石灰石粉混凝土在核電聯(lián)合泵房工程中的應(yīng)用

吳留恩，趙 迪

(1. 中國能源建設(shè)集團江蘇省電力建設(shè)第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 中國核電工程有限公司，北京 100191)

0 引言

為了降低水化熱溫升幅度和改善混凝土性能，在大體積混凝土內(nèi)添加適量的礦物摻合料是必要的。在混凝土的礦物摻合料中，粉煤灰、硅粉比較常用，而石灰石粉應(yīng)用較少。

石灰石粉原材料分布廣，開采能耗低，價格相對便宜，因此，在一些國家、地區(qū)或領(lǐng)域，石灰石粉混凝土應(yīng)用呈擴展之勢，前景或不容低估。本文基于海水環(huán)境、高速流水環(huán)境和核安全有關(guān)的構(gòu)筑物及其混凝土設(shè)計情況，分析石灰石粉應(yīng)用問題及對策，并首次將石灰石粉混凝土拓展應(yīng)用于核電聯(lián)合泵房地下結(jié)構(gòu)工程施工。

1 聯(lián)合泵房工作環(huán)境

1.1 工程基本概況

海外某核電站采用“華龍一號”技術(shù)，建設(shè)2 臺百萬千瓦級壓水堆核電機組，其聯(lián)合泵房安裝4 臺循環(huán)水蝸殼泵和8 臺重要廠用水立式泵，設(shè)計使用年限為60 a，輸送介質(zhì)為海水，供水用途中包括核島重要廠用水，屬于核安全有關(guān)的物項。

聯(lián)合泵房長130.26 m，寬66.85 m，地下部分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，深28.65 m；地上部分為鋼結(jié)構(gòu)，高19.70 m。聯(lián)合泵房整體由2 個相同的獨立單元(2PS、3PS)組成，每個單元順水流方向分別為前池、鼓網(wǎng)區(qū)和泵區(qū)；每個單元的泵區(qū)沿縱向分為3 個實體間隔，中間布置2 臺循環(huán)水蝸殼泵，兩端各布置2 臺重要廠用水立式泵。泵房筏板基礎(chǔ)尺寸為118.86 m×66.85 m，基礎(chǔ)最小厚度2.4 m，墻板最小厚度1.2 m，地下結(jié)構(gòu)均屬大體積混凝土，混凝土總量約10 萬m3。

1.2 工程環(huán)境條件

根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，聯(lián)合泵房坐落在泥巖地基上，無地下水，地基礦物成份不會溶濾到環(huán)境中，可不考慮其腐蝕性；周圍土層含水率小于3%，按地層滲透性，對混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土具微—中等腐蝕性，土中無硫酸鹽侵蝕危害。

當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?5.3 ℃，最熱月平均溫度為31.3 ℃，極端最高氣溫為46 ℃，最低氣溫為1.5 ℃，不受凍融環(huán)境作用。廠址附近海水多年平均水溫為25.3 ℃，最低水溫為17.8 ℃，最高水溫35.0 ℃；海水多年平均鹽度3.67%，歷史最高鹽度3.80%，歷史最低鹽度3.40%；水溫25 ℃時的PH 值為5.35 ～8.05，平均含沙量0.178 kg/m3，最大含沙量0.262 kg/m3。聯(lián)合泵房池體和流道處于海水氯化物環(huán)境(水下、水位變動區(qū)、干濕交替區(qū))、化學(xué)腐蝕環(huán)境、含砂高速流水環(huán)境(進水流道和蝸殼流道)。

1.3 環(huán)境作用等級

基于聯(lián)合泵房結(jié)構(gòu)部位所處的工程環(huán)境條件，根據(jù)設(shè)計規(guī)范規(guī)定[1-2]，可以得到聯(lián)合泵房各部位混凝土環(huán)境作用等級，如表1 所示。

