核电站筏基大体积混凝土裂缝控制技术研究

吴泽坤，胡琦，李永鹏，罗旭磊，刘胜利

（中国建筑第二工程局有限公司核电建设分公司，广东 深圳 518034）

电力是国民经济发展的重要支柱，在经济发展中起到举足轻重的作用。当前，我国核电站总发电量占比相对偏低，与发达国家存在一定的差距。近年来，在国家的积极倡导和支持下，我国核电站建设日益受到重视，并自主研发第三代核电站技术，在吸收国外核电站建设经验的基础上，我国开始建设第三代核电站自主化和国产化示范工程，浙江三澳核电站是自主研发的核电站工程，承担着我国第三代核电站自主化、批量化建设的重要责任。在核电站工程中，筏基大体积混凝土浇筑质量直接关系到核电站安全，而大体积混凝土施工受水化热反应影响，混凝土内外形成较大的温度梯度，引起大体积混凝土裂缝问题，对核电站安全运行造成不利影响。因此，加强三澳核电站筏基大体积混凝土裂缝控制具有重要意义。

1 工程概况

三澳核电站位于浙江省温州市，距温州市区约90km。根据规划设计，核电站规划设计建设6台百万千瓦压水堆核电机组，分期建设，一期建设2台机组。该工程中汽轮机厂房（BMX）由汽轮机房和辅助间组成，纵向柱距11各，高度52m，总长度108.6m，厂房横向分为A、B、C三列。其中：A～B跨度52m，B～C辅助间跨度15m。汽轮机厂房采用筏板基础+挡土墙结构形式，基础持力层为中等风化岩层或微风化基岩，筏板基础深度-10.70m，超挖部分采用C15素混凝土回填至基底标高，厂房横向、纵向均不设置伸缩缝。筏基直径为39.5m，厚度5.5m，中心凸台厚度6.1m，分为3层，其中：A层厚度1.2m，B层厚度1.8m，C层厚度0.8m。混凝土浇筑量为4500m。筏基底部-10.05m处铺设防水层卷材，防水层削弱了基岩对筏基的摩擦力，改善了接触面自由滑动能力，可降低筏基大体积混凝土外部约束，有利于控制混凝土裂缝，适用于整体浇筑施工。而分层浇筑施工则可能增加混凝土开裂风险，故该工程采用整体浇筑施工技术方案。

2 大体积混凝土裂缝形成机理及影响因素研究

2.1 大体积混凝土裂缝形成机理

大体积混凝土裂缝是多方面因素共同作用的结果，但其本质是混凝土有害位移变形超过混凝土约束。大体积混凝土约束可分为混凝土颗粒之间的内部约束、混凝土与外部接触物体的外部约束。结合大体积混凝土变形应力形成机理，大体积混凝土裂缝形成原因主要包括混凝土体积稳定性、收缩、徐变、温度等因素。

2.2 大体积混凝土裂缝影响因素

2.2.1 体积稳定性

混凝土体积稳定性是指混凝土抵抗非外界荷载作用的变形能力，包括混凝土硬化过程中物理作用与化学作用。体积稳定性差的混凝土在受到非外界荷载作用时易发生变形和体积变化，造成大体积混凝土出现裂缝。

2.2.2 混凝土收缩变形

收缩变形是混凝土施工中不可避免的过程，在无外界荷载作用下，混凝土因失水干燥而体积收缩，当混凝土强度无法抵抗收缩应力时，则易出现变形裂缝。根据混凝土收缩变形形成机理，混凝土收缩变形原因主要包括干燥收缩、自由收缩、塑性收缩、碳化收缩和沉降收缩，主要受混凝土材料质量和配合比影响。

2.2.3 混凝土徐变

混凝土徐变即在结构恒载作用下内部颗粒趋于紧密滑动而形成的变形，随结构荷载趋于稳定，混凝土因结构荷载变形产生的约束应力削弱，即应力松弛现象。由于结构荷载的存在，混凝土徐变问题不可避免。

2.2.4 混凝土温度变形

温度变形是造成大体积混凝土裂缝最为主要的影响因素，其形成原因主要是大体积混凝土水化热效应产生大量热量并在混凝土内部集聚，形成较高的内外温差。混凝土浇筑初期，混凝土处于可塑状态，强度尚未完全形成，对温度的变形约束较小。随混凝土龄期增加，混凝土强度和内部约束增强，内外温差产生的温度应力增加，当温度应力超过相应龄期混凝土抗拉强度约束时，即产生温度裂缝。除水化热效应外，外界温度对大体积混凝土表面温度的影响不容忽视，外界温度变化改变混凝土内外温度梯度，从而形成表面裂缝，如温度控制不当，表面裂缝向混凝土内部发展形成贯穿性裂缝。

2.2.5 混凝土DEF变形

DEF变形是指混凝土温度≥70℃时产生的延迟钙矾石生成现象。膨胀性钙矾石产生变形应力进而造成混凝土开裂。

综合上述原因，核电站筏基大体积混凝土裂缝控制方面主要是提高混凝土结构抗拉强度、降低混凝土热膨胀系数、减少环境温度的影响和控制内外温差等，其关键在于大体积混凝土内外温差导致表面强度低于内部膨胀产生的拉应力，因此，核电站筏基大体积混凝土裂缝控制的关键在于混凝土内外温差控制。结合大体积混凝土施工技术工艺流程，应重点从混凝土原材料质量控制、配合比设计、养护管理等方面采取防控措施。

