干保護(hù)防輻射蛇紋石混凝土施工技術(shù)

朱榮軍 吳光玉 薛智瑤

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

核電堆輻射屏蔽一般主要考慮γ射線和中子輻射。γ射線的電離能力弱、穿透力強(qiáng)，其屏蔽材料為密度較大的物質(zhì)，如鉛、鎢、鐵及其合金等。中子質(zhì)量與質(zhì)子很接近，不帶電，只與原子核相互作用，所以富含氫、硼、鋰等輕元素材料是理想的中子屏蔽材料。富含氫的有機(jī)材料有石蠟、聚乙烯和聚丙烯，富含氫的天然礦石包括礬土礦、蛇紋礦、針鐵礦和褐鐵礦，富含硼的天然礦包括硼酸方解石、硬硼酸鈣、硼鎂鐵礦石和硼鎂石，富含硼的人造集料包括硼鐵、碳化硼和硼玻璃[1]。γ射線和中子輻射綜合屏蔽材料為既含有輕元素（氫、硼、鋰等）又含有重元素（鉛、鎢、鐵等）的物質(zhì)，如屏蔽混凝土、聚合物基復(fù)合屏蔽材料、金屬基復(fù)合屏蔽材料、玻璃基復(fù)合屏蔽材料和陶瓷基復(fù)合屏蔽材料[2]。蛇紋石是一種含結(jié)合水的富鎂硅酸鹽礦物的總稱，具有容重大、結(jié)合水含量高（理論含量13.1%）的特點(diǎn)。結(jié)晶水在高溫下熱穩(wěn)定性十分優(yōu)異，是目前防中子輻射屏蔽混凝土骨料的較佳選擇[3]。

1 研究背景

1.1 核堆艙屏蔽結(jié)構(gòu)

在核電下堆艙安全容器和厚1 200 mm普通鋼筋混凝土屏蔽結(jié)構(gòu)之間（標(biāo)高－14.40～－8.69 m），再現(xiàn)澆一定厚度的蛇紋石混凝土層，作為中子輻射屏蔽層和隔熱層。蛇紋石混凝土層底板厚400 mm，側(cè)墻厚600 mm。普通混凝土與蛇紋石混凝土接觸面做鑿毛處理。運(yùn)行過(guò)程中蛇紋石混凝土與普通混凝土交界面最高溫度不得超過(guò)70 ℃，局部交界面處埋件及以外300 mm范圍內(nèi)，最高溫度不得超過(guò)105 ℃（圖1）。

圖1 核堆艙屏蔽結(jié)構(gòu)

蛇紋石混凝土的參數(shù)要求：強(qiáng)度等級(jí)不小于C20，密度≥2 100 kg/m3，氫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）≥1.4%。

1.2 研究特點(diǎn)、難點(diǎn)

混凝土使用的蛇紋石粗細(xì)骨料由蛇紋礦經(jīng)機(jī)械破碎而成，顆粒級(jí)配不良、片狀和棱角較多、比表面積較大、骨料強(qiáng)度較低。配置要滿足施工和易性要求和強(qiáng)度要求的蛇紋石混凝土難度較大。

根據(jù)核電堆屏蔽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，先澆筑堆艙外側(cè)厚1 200 mm鋼筋混凝土，再澆筑內(nèi)側(cè)蛇紋石混凝土屏蔽層。蛇紋石混凝土筒墻頂部與先澆筑的普通鋼筋混凝土懸挑端底面接觸重合，且內(nèi)側(cè)面齊平，將造成蛇紋石混凝土墻模板支撐及澆筑困難。

輻射屏蔽結(jié)構(gòu)裂縫控制要求比普通混凝土嚴(yán)格，需要特殊的技術(shù)措施加以保證。為保證蛇紋石混凝土層輻射屏蔽和隔熱效果，該屏蔽層嚴(yán)禁出現(xiàn)鋼筋貫穿情況，避免出現(xiàn)輻射熱橋。

