干保护防辐射蛇纹石混凝土施工技术

2022-07-18朱荣军吴光玉薛智瑶

建筑施工 2022年3期

朱荣军吴光玉薛智瑶

上海建工七建集团有限公司上海 200050

核电堆辐射屏蔽一般主要考虑γ射线和中子辐射。γ射线的电离能力弱、穿透力强，其屏蔽材料为密度较大的物质，如铅、钨、铁及其合金等。中子质量与质子很接近，不带电，只与原子核相互作用，所以富含氢、硼、锂等轻元素材料是理想的中子屏蔽材料。富含氢的有机材料有石蜡、聚乙烯和聚丙烯，富含氢的天然矿石包括矾土矿、蛇纹矿、针铁矿和褐铁矿，富含硼的天然矿包括硼酸方解石、硬硼酸钙、硼镁铁矿石和硼镁石，富含硼的人造集料包括硼铁、碳化硼和硼玻璃[1]。γ射线和中子辐射综合屏蔽材料为既含有轻元素（氢、硼、锂等）又含有重元素（铅、钨、铁等）的物质，如屏蔽混凝土、聚合物基复合屏蔽材料、金属基复合屏蔽材料、玻璃基复合屏蔽材料和陶瓷基复合屏蔽材料[2]。蛇纹石是一种含结合水的富镁硅酸盐矿物的总称，具有容重大、结合水含量高（理论含量13.1%）的特点。结晶水在高温下热稳定性十分优异，是目前防中子辐射屏蔽混凝土骨料的较佳选择[3]。

1 研究背景

1.1 核堆舱屏蔽结构

在核电下堆舱安全容器和厚1 200 mm普通钢筋混凝土屏蔽结构之间（标高－14.40～－8.69 m），再现浇一定厚度的蛇纹石混凝土层，作为中子辐射屏蔽层和隔热层。蛇纹石混凝土层底板厚400 mm，侧墙厚600 mm。普通混凝土与蛇纹石混凝土接触面做凿毛处理。运行过程中蛇纹石混凝土与普通混凝土交界面最高温度不得超过70 ℃，局部交界面处埋件及以外300 mm范围内，最高温度不得超过105 ℃（图1）。

图1 核堆舱屏蔽结构

蛇纹石混凝土的参数要求：强度等级不小于C20，密度≥2 100 kg/m3，氢含量（质量分数，下同）≥1.4%。

1.2 研究特点、难点

混凝土使用的蛇纹石粗细骨料由蛇纹矿经机械破碎而成，颗粒级配不良、片状和棱角较多、比表面积较大、骨料强度较低。配置要满足施工和易性要求和强度要求的蛇纹石混凝土难度较大。

根据核电堆屏蔽结构特点，先浇筑堆舱外侧厚1 200 mm钢筋混凝土，再浇筑内侧蛇纹石混凝土屏蔽层。蛇纹石混凝土筒墙顶部与先浇筑的普通钢筋混凝土悬挑端底面接触重合，且内侧面齐平，将造成蛇纹石混凝土墙模板支撑及浇筑困难。

辐射屏蔽结构裂缝控制要求比普通混凝土严格，需要特殊的技术措施加以保证。为保证蛇纹石混凝土层辐射屏蔽和隔热效果，该屏蔽层严禁出现钢筋贯穿情况，避免出现辐射热桥。

2 蛇纹石混凝土

2.1 蛇纹石骨料制备

蛇纹石矿原料一般含有较多的泥土和蛇纹石石棉（纤维状），需要经过多次洗选才能配制出满足要求的骨料。其流程为：洗选蛇纹矿—机械破碎—水洗—人工去除杂质—筛分粗细骨料—产品检测—装袋备用。

2.2 蛇纹石结晶水及其温度稳定性

采用XRF分析仪器对天宝和江苏龙腾两地来源备用的蛇纹石进行了成分分析。天宝蛇纹石主要成分含量为：SiO234.90%、MgO48.64%、H2O15.22%、Al2O30.12%、CaO0.17%；龙腾蛇纹石主要成分含量为：SiO241.26%、MgO40.73%、H2O12.50%、FeO4.74%、CaO0.06%等。