3 核电站筏基大体积混凝土裂缝控制措施研究

3.1 原材料质量控制

为确保三澳核电站筏基大体积混凝土质量，该工程重点加强进场原料质量控制。

①水泥选用P·Ⅱ42.5核电站专用水泥，3d平均水化热为224kJ/kg。7d平均水化热250kg/kg，28d抗压强度59.4MPa。水泥Cl含量由化验室测定，以Cl含量＜0.05%为合格。水泥的入罐温度＜60℃，拌合前15d储存完毕，经自然冷却至50℃以下。

②粉煤灰选用I级粉煤灰，通过化验室取样测定粉煤灰物理性能和化学成分，提前进料并冷却至环境温度。

③骨料选用不含白云石、不具有碱碳酸盐活性的碎石和中砂。粗骨料选用5mm～31.5mm连续级配碎石，表观密度2640kg/m，松散堆积密度1370kg/m，紧密堆积密度1500kg/m，针片状颗粒含量7.3%，压碎值 17.3%，软弱颗粒含量＜2%。细骨料选用机制砂，表观密度2620kg/m，松散堆积密度1440kg/m，紧密堆积密度1570kg/m，细度模数2.6，含泥量 ＜2.0%。

④外加剂选用不含Cl的PCA(I)聚羧酸系高性能减水剂，其减水率为26.7%，可有效减少混凝土需水量，降低水化热反应。

⑤拌和水选用冷水机组生产的1℃～3℃的冷水，以降低混凝土出模温度。

3.2 混凝土配合比设计

根据核电站混凝土强度要求和龄期控制要求，计算本工程混凝土配合比，制作150mm标准试件，经有效性研究、灵敏度研究和信息试验，确定核电站筏基大体积混凝土配合比，如上表所示。

核电站筏基大体积混凝土配合比

经模拟试验，配合比混凝土最高温度出现在浇筑后62h，混凝土中心最高温度为72℃，环境温度为25℃，则混凝土内外温差为47℃，符合本工程大体积混凝土温差控制和DEF变形控制要求（≤75℃）。

3.3 混凝土拌和

为确保该工程大体积混凝土连续供应，防止大体积混凝土供应中断，该工程委托3家商品混凝土搅拌桩拌和生产混凝土，混凝土原料提前进场，并加强现场管理。混凝土拌和生产时，严格按工程设计配合比投料，各原料经计量后投料入模。拌和前2罐加强质量检验，经质量检验合格按3罐1次检验。拌和过程中，严格控制各原料入模温度，使用冷水拌和，合理控制混凝土出料温度。

3.4 混凝土运输

为确保混凝土运输的连续性，该工程配置28台罐车，施工现场配置8台布料机和8台坐地泵，每台泵配置3台运输车，备用4台罐车，可满足该工程混凝土运输量要求。为防止混凝土运输过程中混凝土温度升高，罐车外部包裹保温材料，洒水降温，加强运输路线优化，降低环境温度对泵送温度的影响。

3.5 混凝土浇筑施工

该工程采用整浇施工方案，浇筑量大，结构较为复杂。为满足整体浇筑质量要求，8台布料机沿凸台对称布置，将筏基基础分为8个布料区。布料时，按斜向推移法施工，混凝土浇筑面坡度为1:5。各布料时间点控制5min，布料厚度≤40cm，最顶层布料厚度≤20cm。浇筑施工时，混凝土布料自一端开始，自由倾落高度≤1.5m，沿短边方向来回推进，相邻布料区接缝时间小于混凝土初凝时间。混凝土振捣时，由于该工程分层厚度较大，采用Φ60mm高频振捣棒振捣施工。振捣施工时，每点振捣时间20s，以混凝土表面无显著下沉、出现气泡和表面稳定返浆为宜。

3.6 混凝土养护管理

该工程中，筏基大体积混凝土养护自浇筑完成后9h开始，表面覆盖薄膜和保温材料。定期洒水，保持混凝土表面湿润。混凝土养护期28d。根据核电站筏基整浇养护管理经验和该工程夏季高温施工的实际情况，为降低外界温度对混凝土表面温度的影响，该工程在混凝土浇筑完成后搭设保温防雨棚，防雨棚表面覆盖帆布，根据混凝土温度监测数据，通过遮阳和开启碘钨灯加温等措施降低混凝土内外温差。

为及时掌握筏基大体积混凝土温度变化情况，本工程浇筑前预埋测温管，测温管与钢筋网片焊接固定，测温管内置电阻温度计并封堵两端端口（如下图所示）。混凝土养护期间，120h内每h测温1次，240h内每2h测温1次，其余时间每4h测温1次。根据测温数据，当混凝土内外温差≥25℃时，采取多项养护管理措施：①覆盖防雨棚帆布，降低内外温差；②如温差持续扩大时，在原保温层基础上增加1层塑料薄膜和麻袋片，提高保温效果；③如仍不能控制温差时，打开防雨棚内碘钨灯，提高棚内温度，降低混凝土内外温差。

测温点布设示意图

4 结语

该工程经工程项目验收，汽轮机厂房筏基基础一次通过验收，混凝土28d龄期强度为45MPa。符合工程设计要求，混凝土无表面裂缝，最高中心温度59℃，未发生DEF劣化现象，工程质量良好，达到该工程混凝土裂缝控制目标。