2 蛇紋石混凝土

2.1 蛇紋石骨料制備

蛇紋石礦原料一般含有較多的泥土和蛇紋石石棉（纖維狀），需要經(jīng)過(guò)多次洗選才能配制出滿足要求的骨料。其流程為：洗選蛇紋礦—機(jī)械破碎—水洗—人工去除雜質(zhì)—篩分粗細(xì)骨料—產(chǎn)品檢測(cè)—裝袋備用。

2.2 蛇紋石結(jié)晶水及其溫度穩(wěn)定性

采用XRF分析儀器對(duì)天寶和江蘇龍騰兩地來(lái)源備用的蛇紋石進(jìn)行了成分分析。天寶蛇紋石主要成分含量為：SiO234.90%、MgO48.64%、H2O15.22%、Al2O30.12%、CaO0.17%；龍騰蛇紋石主要成分含量為：SiO241.26%、MgO40.73%、H2O12.50%、FeO4.74%、CaO0.06%等。

根據(jù)HG/T 3575—2006《蛇紋石礦石分析方法》對(duì)天寶和龍騰蛇紋石結(jié)晶水進(jìn)行了熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。將蛇紋石碾碎，過(guò)細(xì)篩，在105～110 ℃下將其烘干至恒重，去除其游離水，然后分別在300、460、600、700、950、1 200 ℃下進(jìn)行灼燒至恒重，測(cè)定其質(zhì)量，計(jì)算各階段結(jié)晶水損失量（圖2）。

圖2 不同穩(wěn)定下蛇紋石結(jié)晶水損失量

從圖中可以看出，1 200 ℃時(shí)結(jié)晶水損失量與XRF測(cè)得的結(jié)晶水含水量相當(dāng)；300 ℃以下結(jié)晶水損失量不超過(guò)1%，說(shuō)明蛇紋石結(jié)晶水在300 ℃以下是穩(wěn)定的；700 ℃時(shí)蛇紋石中結(jié)晶水已經(jīng)基本損失殆盡，表明700 ℃以上時(shí)就不適宜考慮蛇紋石中結(jié)晶水氫對(duì)中子輻射的屏蔽作用。

2.3 蛇紋石安定性和亞甲藍(lán)試驗(yàn)

為判斷蛇紋石是否含有游離的MgO，在堿性條件下是否對(duì)硬化混凝土體積產(chǎn)生影響，因此進(jìn)行安定性試驗(yàn)。將蛇紋石磨碎，過(guò)公稱直徑0.16 mm的篩后進(jìn)行試驗(yàn)。參考國(guó)標(biāo)GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》中雷氏夾及試餅法的方法，將450 g水泥中的50 g用磨細(xì)蛇紋石替代進(jìn)行試驗(yàn)。天寶和龍騰蛇紋石體積安定性檢驗(yàn)結(jié)果均合格，表明蛇紋石中基本不含游離的MgO，蛇紋石雖富含Mg，但作為骨料對(duì)混凝土體積安定性沒(méi)有不良影響。

亞甲藍(lán)試驗(yàn)則是判斷蛇紋石粉中的含泥量及石粉本身對(duì)外加劑的吸附能力，將蛇紋石碾碎至粉末狀，過(guò)公稱直徑0.16 mm的篩后進(jìn)行試驗(yàn)。天寶和龍騰蛇紋石亞甲藍(lán)試驗(yàn)結(jié)果均合格，表明經(jīng)洗選后的蛇紋石粗細(xì)骨料滿足混凝土骨料含泥量要求。

2.4 蛇紋石混凝土配合比

蛇紋石混凝土配合比經(jīng)過(guò)多組試配試驗(yàn)確定，每立方米混凝土理論用量：水200 kg、海螺P·O 42.5水泥390 kg、蛇紋石細(xì)骨料690 kg、蛇紋石（粒徑5～25 mm）1 060 kg、HY803高性能聚羧酸減水劑（緩凝型）5 kg。蛇紋石混凝土理論密度2 345 kg/m3，拌和物坍落度140 mm，保水性和黏聚性良好，28 d標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度36.3 MPa。