根据HG/T 3575—2006《蛇纹石矿石分析方法》对天宝和龙腾蛇纹石结晶水进行了热稳定性试验。将蛇纹石碾碎，过细筛，在105～110 ℃下将其烘干至恒重，去除其游离水，然后分别在300、460、600、700、950、1 200 ℃下进行灼烧至恒重，测定其质量，计算各阶段结晶水损失量（图2）。

图2 不同稳定下蛇纹石结晶水损失量

从图中可以看出，1 200 ℃时结晶水损失量与XRF测得的结晶水含水量相当；300 ℃以下结晶水损失量不超过1%，说明蛇纹石结晶水在300 ℃以下是稳定的；700 ℃时蛇纹石中结晶水已经基本损失殆尽，表明700 ℃以上时就不适宜考虑蛇纹石中结晶水氢对中子辐射的屏蔽作用。

2.3 蛇纹石安定性和亚甲蓝试验

为判断蛇纹石是否含有游离的MgO，在碱性条件下是否对硬化混凝土体积产生影响，因此进行安定性试验。将蛇纹石磨碎，过公称直径0.16 mm的筛后进行试验。参考国标GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中雷氏夹及试饼法的方法，将450 g水泥中的50 g用磨细蛇纹石替代进行试验。天宝和龙腾蛇纹石体积安定性检验结果均合格，表明蛇纹石中基本不含游离的MgO，蛇纹石虽富含Mg，但作为骨料对混凝土体积安定性没有不良影响。

亚甲蓝试验则是判断蛇纹石粉中的含泥量及石粉本身对外加剂的吸附能力，将蛇纹石碾碎至粉末状，过公称直径0.16 mm的筛后进行试验。天宝和龙腾蛇纹石亚甲蓝试验结果均合格，表明经洗选后的蛇纹石粗细骨料满足混凝土骨料含泥量要求。

2.4 蛇纹石混凝土配合比

蛇纹石混凝土配合比经过多组试配试验确定，每立方米混凝土理论用量：水200 kg、海螺P·O 42.5水泥390 kg、蛇纹石细骨料690 kg、蛇纹石（粒径5～25 mm）1 060 kg、HY803高性能聚羧酸减水剂（缓凝型）5 kg。蛇纹石混凝土理论密度2 345 kg/m3，拌和物坍落度140 mm，保水性和黏聚性良好，28 d标准抗压强度36.3 MPa。

蛇纹石混凝土硬化后氢含量根据经验公式计算：（0.25X＋HY）/｛9×［T－（Z－0.25X）］｝，其中：X为水泥用量，H为蛇纹石骨料结晶水含量，Y为蛇纹石骨料使用总量，Z为用水量，T为总混凝土质量。计算得氢含量为1.45%，满足屏蔽设计要求。

3 屏蔽蛇纹石混凝土施工

3.1 施工流程

首先施工厚1 200 mm普通钢筋混凝土屏蔽结构，待其强度满足下道工序要求后，再进行蛇纹石混凝土屏蔽层结构施工。蛇纹石混凝土屏蔽层先浇筑底板，再浇筑侧墙筒结构。

3.2 模板支撑系统

蛇纹石混凝土墙筒外侧利用已经施工的普通混凝土代替模板；内侧模板采用单层厚18 mm定加工的专用圆形高档胶合模板，次楞方木采用40 mm×90 mm规格，间距200 mm，主楞采用φ28 mm@900 mm钢筋双拼，对拉螺栓采用φ16 mm螺栓并与先浇筑结构对拉螺杆搭接焊接；墙筒内搭设盘扣式排架体系作为水平支撑和施工脚手架，根据圆筒轨迹搭设成环形，钢管架体横杆分别顶牢筒体内侧主楞。筒墙圆模顶部内侧设置倒八字簸箕开口作为浇筑口，方便混凝浇筑和振捣棒振捣。在筒模板中间部分，沿径向均匀设置8个300 mm×500 mm的观察孔，便于观察蛇纹石混凝土浇筑振捣的质量。