表1 聯(lián)合泵房混凝土環(huán)境作用等級一覽表

2 混凝土設(shè)計概況

2.1 混凝土的主要指標

聯(lián)合泵房是與核安全有關(guān)的重要結(jié)構(gòu)，其混凝土應(yīng)按規(guī)定[1,3]要求針對耐久性參數(shù)和指標進行定量設(shè)計與校核。

聯(lián)合泵房按照各部位混凝土參數(shù)及相應(yīng)環(huán)境作用等級，分別設(shè)計和校核混凝土的強度、抗?jié)B、抗裂和耐久性等指標，其設(shè)計指標如表2 所示，其中的堿含量、氯離子含量、膨脹率、收縮率、抗水滲透等級和氯離子擴散系數(shù)等六項指標，在配合比確定前應(yīng)通過試驗驗證。聯(lián)合泵房地下主體結(jié)構(gòu)混凝土，除了滿足蝸殼混凝土、抗?jié)B混凝土和大體積混凝土標準[4-6]外，還應(yīng)滿足補償收縮混凝土和纖維混凝土等標準規(guī)定[7-8]。

表2 聯(lián)合泵房混凝土設(shè)計指標匯總表

2.2 水泥熟料

水泥熟料從我國采購，通過當(dāng)?shù)貜S商統(tǒng)一供應(yīng)硅酸鹽水泥(代號P.Ⅰ)。硅酸鹽水泥強度等級為42.5 MPa，水泥細度(比表面積)≤350 m2/kg，堿含量＜0.6%，水泥3 d 水化熱≤240 kJ/kg，7 d 水化熱≤270 kJ/kg。水泥產(chǎn)品應(yīng)符合中國國家標準[9]的規(guī)定。水泥熟料礦物的組成及含量如表3 所示。

表3 水泥熟料礦物的組成及含量

2.3 礦物摻合料選擇

聯(lián)合泵房混凝土礦物摻合料選擇受到當(dāng)?shù)刭Y源限制，曾經(jīng)困擾現(xiàn)場較長時間，專家組經(jīng)過多次調(diào)研和反復(fù)試驗，最終確定采用石灰石粉。

在混凝土拌和物中，石灰石粉不僅作為惰性填充材料，減少水泥用量和水化熱總量，而且發(fā)揮減水效應(yīng)。石灰石粉產(chǎn)品應(yīng)符合標準[10-12]的規(guī)定，其主要技術(shù)指標及取樣驗證實測值如表4 所示。

表4 石灰石粉主要技術(shù)指標及取樣驗證實測值

在石灰石粉技術(shù)指標中，碳酸鈣含量、亞甲藍值(methylene blue，MB)和流動度比，是最重要的三項指標。CaCO3是石灰石粉的主要成分。亞甲藍值是反映石灰石粉的吸附性指標，通過測定石灰石粉消耗亞甲藍數(shù)量，可以判斷石灰石粉中泥粉含量水平，數(shù)值越小越好。流動度比是衡量石灰石粉應(yīng)用價值的指標，流動度比越大，表明減水效果越好，對混凝土和易性改善作用越明顯。

3 石灰石粉應(yīng)用問題及對策

3.1 石灰石粉礦物摻合料適用性問題及對策

粉煤灰作為混凝土的礦物摻合料，應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，但由于當(dāng)?shù)胤綀A1 000 km 范圍內(nèi)，無滿足要求的Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰和礦渣粉，因此，遇到了礦物摻合料的替代選擇問題。該工程核島、常規(guī)島均采用石灰石粉混凝土，且有同類參考工程，但并不是水工結(jié)構(gòu)，而且與聯(lián)合泵房的環(huán)境作用等級完全不同。