蛇紋石混凝土硬化后氫含量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：（0.25X＋HY）/｛9×［T－（Z－0.25X）］｝，其中：X為水泥用量，H為蛇紋石骨料結(jié)晶水含量，Y為蛇紋石骨料使用總量，Z為用水量，T為總混凝土質(zhì)量。計(jì)算得氫含量為1.45%，滿足屏蔽設(shè)計(jì)要求。

3 屏蔽蛇紋石混凝土施工

3.1 施工流程

首先施工厚1 200 mm普通鋼筋混凝土屏蔽結(jié)構(gòu)，待其強(qiáng)度滿足下道工序要求后，再進(jìn)行蛇紋石混凝土屏蔽層結(jié)構(gòu)施工。蛇紋石混凝土屏蔽層先澆筑底板，再澆筑側(cè)墻筒結(jié)構(gòu)。

3.2 模板支撐系統(tǒng)

蛇紋石混凝土墻筒外側(cè)利用已經(jīng)施工的普通混凝土代替模板；內(nèi)側(cè)模板采用單層厚18 mm定加工的專用圓形高檔膠合模板，次楞方木采用40 mm×90 mm規(guī)格，間距200 mm，主楞采用φ28 mm@900 mm鋼筋雙拼，對(duì)拉螺栓采用φ16 mm螺栓并與先澆筑結(jié)構(gòu)對(duì)拉螺桿搭接焊接；墻筒內(nèi)搭設(shè)盤扣式排架體系作為水平支撐和施工腳手架，根據(jù)圓筒軌跡搭設(shè)成環(huán)形，鋼管架體橫桿分別頂牢筒體內(nèi)側(cè)主楞。筒墻圓模頂部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)置倒八字簸箕開口作為澆筑口，方便混凝澆筑和振搗棒振搗。在筒模板中間部分，沿徑向均勻設(shè)置8個(gè)300 mm×500 mm的觀察孔，便于觀察蛇紋石混凝土澆筑振搗的質(zhì)量。

為避免模板對(duì)拉螺桿貫穿蛇紋石混凝土屏蔽層，保證蛇紋石混凝土層屏蔽功能，對(duì)拉螺栓內(nèi)側(cè)端部預(yù)埋60 mm×60 mm×60 mm擠塑板方塊，中心打φ16 mm圓孔，穿進(jìn)限位螺栓定位。拆模后，清除擠塑板方塊，在最里側(cè)割除對(duì)拉螺桿，凹槽內(nèi)采用同配比蛇紋石砂漿進(jìn)行填補(bǔ)修平（圖3）。

圖3 對(duì)拉螺桿內(nèi)側(cè)端部節(jié)點(diǎn)處理

3.3 蛇紋石混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)

3.3.1 蛇紋石混凝土澆筑

蛇紋石混凝土屏蔽層分底板和墻筒這2部分進(jìn)行澆筑，在底板和墻體交界處設(shè)置Z字形施工縫。待底板混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)7 d后，再進(jìn)行筒墻模搭設(shè)施工。

蛇紋石混凝土澆筑采用軟管接長(zhǎng)的形式，控制泵管澆筑高度≤1 m，保證澆筑質(zhì)量；根據(jù)堆艙結(jié)構(gòu)形式，蛇紋石混凝土應(yīng)分層澆筑，布料方式按照順時(shí)針進(jìn)行，每層澆筑厚度200 mm，采用振搗棒振搗，振搗時(shí)間為20～30 s，振搗點(diǎn)間距在400 mm左右，杜絕過(guò)分振搗，以免混凝土離析。在澆筑上一層混凝土?xí)r，振搗棒需伸入下層混凝土至少50 mm，確?；炷琳駬v密實(shí)；加強(qiáng)貫穿件大套管周邊及邊角的振搗，保證密實(shí)性。

3.3.2 養(yǎng)護(hù)