为避免模板对拉螺杆贯穿蛇纹石混凝土屏蔽层，保证蛇纹石混凝土层屏蔽功能，对拉螺栓内侧端部预埋60 mm×60 mm×60 mm挤塑板方块，中心打φ16 mm圆孔，穿进限位螺栓定位。拆模后，清除挤塑板方块，在最里侧割除对拉螺杆，凹槽内采用同配比蛇纹石砂浆进行填补修平（图3）。

图3 对拉螺杆内侧端部节点处理

3.3 蛇纹石混凝土浇筑与养护

3.3.1 蛇纹石混凝土浇筑

蛇纹石混凝土屏蔽层分底板和墙筒这2部分进行浇筑，在底板和墙体交界处设置Z字形施工缝。待底板混凝土浇筑养护7 d后，再进行筒墙模搭设施工。

蛇纹石混凝土浇筑采用软管接长的形式，控制泵管浇筑高度≤1 m，保证浇筑质量；根据堆舱结构形式，蛇纹石混凝土应分层浇筑，布料方式按照顺时针进行，每层浇筑厚度200 mm，采用振捣棒振捣，振捣时间为20～30 s，振捣点间距在400 mm左右，杜绝过分振捣，以免混凝土离析。在浇筑上一层混凝土时，振捣棒需伸入下层混凝土至少50 mm，确保混凝土振捣密实；加强贯穿件大套管周边及边角的振捣，保证密实性。

3.3.2 养护

蛇纹石混凝土底板浇筑完成后，表面抹平压光，终凝前表面覆盖塑料薄膜＋保湿材料养护。侧墙蛇纹石混凝土应带模进行养护，后期拆模后立即采用1层塑料薄膜外挂麻袋包裹养护。拆模及包裹塑料薄膜应分段进行，拆一段即用塑料薄膜包裹一段。每昼夜洒水养护2～3次，养护时间7～14 d。冬季施工时，需采取保温围挡或电热毯等加热措施，确保养护温度不小于15 ℃。

4 屏蔽蛇纹石混凝土抗裂技术措施

混凝土结构裂缝一般分为荷载裂缝和变形裂缝。防辐射屏蔽混凝土墙一般长度和厚度均较大，承受的外荷载较小，不易产生荷载裂缝。混凝土在浇筑后，由于水泥的水化作用，释放大量的水化热，构件表面与内部温差过大就可能引起内部裂缝；若新浇筑构件表面温度和周围空气温差过大，就会引起表面裂缝。屏蔽蛇纹石混凝土结构抗裂技术措施也要从控制温缩变形裂缝和主动控制构造措施着手。

4.1 低收缩混凝土配合比设计

采用水化热较低的水泥，在保证混凝土强度的前提下，掺加粉煤灰、硅灰及矿粉等掺合料，进而降低单位水泥用量；在满足混凝土施工要求的条件下，进一步降低单位用水量，以减少混凝土中游离水的量；掺聚羧酸类减水剂不仅能起到减水增强的效果，而且对降低混凝土的收缩也是有利的；在保证混凝土和易性，有利于泵送的前提下，适当降低砂率（43%左右），遵循总骨料体积含量最大的原则进行混凝土配合比的进一步优化。

4.2 加强浇筑与养护施工保证措施

根据结构形式，合理设置施工缝，进行分段、分块浇筑施工。底板浇筑采用斜面分段、分层踏步式浇筑方法，让混凝土自然流淌，合理控制分层厚度，分层浇筑使新混凝土沿斜坡流下一次到顶。加强混凝土供应，保证每一分段区域内混凝土连续浇筑。合理选择振捣设备，合理安排振捣工艺流程和强度，做到振捣密实不离析。终凝前及时采取养护措施，如表面覆盖塑料薄膜＋保湿保温材料、定时洒水养护、保证养护时间等。采用混凝土温度测量控制技术措施，确保混凝土内外温差，确保降温速率V≤1.5 ℃/d。内外温差应控制在20 ℃范围之内，及时调整保温及养护措施，以达到控制有害裂缝的出现和发展的目的。