核电站自密实混凝土原材料选择与质量控制

2020-03-01任永清陈云飞王利民刘洪斌

绿色环保建材 2020年1期

张杰任永清陈云飞王利民刘洪斌

中国电建集团核电工程有限公司

1 引言

某三代核电工程是在引进、消化和吸收西屋AP1000技术的基础上，自主研发的国家科技重大专项。结构大量采用模块化设计，模块空间狭小，构件密布，混凝土浇捣困难，成型后实体不可见，设计采用自密实混凝土技术。因此，开展核电站自密实混凝土技术攻关，掌握关键技术，具有重要意义。

品质良好的混凝土应由优质的材料制成，同时具有良好的耐久性、工作性和匀质性。自密实混凝土对原材料性能异常敏感，有着“既娇且贵”的特性。核电工程涉及辐射安全，质量控制更加严格。因此，核电自密实混凝土的原材料质量应严格控制，对比优选。

2 原材料选择基本原则

原材料是构成混凝土的基本要素，优质的材料是混凝土良好性能的前提与保障。在配合比设计前，应对拟定的原材料开展性能试验，分析、对比、优选。核电工程建设周期长，材料来源要求质量稳定、供应充足。开工前应对项目周边的原材料市场进行考察，对原材料产地、种类、产量、分布等情况进行详细的调查研究。建立满足核电工程技术要求的原材料清单，以备工程选取和使用。

从长期施工经验来看，原材料的选用宜考虑质量、技术、经济等因素，具体原则如下：

（1）品质稳定。相较于普通混凝土，原材料性能波动对自密实混凝土影响更大，也更敏感。因此，自密实混凝土用原材料质量应保持稳定，波动不可过大，否则不利于现场混凝土质量的控制。对于粗细骨料，可考虑一次集中采购或生产，确保品质稳定性。选料时，对潜在厂家开展供应商评审，可获得产品质量技术等相关信息，为选料提供依据。

（2）符合性。对所选材料，应开展材料试验以验证各项指标是否满足标准和图纸设计要求。

（3）就近原则。一般，原材料的选择遵循就近原则，过远的距离会导致运输成本的增加，经济性差。特别是砂、石骨料，应坚持就近原则。

（4）经济性。原材料的选择要兼顾经济性。材料的各项指标不仅要满足设计和规范要求，其价格也要经济合理。

（5）材料适应性。选择水泥和外加剂时，应开展外加剂和水泥的适应性试验，确保各种材料间具有良好的相容性。混凝土中添加多种外加剂宜选取同一厂家，可有效避免相容性不良的现象。

总之，自密实混凝土原材料控制与选择应综合考虑，满足标准和设计要求是前提，良好的质量管理是质量稳定的保证，材料的相容性是基础；统筹兼顾经济性和就近原则，方能选出性能优异、经济合理的材料。

3 水泥

水泥是配制性能良好的自密实混凝土的关键。同时，水泥也影响外加剂的适应性。选择品质优异、适应性良好的水泥是材料选择的首要任务。

一般，掺加矿物掺合料的自密实混凝土，宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。硅酸盐水泥熟料中矿物掺合料用量低（≤5%），水化热高，凝结时间短，价格高昂；普通硅酸盐水泥熟料中掺合料用量为5%～20%，可有效降低水化热；凝结时间延长，价格相对较低。

自密实混凝土胶凝材料用量较大，一般高于450kg/m3，核电站结构涉及大体积混凝土施工，应考虑混凝土绝热温升对结构稳定性的影响。硅酸盐水泥水化热高，不利于混凝土温升控制，易产生温度裂缝。因此，普通硅酸盐水泥更适合大体积混凝土施工。

除常规指标满足标准要求外，核电工程对影响混凝土耐久性和质量稳定性的指标严加控制。其中3d 水化热≤240kJ/kg,7d水化热≤290kJ/kg；水泥碱含量（以Na2O+0.658K2O 计）≤0.6%，铝酸三钙含量≤7.0%，氯离子含量≤0.05%。

水泥的矿物组成影响其与减水剂的适应性。一般铝酸三钙低和标准稠度用水量低的水泥更适合配制自密实混凝土。在进行水泥选择时，应在上述两个指标上再进行优选。

4 矿物掺合料

矿物掺合料可有效改善混凝土的各项性能。自密实混凝土胶凝材料用量大，单用水泥的混凝土早期水化热高，自生收缩大，易导致混凝土产生温度裂缝和收缩裂缝。混凝土中掺加优质的活性矿物掺合料可有效降低水化热，减少自生收缩。另外，品种适宜的优质活性矿物掺合料可以和水泥颗粒形成良好的级配，有效降低混凝土用水量，改善拌合物的工作性能。

