核电混凝土氯离子渗透性能影响试验研究

王星

摘要： 为确保核电混凝土抗氯离子渗透能力满足核电建设需求，通过对核电混凝常用掺合料的作用机理、掺合料的种类进行分析，研究采用掺合料“单掺、双掺”技术，通过测定分析氯离子扩散系数和电通量的规律，分析影响因素，制定提高混凝土抗氯离子渗透能力的控制措施，并运用到新建的核电建设中。

关键词：矿物掺合料;氯离子渗透;研究

1. 引言

随着社会经济发展，能源危机形势日益凸显，全球能源日益缺乏，核电作为一种经济、清洁、安全的能源生产方式，得到长足的发展。核电以其高能量密度、低污染排放的优质属性，成为我国现代能源体系的重要组成部分。

核电的高质量发展对核电建造提出更高的要求，混凝土是核电建设的重要材料之一，耐久性是核电混凝土设计评判的重要指标。我国的核电主要分布在沿海地区，对混凝土而言，氯离子有很强的腐蚀作用，是影响其耐久性的重要因素，经过各方位的渗透和扩散，对混凝土造成严重的侵蚀，破坏混凝土结构，并引起钢筋锐化锈蚀，降低了构筑物的使用寿命。随着核电站设计使用年限的提高和延寿的要求，对地下及海水接触的结构混凝土抗氯离子渗透能力提出了更高的要求。通常情况下，采用56天龄甚至84天龄期混凝土氯离子扩散系数判定混凝土的抗氯离子渗透能力，某核电混凝土技术规格书中要求底板混凝土28天氯离子扩散系数不大于7×10-12m2/s，混凝土早期抗氯离子渗透能力成为核电混凝土重要的技术指标之一。

2.原材料技术要求

2.1水泥

水泥采用核电P·N42.5水泥和普通的P·O42.5水泥。核电P·N42.5水泥指标见表1和表2，P·O42.5水泥技术指标满足GB175要求，其中混合材为12%的石灰石和粉煤灰。

2.2粉煤灰

本文研究的粉煤灰由淮南地区电厂提供，使用的是Ⅰ级粉煤灰，主要性能如下表所示。

2.3矿粉

矿粉采用S95级矿粉，活性指数试验采用采用核电P·N 42.5水泥，其化学成分、物理性能见表4。

2.4骨料

砂选用闽江产二区天然中砂，含泥量為0.5%，泥块含量为0%，细度模数为2.8

2.5外加剂

外加剂使用聚羧酸高性能减水剂，含固量26%，减水率29%;

3.试验

3.1试验要求

严格根据相关设计标准对混凝土配比合进行设计，水胶比控制在0.30～0.42，保证掺合料的比例小于20%，进而满足核电混凝土的设计需求;

试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082），以下简称标准，按照相关规定进行氯离子扩散系数、电通量试验。

3.2试验配合比

根据核电混凝土抗氯离子渗透能力要求，本次试验选用了0.30～0.42水胶比的混凝土配合比，掺合料用量控制在20%，分别采用核电P·N42.5和P·O42.5，采用粉煤灰单掺、S95矿粉与粉煤灰双掺配制混凝土，测定混凝土氯离子扩散系数和电通量。

混凝土设计坍落度值为（160±30）mm，试验配合比见表5。

3.3试验方法

标准中给出了相应的实验方法，来对混凝土抗氯离子渗透能力进行判断，包括电通量法与RCM法。后者可以定量对混凝土进行定量的评价，包括其抵抗氯离子渗透、扩散的能力，电通量法是当前比较通行的检测方法。

4.试验结果及分析

4.1 RCM法测定结果

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082）试验步骤，测定混凝土28d、56d、84d的氯离子扩散系数，测定结果如表6所示，并根据表6绘制图3～图6。

4.1.1粉煤灰单掺

由表6中SP01-SP05可知：

采用Ⅰ级粉煤灰取代水泥，单掺20%的粉煤灰，分别采用P·N42.5水泥与P·O42.5水泥拌制混凝土，测定其氯离子迁移系数，变化规律如下：

1）混凝土强度与水胶比成正比，水胶比越小，强度越高，这表明当其结构愈加密实时，水胶比越低，则混凝土的氯离子迁移系数越低。

2）在水胶比一致的前提下，通过采用普通水泥优于采用核电水泥拌制的混凝土。

4.1.2粉煤灰、矿粉双掺

由表6中SP01-1～SP05-1可知：

采用矿粉取代水泥，与粉煤灰双掺，在配合比中分别掺加10%粉煤灰和10%矿粉时，并采用采用P·N42.5水泥与P·O42.5水泥分别拌制混凝土，对其氯离子迁移系数进行测定和分析，得出结论如下：

