核電混凝土氯離子滲透性能影響試驗(yàn)研究

王星

摘要： 為確保核電混凝土抗氯離子滲透能力滿(mǎn)足核電建設(shè)需求，通過(guò)對(duì)核電混凝常用摻合料的作用機(jī)理、摻合料的種類(lèi)進(jìn)行分析，研究采用摻合料“單摻、雙摻”技術(shù)，通過(guò)測(cè)定分析氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量的規(guī)律，分析影響因素，制定提高混凝土抗氯離子滲透能力的控制措施，并運(yùn)用到新建的核電建設(shè)中。

關(guān)鍵詞：礦物摻合料;氯離子滲透;研究

1. 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源危機(jī)形勢(shì)日益凸顯，全球能源日益缺乏，核電作為一種經(jīng)濟(jì)、清潔、安全的能源生產(chǎn)方式，得到長(zhǎng)足的發(fā)展。核電以其高能量密度、低污染排放的優(yōu)質(zhì)屬性，成為我國(guó)現(xiàn)代能源體系的重要組成部分。

核電的高質(zhì)量發(fā)展對(duì)核電建造提出更高的要求，混凝土是核電建設(shè)的重要材料之一，耐久性是核電混凝土設(shè)計(jì)評(píng)判的重要指標(biāo)。我國(guó)的核電主要分布在沿海地區(qū)，對(duì)混凝土而言，氯離子有很強(qiáng)的腐蝕作用，是影響其耐久性的重要因素，經(jīng)過(guò)各方位的滲透和擴(kuò)散，對(duì)混凝土造成嚴(yán)重的侵蝕，破壞混凝土結(jié)構(gòu)，并引起鋼筋銳化銹蝕，降低了構(gòu)筑物的使用壽命。隨著核電站設(shè)計(jì)使用年限的提高和延壽的要求，對(duì)地下及海水接觸的結(jié)構(gòu)混凝土抗氯離子滲透能力提出了更高的要求。通常情況下，采用56天齡甚至84天齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)判定混凝土的抗氯離子滲透能力，某核電混凝土技術(shù)規(guī)格書(shū)中要求底板混凝土28天氯離子擴(kuò)散系數(shù)不大于7×10-12m2/s，混凝土早期抗氯離子滲透能力成為核電混凝土重要的技術(shù)指標(biāo)之一。

2.原材料技術(shù)要求

2.1水泥

水泥采用核電P·N42.5水泥和普通的P·O42.5水泥。核電P·N42.5水泥指標(biāo)見(jiàn)表1和表2，P·O42.5水泥技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足GB175要求，其中混合材為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區(qū)電廠提供，使用的是Ⅰ級(jí)粉煤灰，主要性能如下表所示。

2.3礦粉

礦粉采用S95級(jí)礦粉，活性指數(shù)試驗(yàn)采用采用核電P·N 42.5水泥，其化學(xué)成分、物理性能見(jiàn)表4。

2.4骨料

砂選用閩江產(chǎn)二區(qū)天然中砂，含泥量為0.5%，泥塊含量為0%，細(xì)度模數(shù)為2.8

2.5外加劑

外加劑使用聚羧酸高性能減水劑，含固量26%，減水率29%;

3.試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)要求

嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土配比合進(jìn)行設(shè)計(jì)，水膠比控制在0.30～0.42，保證摻合料的比例小于20%，進(jìn)而滿(mǎn)足核電混凝土的設(shè)計(jì)需求;

試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082），以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)，按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量試驗(yàn)。

3.2試驗(yàn)配合比

根據(jù)核電混凝土抗氯離子滲透能力要求，本次試驗(yàn)選用了0.30～0.42水膠比的混凝土配合比，摻合料用量控制在20%，分別采用核電P·N42.5和P·O42.5，采用粉煤灰單摻、S95礦粉與粉煤灰雙摻配制混凝土，測(cè)定混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量。

混凝土設(shè)計(jì)坍落度值為（160±30）mm，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表5。

3.3試驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)中給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，來(lái)對(duì)混凝土抗氯離子滲透能力進(jìn)行判斷，包括電通量法與RCM法。后者可以定量對(duì)混凝土進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，包括其抵抗氯離子滲透、擴(kuò)散的能力，電通量法是當(dāng)前比較通行的檢測(cè)方法。

4.試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 RCM法測(cè)定結(jié)果

按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082）試驗(yàn)步驟，測(cè)定混凝土28d、56d、84d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)定結(jié)果如表6所示，并根據(jù)表6繪制圖3～圖6。

4.1.1粉煤灰單摻

由表6中SP01-SP05可知：

采用Ⅰ級(jí)粉煤灰取代水泥，單摻20%的粉煤灰，分別采用P·N42.5水泥與P·O42.5水泥拌制混凝土，測(cè)定其氯離子遷移系數(shù)，變化規(guī)律如下：

1）混凝土強(qiáng)度與水膠比成正比，水膠比越小，強(qiáng)度越高，這表明當(dāng)其結(jié)構(gòu)愈加密實(shí)時(shí)，水膠比越低，則混凝土的氯離子遷移系數(shù)越低。

2）在水膠比一致的前提下，通過(guò)采用普通水泥優(yōu)于采用核電水泥拌制的混凝土。

4.1.2粉煤灰、礦粉雙摻

由表6中SP01-1～SP05-1可知：

采用礦粉取代水泥，與粉煤灰雙摻，在配合比中分別摻加10%粉煤灰和10%礦粉時(shí)，并采用采用P·N42.5水泥與P·O42.5水泥分別拌制混凝土，對(duì)其氯離子遷移系數(shù)進(jìn)行測(cè)定和分析，得出結(jié)論如下：