聯(lián)合泵房混凝土能否摻加石灰石粉的主要問題包括：碳硫硅鈣石問題、堿—碳酸鹽反應(yīng)問題、抗沖磨防空蝕問題等。

3.1.1 碳硫硅鈣石

石灰石粉計入膠凝材料，取代部分水泥后，對混凝土抗凍融和抗硫酸鹽侵蝕有一定影響。在潮濕、低溫(低于15 ℃)，且地基土壤存在硫酸鹽的環(huán)境中，需要防止CaCO3與水化硅酸鈣、硫酸鹽反應(yīng)，生成碳硫硅鈣石，引起混凝土微結(jié)構(gòu)解體。GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》附錄B.1.6 規(guī)定：溫度低于15 ℃的硫酸鹽環(huán)境中，水泥和礦物摻合料不得加入石灰石粉。

工程地質(zhì)勘察報告和補充試驗均表明，該工程廠址土體中無硫酸鹽侵蝕危害，海水歷年平均水溫為25.3 ℃，最低水溫為17.8 ℃，不會出現(xiàn)溫度低于15 ℃的硫酸鹽環(huán)境。

3.1.2 堿—碳酸鹽反應(yīng)

采用非堿活性骨料可以預(yù)防堿—骨料反應(yīng)，但是對于摻加石灰石粉后是否存在堿—碳酸鹽反應(yīng)而生成膨脹性產(chǎn)物這一問題，若補充鑒定試驗，至少需要一年時間。

參考水利水電工程經(jīng)驗和相關(guān)標準[1,12]，盡管堿—碳酸鹽反應(yīng)的概率微乎其微，遵循核電設(shè)計原則，仍然采取如下技術(shù)措施：①限制石灰石粉摻量＜18%；②控制混凝土的總堿含量≤3.0 kg/m3；③在混凝土中摻加微纖維；④控制水膠比不大于0.36 或0.40。

3.1.3 混凝土抗沖磨防空蝕

石灰石強度較低，作為惰性填充材料摻入混凝土中，對混凝土的抗沖磨和防空蝕性能有一定影響。

聯(lián)合泵房的進水流道和蝸殼流道處于高速流水環(huán)境，水流速度5 ～20 m/s，受到含沙海水的長期作用，根據(jù)電力行業(yè)標準規(guī)定[13]，采用混凝土強度等級為C55，高于C40，滿足抗懸移質(zhì)磨蝕強度等級要求。

進水流道工作時處于負壓狀態(tài)，彎曲段和頸口段容易發(fā)生空蝕。因此，彎曲段采用了漸變收縮設(shè)計，負壓隨著水流速度的增大而變小，并可能變?yōu)檎龎?，在各種工況水流速度(5 ～10 m/s)作用下，C55 混凝土抗空蝕強度能夠抵御空蝕的發(fā)生。頸口段采用了金屬環(huán)，空蝕強度比混凝土有大幅度提高，在各種工況水流作用下，發(fā)生空蝕的可能性極小。蝸殼流道工作時處于正壓狀態(tài)，在水溫≥25 ℃、水流速度≥16 m/s 時，有些特殊位置的空化數(shù)小于初生空化數(shù)，可能會發(fā)生空蝕?？瘴g會導(dǎo)致混凝土表面剝蝕、粗骨料裸露，甚至出現(xiàn)鋼筋裸露或孔洞，混凝土抗空蝕性能對結(jié)構(gòu)的耐久性有一定影響。

采用的主要對策有：①限制石灰石粉摻量＜18%；②在進水流道和蝸殼流道區(qū)域的混凝土中，添加硅粉(二氧化硅含量≥85%，氯離子含量≤0.1%，堿含量≤1.5%，比表面積≥15 m2/g，品質(zhì)應(yīng)符合標準規(guī)定)，摻量為膠凝材料的5%～10%；③在所有混凝土中，加入0.9 kg/m3聚丙烯纖維，纖維長度19 mm，纖度6 D，密度0.91 g/cm3，彈性模量＞3 900 MPa；抗拉強度≥450 MPa，拉伸極限15%，抗裂效能等級為一級，其品質(zhì)應(yīng)符合標準規(guī)定。