对于非高强的自密实混凝土，采用粉煤灰和矿渣粉复掺体系是配合比设计的常用做法。按照掺合料特性复合掺加，改善工作性能，提高强度和耐久性能。两种掺合料之间性能叠加，优势互补、相互作用，可获得性能优异的自密实混凝土。粉煤灰和矿渣粉在胶材体系中的掺量可通过相关试验确定。

（1）粉煤灰。用于自密实混凝土的粉煤灰宜采用Ⅰ级F类；C类高钙粉煤灰由于可能存在体积安定性问题，不宜采用。市面上Ⅰ级粉煤灰的产量较低，采购困难和连续供应是应考虑的因素。粉煤灰的价格约为普通硅酸盐水泥的1/3～1/2，粉煤灰的掺加可有效降低自密实混凝土的单方价格。

除常规指标外，对粉煤灰的碱含量、放射性应有严格限制。其中，碱含量（以Na2O+0.658K2O计）≤2.0%；放射性应满足《建筑材料放射性核素限量》（GB6566）中建筑主体材料规定的指标要求。

（2）矿渣粉。矿渣粉是重要的活性掺合料，其品质的优劣影响混凝土的各项性能。S95 级矿渣粉是市场的主流，性能优良，经济合理。其中，比表面积应≥400cm2/kg，以确保活性。

5 砂、石骨料

骨料是影响自密实混凝土工作性能的关键性因素。相较于普通混凝土，自密实混凝土对砂、石骨料的品质要求更高，对骨料的含泥量、泥块含量、石子粒径、针片状颗粒含量等应做严格的限定。骨料中的含泥量、泥块含量是影响混凝土性能的重要因素。过高的含泥量、泥块含量会导致混凝土用水量增大，也会使减水剂的效能降低。

（1）砂子。建筑用砂按照产源分为天然砂和人工砂两种，以使用天然河砂居多。为保证混凝土拌合物的高流动性，自密实混凝土砂浆含量高，一般砂率在50%上下。

砂子的粗细会对自密实混凝土的性能产生影响。过细的砂子会导致混凝土强度和弹性模量等力学性能受到不利影响；细砂的比表面积大，会导致用水量增加，影响混凝土的工作性能。如果采用粗砂，则导致混凝土粘聚性降低，极易产生离析。因此，应选用中砂作为原材料，为了进一步降低混凝土需水量，保证流动性，可选用偏粗的2区中砂，细度模数为2.6～3.0。

（2）石子。石子是影响自密实混凝土工作性能的首要因素，所选石子粒形应为圆形或方形，粒形饱满。石子分为卵石和碎石两类。符合要求的天然卵石难以满足核电混凝土大方量需求，因此，选用经机械破碎、筛选的碎石比较可靠。

自密实混凝土用石子的粒径不大于20mm。较大粒径的石子有利于改善硬化后自密实混凝土的弹性模量、收缩、徐变等性能，因此，在满足结构设计和混凝土性能的前提下，尽可能选用粒径大的石子。

石子中的针片状颗粒含量直接影响混凝土流动性能和间隙通过性能。它会导致孔隙率增大，相同工作性能要求下的砂浆量需求增加。影响混凝土的密实性，不利于力学性能的提高和长期耐久性能。自密实混凝土用石子的针片状颗粒含量≤8%。

6 外加剂

外加剂已成为混凝土中不可或缺的组分，它可显著改善混凝土的性能。对于自密实混凝土来讲，为了实现大流动性、高粘聚性和优良的填充性，必须掺加减水率高、保水性好的高效减水剂。同时，在配制自密实混凝土时应加入引气剂。性能良好的、分散均匀的引气剂在混凝土内部可形成封闭的微观气泡，不仅带来工作性能的改善，还可提高混凝土抗冻性能和抗渗性能。引气剂还可以明显改善混凝土的收缩性能，在一定程度上弥补自密实混凝土收缩较大的缺陷。但引气剂也会导致混凝土强度的降低，对含气量必须加以控制，含气量为：5.0±1.5%。

国内聚羧酸系高性能减水剂发展迅速，其特点是掺量低、减水率高，强度增长快、坍损小，拌合物黏滞阻力小，利于混凝土各项性能。配制自密实混凝土宜优先选择聚羧酸系高性能减水剂。