1）在其余條件相同的情況下，采用普通水泥比PN水泥拌制的混凝土性能更好，其氯離子遷移系數(shù)越低。

2）當(dāng)水膠比逐漸減小時(shí)，氯離子遷移系數(shù)會(huì)慢慢減小，同時(shí)混凝土齡期越大，則該系數(shù)也更小。

4.3 C45P10混凝土試驗(yàn)

對(duì)強(qiáng)度級(jí)別C45P10混凝土的抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)已經(jīng)電通量進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究，采用相同的配合比，分別采用P·O2.5水泥和P·N42.5水泥拌制，性能如下：

單摻粉煤灰和粉煤灰礦粉雙摻在混凝土28天抗壓強(qiáng)度上沒(méi)有明顯的差異，但在齡期達(dá)到60天時(shí)，雙摻效果明顯優(yōu)于單摻。

在核電混凝土的要求中，以28天齡期為界限，對(duì)其氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行確定，并使用粉煤灰礦粉雙摻核電水泥，或者粉煤灰單摻普通水泥，兩種操作都可實(shí)現(xiàn)控制要求。

4.4實(shí)踐應(yīng)用

某核電在C40混凝土設(shè)計(jì)要求28天了氯離子擴(kuò)散系數(shù)為不大于7×10-12m2/s，混凝土采用P·N42.5水泥，5-25mm連續(xù)級(jí)配碎石，Ⅱ區(qū)河砂，系數(shù)模數(shù)為2.7，采用Ⅰ級(jí)粉煤灰。

根據(jù)JGJ55及技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求完成混凝土配合比的設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度、坍落度滿(mǎn)足要求后送上海建科院開(kāi)展混凝土全性能試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示：

實(shí)測(cè)28天氯離子擴(kuò)散系數(shù)不符合設(shè)計(jì)文件要求。該項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人發(fā)現(xiàn)后立即組織重新開(kāi)展混凝土配合比的設(shè)計(jì)，保持水膠比不變，將原配合比中的粉煤灰采用50%礦粉替代見(jiàn)表9：

通過(guò)表8可知：通過(guò)在配合比中添加一部分的礦粉，通過(guò)雙摻的處理，能夠控制氯離子擴(kuò)散系數(shù)，將其維持在較低水平，其抗氯離子滲透性能得到有效提高。

4.5粉煤灰、礦粉的影響

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)采用單摻20%粉煤灰時(shí)，水膠比為0.42、0.39、0.36、0.33以及0.30的混凝土，在氯離子擴(kuò)散系數(shù)上，采用PO水泥拌制的混凝土比采用PN水泥拌制的混凝土結(jié)果更為理想，前者比后者分別降低了35%、24%、31%、24%和39%。摻入礦粉實(shí)現(xiàn)雙摻后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別降低了47%、46%、49%、44%和33%。這表明，在相同條件下，普通硅酸鹽水泥比核電工程用硅酸鹽水泥更有利于混凝土抗氯離子滲透能力的提高，尤其是在早齡期時(shí)，效果更加明顯;其次，礦物摻合料的加入，進(jìn)而提升混凝土的抗氯離子滲透能力。具體分析后，得出主要原因如下：（1）礦粉與粉煤灰進(jìn)入水泥后，將其顆粒間隙進(jìn)行填充，提高其密實(shí)度，減少其中的孔隙率;（2）粉煤灰和礦粉作為火山灰質(zhì)材料，其火山灰效應(yīng)可以減少結(jié)構(gòu)中較為粗大的結(jié)晶體，水化形成C-S-H凝膠可以有效的堵塞內(nèi)部擴(kuò)散通道;（3）普通水泥中本身具有一定量的摻合料，根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB175，普通水泥中允許摻入大于5%且不大于20%的混合材，目前市場(chǎng)普通水泥的混合材摻量為12%～15%，GB/T31545核電工程用硅酸鹽水泥中要求核電水泥不得摻入混合材，在拌制混凝土?xí)r，采用普通水泥的配合比實(shí)際摻合料遠(yuǎn)大于采用核電水泥拌制的混凝土，這也就影響了混凝土抗氯離子滲透性能。其次是核電水泥水化熱低，早期強(qiáng)度較低，不利于混凝土在早期形成較強(qiáng)的密實(shí)性和抗氯離子滲透能力。

5.結(jié)論

（1）在水膠比為0.30～0.42時(shí)，水膠比在減小之后，混凝土將獲得更高的強(qiáng)度，基體致密性得到加強(qiáng)，其抗氯離子滲透性能隨著水膠比的降低而不斷增強(qiáng)。

（2）采用一定比例優(yōu)質(zhì)的礦粉取代水泥，達(dá)到礦粉和粉煤灰雙摻的作用，進(jìn)而提升其抗氯離子滲透性能，但是需要試驗(yàn)確定添加的比例和總體摻量，經(jīng)試驗(yàn)，建議與粉煤灰雙摻使用時(shí)，礦粉的摻量不宜大于20%。

（3）相對(duì)于普通水泥，核電水泥水化熱較低，早期強(qiáng)度較低，不利于混凝土在早期實(shí)現(xiàn)較高的抗氯離子滲透能力，為實(shí)現(xiàn)早期混凝土較高的抗氯離子滲透能力，可以選用雙摻優(yōu)質(zhì)的粉煤灰和礦粉。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮乃謙.高性能混凝土[M].北京;中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

[2]羅睿， 蔡躍波， 王昌義， 黃曉明.磨細(xì)礦渣抗氯離子侵蝕性能的機(jī)理研究[J] .土木工程學(xué)報(bào)， 2002.

[3]萬(wàn)輝，張亞衛(wèi).細(xì)化粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用[J].黑龍江電力 2000.

[4]GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》.