36%，而掺加1.5 kg聚丙烯纤维的牺牲混凝土强度增加了2.25%．这说明掺加聚丙烯纤维后的牺牲混凝土可以有效降低传热速度，使混凝土处于强度增长阶段，而未掺加聚丙烯纤维的牺牲混凝土处于强度损失阶段，并易发生爆裂．2.3牲混凝土在高温及火灾下的质量演变

对高温和火灾作用下牺牲混凝土冷却后称取其重量，将其与初始重量比较，计算其失重率，结果如图5、图6所示．

由图5、图6可知：400℃时牺牲混凝土失重率在5.0～6.5%，主要为自由水失去以及石膏、钙矾石分解导致的重量损失；其中掺加纤维的牺牲混凝土失重率高于素混凝土1.0%～1.5%，牺牲混凝土失重率随纤维掺量增加而增大．400～800℃区间牺牲混凝土失重率为2.0%～2.5%，主要是氢氧化钙分解所致；未掺纤维与掺加聚丙烯纤维牺牲混凝土的失重率相当．800～1000℃区间牺牲混凝土失重率在0.1%～0.2%，主要是少量碳酸盐分解；两类混凝土规律一致．在火灾作用下，掺加聚丙烯纤维的牺牲混凝土Y5的失重率为5.83%，比未掺加纤维Y3的失重率高1.07%．因此，牺牲混凝土中掺加聚丙烯纤维增加了混凝土中自由水含量，165℃下纤维熔融也有助于混凝土中水分快速排出．

2.4 牺牲混凝土高温熔融温度及产物分析

图3 高温作用下混凝土抗压强度演变Fig.3 The evolution of the compressive strength ofconcreteunder high temperature

图4 火灾前后抗压强度演变Fig.4 Compressive strength evolution after fire

图5 高温作用下牺牲混凝土失重率Fig.5 Weight loss rate ofhigh temperature effect

图6 火灾后牺牲混凝土失重率Fig.6 Weight loss rate after fire test

对牺牲混凝土升温直至其熔融，其中未掺纤维牺牲混凝土Y3系列在1100℃时开始熔融，至1180℃完全熔融；聚丙烯纤维掺量为1.0 kg/m3的Y4系列从1 150℃开始熔融，当温度升高至1 210℃发生完全熔融；聚丙烯纤维掺量为1.5 kg/m3的Y5系列初始熔融温度为1 130℃，完全熔融温度为1190℃．显然，牺牲混凝土的熔融温度为1 180～1 210℃，掺加聚丙烯纤维对其熔融温度影响不大．此外，在高温熔融过程中，所有组牺牲混凝土试件均从底面至表面逐渐熔化，并没有出现爆裂现象．

牺牲混凝土熔融后形貌如图7所示，熔融物颜色完全变成黑色．对熔融产物研磨后进行XRD分析，其结果如图8所示．显然，其主要成分为SiO2，Fe3O4以及Ca2Fe2O5，其黑色主要为铁矿石高温氧化形成Fe3O4所致．

图7 牺牲混凝土熔化后形态Fig.7 Themelting shapeof sacrificial concrete

3 结论

1）火灾实验后，牺牲混凝土由浅变深，未掺加纤维的牺牲混凝土发生爆裂；高温作用下，随着温度升高牺牲混凝土试件从深红色到浅红色，后逐渐由红色变为浅黄色，熔融后因Fe3O4形成而变为黑色．

2）火灾作用不会导致牺牲混凝土抗压强度发生较大改变．牺牲混凝土在400℃高温作用下强度提高60%左右，800℃时强度下降10MPa左右，1000℃高温作用后牺牲混凝土残余抗压强度仍有11～16MPa．

3）火灾作用下牺牲混凝土失重率为4.7%～5.8%；400℃高温作用下牺牲混凝土失重率在5.0%～6.5%，800℃时失重率为2.0%～2.5%，1 000℃时失重率为0.1%～0.2%．

4）牺牲混凝土高温熔融温度为1 180～1 210℃，聚丙烯纤维掺加对牺牲混凝土熔融温度、抗压强度损伤以及熔融产物类型影响较小，但导致400℃时牺牲混凝土失重率增加1.0%～1.5%．

图8 牺牲混凝土熔融物成分分析Fig.8 Sacrifice concretemoltenmaterial composition analysis

[1]濮继龙．核电厂安全壳及其功能保障问题[J]．核科学与工程，1992，12（8）：253-259．

[2]李琳，臧希年．压水堆核电厂严重事故下堆芯熔融物的冷却研究[J]．核安全，2007，4（4）：39-44．

[3]MarkusNie．Temporarymelt retention in the reactor pitof theeuropean pressurized water reactor(EPR)[R]．Stuttgart，2005：7-19．

[4]SpenglerC，A llelein H J．Assessmentand developmentofmolten corium concret inter actionmodels for the integral code ASTEC[J]．Nuclear Engineering and Design，2005，235：285-308．

[5]胡萍，黄慎江．高性能混凝土的耐火性能的分析[J]．工程与建设，2009，23（1）：15-17．

[6]施磊．钢-聚丙烯混杂纤维混凝土性能研究[J]．北方交通，2011（5）：98-100．

[7]刘沐宇，林志威，丁庆军，等．不同PPF掺量的高性能混凝土高温后性能研究[J]．华中科技大学学报：城市科学版，2007，24（2）：14-17．

[8]王国清，占寿祥，欧阳贻德，等．高温下氧化铁红呈色的稳定性[J]．科技进展，2003，17（6）：31-35．

[9]田威，党发宁，梁昕宇，等．混凝土细观破裂过程的CT图像分析[J]．武汉大学学报，2008，41（2）：69-72．

[责任编辑 杨屹]

Damageofsacrificialconcreteattacked by high temperatureand fire

WU Yun-chao，JIN Zu-quan，ZHANG Yu

(SchoolofCivil Engineering,Qingdao TechnologicalUniversity,Shandong Qingdao 266033,China)

High temperatureand fire testwasimplemented forsacrificialconcreteaddingw ith0～1.5 kg/m3polypropylene fiber.The resultsshowed thatthe compressive strength ofsacrificialconcretehave little changeafter fire,and itsweight lossw as4.7%～5.8%.A t400℃high tem perature,itscompressivestrengthw as increased by about60%,and itsw eight lossw as5.0%～6.5%;and thereexistedaround 20%strength lossat800℃,and itsw eight lossw as2.0%～2.5%;A fter being exposed at1 000℃,residual com pressive strength was still11～16MPa,and itsweight lossw as0.1%～0.2%. Themelting temperature of the sacrificial concrete is1 180～1 210℃.Theaddition of polypropylene fiber had little influence on themelting temperature,compressive strength damage and the type ofmolten product of sacrifice concrete, but itcan expelearly freewater in concrete to prevent thesacrifice concrete fireburst.

sacrificial concrete;polypropylene fiber;high temperature;fire testing

TU528.572

A

1007-2373(2014)06-0073-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.019

2014-06-12

国家自然科学基金（51178230，51378269）；青岛市科技计划项目（13-1-4-176-jch，13-1-4-115-jch）

吴运超（1991-），男（汉族），硕士生．通讯作者：金祖权（1977-），男（汉族），博士，教授，Email：jinzuquan@126.com．