C55 石灰石粉混凝土對比試驗[14]表明0.9 kg/m3聚丙烯纖維與9.8%石灰石粉、硅粉復(fù)摻，混凝土的抗磨蝕強度提高99%，抗空蝕強度提高22%。

3.2 石灰石粉摻量問題

根據(jù)規(guī)定[1-3]：對環(huán)境作用等級為Ⅲ-C、Ⅲ-F級的結(jié)構(gòu)，可以采用大摻量礦物摻合料混凝土；當(dāng)采用硅酸鹽水泥，水膠比≤0.40 時，混凝土中石灰石粉的最大允許摻量為35%。

該工程地處炎熱地區(qū)，氣溫在30 ℃以上的天數(shù)居多，從大體積混凝土降低水化熱和經(jīng)濟性角度，在允許范圍內(nèi)，石灰石粉的摻量越大越好。但是，石灰石粉摻量過大，對結(jié)構(gòu)的一些長期性能和耐久性能會產(chǎn)生不利影響。

用取代法在雙摻或多摻情況下，石灰石粉在等量取代15%以上水泥時，會明顯降低混凝土拌和物的黏聚性，使混凝土拌和物更易離析、泌水，在添加長度19 mm 聚丙烯纖維的情況下，較難達到泵送所需的坍落度要求。

根據(jù)試驗，石灰石粉在混凝土中的摻量宜控制在10%～15%范圍內(nèi)，既滿足混凝土的力學(xué)性能、工作性能、降低水化熱、減小混凝土收縮等要求，又符合混凝土的長期性和耐久性要求。

石灰石粉會促進水泥早期水化放熱，對混凝土有一定的促凝作用，對大體積混凝土施工有影響，需添加緩凝劑，以調(diào)整混凝土的初凝時間。緩凝型高效減水劑主要技術(shù)指標及實測值如表5 所示。

表5 緩凝型高效減水劑主要技術(shù)指標及實測值

3.3 氯離子擴散系數(shù)偏大問題及對策

抗?jié)B等級僅反映混凝土抵抗水滲透的能力。氯離子擴散系數(shù)是表征氯離子在混凝土中從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移擴散速率的指標，適用于中高強度混凝土。根據(jù)聯(lián)合泵房設(shè)計使用年限和環(huán)境作用等級，設(shè)計要求混凝土28 d 齡期氯離子擴散系數(shù)≤4×10-12m2/s。

該工程混凝土抗?jié)B等級為P10，每次檢測均合格，但是混凝土28 d 齡期氯離子擴散系數(shù)DRCM 檢 測 結(jié) 果 為(4.8 ～4.9)×10-12m2/s，只能達到規(guī)范[1]規(guī)定的50 a 耐久性要求，即DRCM ≤5×10-12m2/s。

針對氯離子擴散系數(shù)偏大問題，主要對策包括在混凝土中添加鋼筋阻銹劑、選用合金化含鉻鋼筋和混凝土外露表面采用硅烷浸漬等，使結(jié)構(gòu)耐久年限達到65 a(即：50 a+15 a)，大于60 a。

3.3.1 混凝土中添加鋼筋阻銹劑

在水位變動區(qū)及以上結(jié)構(gòu)混凝土中，添加復(fù)合氨基醇類多功能活性阻銹劑，鋼筋阻銹劑的均質(zhì)性、控制偏差、材料性能及應(yīng)用應(yīng)符合標準規(guī)定。

3.3.2 選用合金化含鉻鋼筋

合金化含鉻鋼筋抗氧化性能好，抗海水腐蝕能力強。在保證鋼筋力學(xué)和工藝性能的前提下，采用鉻元素(Cr)含量為0.32%～0.37%的HRB400 鋼筋。

3.3.3 混凝土外露表面采用硅烷浸漬

在水位變動區(qū)及以上結(jié)構(gòu)混凝土表面施涂一種可滲入混凝土表層的硅烷材料，在混凝土表層形成憎水層，從而阻止環(huán)境中的水及有害離子侵入混凝土。