1）在其余条件相同的情况下，采用普通水泥比PN水泥拌制的混凝土性能更好，其氯离子迁移系数越低。

2）当水胶比逐渐减小时，氯离子迁移系数会慢慢减小，同时混凝土龄期越大，则该系数也更小。

4.3 C45P10混凝土试验

对强度级别C45P10混凝土的抗压强度、氯离子扩散系数已经电通量进行综合试验研究，采用相同的配合比，分别采用P·O2.5水泥和P·N42.5水泥拌制，性能如下：

单掺粉煤灰和粉煤灰矿粉双掺在混凝土28天抗压强度上没有明显的差异，但在龄期达到60天时，双掺效果明显优于单掺。

在核电混凝土的要求中，以28天龄期为界限，对其氯离子扩散系数进行确定，并使用粉煤灰矿粉双掺核电水泥，或者粉煤灰单掺普通水泥，两种操作都可实现控制要求。

4.4实践应用

某核电在C40混凝土设计要求28天了氯离子扩散系数为不大于7×10-12m2/s，混凝土采用P·N42.5水泥，5-25mm连续级配碎石，Ⅱ区河砂，系数模数为2.7，采用Ⅰ级粉煤灰。

根据JGJ55及技术規格书的要求完成混凝土配合比的设计，实测抗压强度、坍落度满足要求后送上海建科院开展混凝土全性能试验，结果如表8所示：

实测28天氯离子扩散系数不符合设计文件要求。该项目技术负责人发现后立即组织重新开展混凝土配合比的设计，保持水胶比不变，将原配合比中的粉煤灰采用50%矿粉替代见表9：

通过表8可知：通过在配合比中添加一部分的矿粉，通过双掺的处理，能够控制氯离子扩散系数，将其维持在较低水平，其抗氯离子渗透性能得到有效提高。

4.5粉煤灰、矿粉的影响

通过上述试验数据可以看出，当采用单掺20%粉煤灰时，水胶比为0.42、0.39、0.36、0.33以及0.30的混凝土，在氯离子扩散系数上，采用PO水泥拌制的混凝土比采用PN水泥拌制的混凝土结果更为理想，前者比后者分别降低了35%、24%、31%、24%和39%。掺入矿粉实现双掺后，氯离子扩散系数分别降低了47%、46%、49%、44%和33%。这表明，在相同条件下，普通硅酸盐水泥比核电工程用硅酸盐水泥更有利于混凝土抗氯离子渗透能力的提高，尤其是在早龄期时，效果更加明显;其次，矿物掺合料的加入，进而提升混凝土的抗氯离子渗透能力。具体分析后，得出主要原因如下：（1）矿粉与粉煤灰进入水泥后，将其颗粒间隙进行填充，提高其密实度，减少其中的孔隙率;（2）粉煤灰和矿粉作为火山灰质材料，其火山灰效应可以减少结构中较为粗大的结晶体，水化形成C-S-H凝胶可以有效的堵塞内部扩散通道;（3）普通水泥中本身具有一定量的掺合料，根据现行国家标准GB175，普通水泥中允许掺入大于5%且不大于20%的混合材，目前市场普通水泥的混合材掺量为12%～15%，GB/T31545核电工程用硅酸盐水泥中要求核电水泥不得掺入混合材，在拌制混凝土时，采用普通水泥的配合比实际掺合料远大于采用核电水泥拌制的混凝土，这也就影响了混凝土抗氯离子渗透性能。其次是核电水泥水化热低，早期强度较低，不利于混凝土在早期形成较强的密实性和抗氯离子渗透能力。

5.结论

（1）在水胶比为0.30～0.42时，水胶比在减小之后，混凝土将获得更高的强度，基体致密性得到加强，其抗氯离子渗透性能随着水胶比的降低而不断增强。

（2）采用一定比例优质的矿粉取代水泥，达到矿粉和粉煤灰双掺的作用，进而提升其抗氯离子渗透性能，但是需要试验确定添加的比例和总体掺量，经试验，建议与粉煤灰双掺使用时，矿粉的掺量不宜大于20%。

（3）相对于普通水泥，核电水泥水化热较低，早期强度较低，不利于混凝土在早期实现较高的抗氯离子渗透能力，为实现早期混凝土较高的抗氯离子渗透能力，可以选用双掺优质的粉煤灰和矿粉。

参考文献：

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[2]罗睿， 蔡跃波， 王昌义， 黄晓明.磨细矿渣抗氯离子侵蚀性能的机理研究[J] .土木工程学报， 2002.

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[4]GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》.