硅烷浸漬防腐的設(shè)計使用年限為15 a，宜采用異丁烯三乙氧基硅烷單體作為浸漬材料，浸漬硅烷的產(chǎn)品、施工及檢驗均應(yīng)滿足規(guī)范的規(guī)定[15]。

4 聯(lián)合泵房地下結(jié)構(gòu)施工

4.1 石灰石粉混凝土

4.1.1 混凝土配合比

聯(lián)合泵房石灰石粉混凝土的設(shè)計配合比，在按標準[16]規(guī)定計算、試配、調(diào)整和驗證、確定后，在施工配合比確定前，通過攪拌站對原材料的投料方式、投料次序和攪拌時間等進行試驗與調(diào)整，且通過現(xiàn)場泵送、澆筑試驗，對石灰石粉混凝土的力學(xué)性能、工作性能、長期性能和耐久性能進行了全面驗證。聯(lián)合泵房各部位相應(yīng)的混凝土配合比和混凝土長期性能、耐久性能指標檢測結(jié)果如表6 所示。

4.1.2 混凝土供應(yīng)

聯(lián)合泵房石灰石粉用量約7 000 t，現(xiàn)場建有一座3×120 m3/h 的混凝土攪拌站，集中攪拌核島、常規(guī)島和核電廠配套設(shè)施(balance of plant，BOP)工程用的混凝土?；炷僚渲茣r，石灰石粉與砂、石、水泥先投先拌，然后再投入水和外加劑等；在攪拌時，比普通混凝土需延長拌和時間約20 ～30 s；混凝土拌和物出機溫度宜為5 ～23 ℃，入模溫度宜為5 ～25 ℃，坍落度為(160±30) mm，擴展直徑490 ～550 mm，泌水量＜10 L/m3，初凝時間約為180 min，初終凝時間差宜為30 min；混凝土拌和物從攪拌結(jié)束到入模時間≤90 min；首次使用的配合比必須通過開盤鑒定合格方可使用。

4.2 地下結(jié)構(gòu)分區(qū)分塊分層跳倉施工

4.2.1 筏基

聯(lián)合泵房2PS、3PS 的筏基各劃分為5 個區(qū)塊，根據(jù)相隔區(qū)塊與相鄰區(qū)塊，按照一定時間間隔，分別對區(qū)塊進行跳倉施工，水平施工縫設(shè)在底板向上≥300 mm 的墻板位置。

4.2.2 泵區(qū)

按進水流道和蝸殼流道的結(jié)構(gòu)特點，每臺泵的蝸殼區(qū)，劃分為6 個區(qū)段依次施工。進水流道底面和蝸殼流道底部曲面混凝土，需進行二次振搗和壓光處理。為保證流道表面混凝土密實、光滑，進水流道和蝸殼流道分別配備兩套定型模板，在2PS 和3PS 施工中周轉(zhuǎn)使用。

4.2.3 墻板

泵區(qū)、鼓網(wǎng)區(qū)和前池區(qū)的墻板混凝土，分5 ～7 個標高段跳倉施工。墻板及支墩的水位變動、干濕交替區(qū)(相對標高-14.59 ～-10.69 m)，應(yīng)盡量少留施工縫。

墻板施工縫應(yīng)居中設(shè)置-3 mm×400 mm止水鋼板，混凝土強度達到1.2 MPa 方可鑿毛，鑿毛應(yīng)剝除浮漿、松散集料，使之露出堅固、毛糙的石子。水平施工縫應(yīng)預(yù)先保水潤濕24 h，澆筑混凝土前，清除表面積水，先鋪設(shè)30 ～50 mm 厚同成分的去粗骨料混凝土，然后再分層澆筑。

4.3 鋼筋保護層厚度

鋼筋保護層厚度對結(jié)構(gòu)耐久性有重要影響。聯(lián)合泵房地下結(jié)構(gòu)的鋼筋保護層厚度設(shè)計值為65 mm，現(xiàn)場制作的保護層墊塊，混凝土強度應(yīng)為C45 或C55，墊塊厚度尺寸不應(yīng)出現(xiàn)負偏差，正偏差不宜大于5 mm；各部位鋼筋保護層墊塊數(shù)量：筏基底面不宜少于3 個/m2，流道側(cè)面不宜少于2 個/m2，墻板側(cè)面不宜少于1 個/m2。筏基、流道和墻板鋼筋扎絲的絲頭應(yīng)朝構(gòu)件里側(cè)，不得伸入保護層內(nèi)。

4.4 混凝土澆筑及養(yǎng)護

4.4.1 澆筑

聯(lián)合泵房筏基、流道和墻板均為大體積混凝土，區(qū)塊內(nèi)的混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑、一次成型。進水流道和蝸殼區(qū)混凝土采用水平分層法施工，對稱均衡下料、振搗，及時清除泌水，每層厚度不超過300 mm，其它部位混凝土采用斜面分層法施工，每層厚度不超過500 mm。墻板澆筑應(yīng)控制上升速率，在澆到洞口頂前，應(yīng)適當(dāng)靜置20 ～30 min，再繼續(xù)往上澆筑，并及時處理沉降及塑性干縮產(chǎn)生的表面裂縫。

4.4.2 溫度控制

為了防止大體積混凝土出現(xiàn)有害裂縫，施工前根據(jù)施工參數(shù)和內(nèi)外約束條件，對各齡期混凝土的抗拉強度和同期承受的拉應(yīng)力進行預(yù)測計算，其安全系數(shù)應(yīng)不小于1.15。由于當(dāng)?shù)貧鉁剌^高，攪拌站砂石均室內(nèi)存儲，攪拌時通過制冰機調(diào)節(jié)拌和水的溫度，控制混凝土出機溫度不超過23 ℃，入模溫度為(25±2) ℃。經(jīng)實測驗證，均滿足如表7 所示大體積混凝土溫度控制指標要求。

表7 大體積混凝土溫度控制指標

大體積混凝土養(yǎng)護期間按規(guī)定頻次進行監(jiān)測并記錄，按變化趨勢和控制指標對覆蓋保溫層厚度進行增減調(diào)整。

4.4.3 養(yǎng)護

石灰石粉混凝土早期強度較低。混凝土終凝后，應(yīng)及時覆蓋外露表面，根據(jù)大體積混凝土、環(huán)境作用等級Ⅲ—F 級混凝土的養(yǎng)護要求，采取保濕、保溫、防風(fēng)措施。根據(jù)熱工計算，混凝土表面覆蓋1 層塑料薄膜+(2 ～4)層腈綸毯，養(yǎng)護14 d，直至混凝土強度不低于28 d 標準強度的70%，且混凝土表面與大氣溫差≤20 ℃為止。

5 結(jié)論

石灰石粉混凝土不得用于地基土壤含硫酸鹽的環(huán)境，可用于輸送海水的、與核安全有關(guān)的聯(lián)合泵房，但必須使用非堿活性骨料，限制混凝土的堿含量和氯離子含量，使用低堿水泥。

石灰石粉在聯(lián)合泵房混凝土中的摻量宜控制在10%～15%范圍內(nèi)。無論是單摻還是與硅粉等復(fù)摻，均應(yīng)通過試驗，尋求既滿足混凝土力學(xué)性能和工作性能，又滿足長期性能和耐久性能的適宜摻量。對組分多、拌和要求高的施工配合比，使用前宜通過攪拌站和現(xiàn)場試驗。當(dāng)檢測到某些指標(如氯離子擴散系數(shù))偏離預(yù)期值時，可以采取附加技術(shù)措施，以滿足構(gòu)筑物長期性能和耐久性能的要求。

混凝土施工應(yīng)防止出現(xiàn)有害裂縫，水位變動、干濕交替區(qū)應(yīng)盡量少留施工縫，需特別關(guān)注鋼筋保護層厚度和混凝土養(yǎng)護對結(jié)構(gòu)耐久性能的影響。