蛇紋石混凝土底板澆筑完成后，表面抹平壓光，終凝前表面覆蓋塑料薄膜＋保濕材料養(yǎng)護(hù)。側(cè)墻蛇紋石混凝土應(yīng)帶模進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，后期拆模后立即采用1層塑料薄膜外掛麻袋包裹養(yǎng)護(hù)。拆模及包裹塑料薄膜應(yīng)分段進(jìn)行，拆一段即用塑料薄膜包裹一段。每晝夜灑水養(yǎng)護(hù)2～3次，養(yǎng)護(hù)時(shí)間7～14 d。冬季施工時(shí)，需采取保溫圍擋或電熱毯等加熱措施，確保養(yǎng)護(hù)溫度不小于15 ℃。

4 屏蔽蛇紋石混凝土抗裂技術(shù)措施

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫一般分為荷載裂縫和變形裂縫。防輻射屏蔽混凝土墻一般長(zhǎng)度和厚度均較大，承受的外荷載較小，不易產(chǎn)生荷載裂縫?；炷猎跐仓?，由于水泥的水化作用，釋放大量的水化熱，構(gòu)件表面與內(nèi)部溫差過(guò)大就可能引起內(nèi)部裂縫；若新澆筑構(gòu)件表面溫度和周圍空氣溫差過(guò)大，就會(huì)引起表面裂縫。屏蔽蛇紋石混凝土結(jié)構(gòu)抗裂技術(shù)措施也要從控制溫縮變形裂縫和主動(dòng)控制構(gòu)造措施著手。

4.1 低收縮混凝土配合比設(shè)計(jì)

采用水化熱較低的水泥，在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，摻加粉煤灰、硅灰及礦粉等摻合料，進(jìn)而降低單位水泥用量；在滿足混凝土施工要求的條件下，進(jìn)一步降低單位用水量，以減少混凝土中游離水的量；摻聚羧酸類減水劑不僅能起到減水增強(qiáng)的效果，而且對(duì)降低混凝土的收縮也是有利的；在保證混凝土和易性，有利于泵送的前提下，適當(dāng)降低砂率（43%左右），遵循總骨料體積含量最大的原則進(jìn)行混凝土配合比的進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2 加強(qiáng)澆筑與養(yǎng)護(hù)施工保證措施

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，合理設(shè)置施工縫，進(jìn)行分段、分塊澆筑施工。底板澆筑采用斜面分段、分層踏步式澆筑方法，讓混凝土自然流淌，合理控制分層厚度，分層澆筑使新混凝土沿斜坡流下一次到頂。加強(qiáng)混凝土供應(yīng)，保證每一分段區(qū)域內(nèi)混凝土連續(xù)澆筑。合理選擇振搗設(shè)備，合理安排振搗工藝流程和強(qiáng)度，做到振搗密實(shí)不離析。終凝前及時(shí)采取養(yǎng)護(hù)措施，如表面覆蓋塑料薄膜＋保濕保溫材料、定時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)、保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間等。采用混凝土溫度測(cè)量控制技術(shù)措施，確?；炷羶?nèi)外溫差，確保降溫速率V≤1.5 ℃/d。內(nèi)外溫差應(yīng)控制在20 ℃范圍之內(nèi)，及時(shí)調(diào)整保溫及養(yǎng)護(hù)措施，以達(dá)到控制有害裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展的目的。

4.3 “抗與放”原則的裂縫控制措施

根據(jù)分析裂縫產(chǎn)生原因以及各種現(xiàn)有裂縫控制措施的理論依據(jù)，按照“抗與放”的原則制定具體的抗裂控制措施：以“放”為基本原則，在適當(dāng)?shù)木嚯x設(shè)置伸縮縫或?qū)蛄芽p；以“抗與放相結(jié)合”為基本原則，采取設(shè)后澆帶的措施；以“抗”為基本原則，利用補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹來(lái)抵抗混凝土的收縮。

施工縫（根據(jù)混凝土分塊澆筑施工要求留設(shè)）、后澆帶（根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求留設(shè)）和變形縫根據(jù)防護(hù)要求按錯(cuò)縫留設(shè)原理，留設(shè)成Z字形。誘導(dǎo)縫根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算要求留設(shè)，保證長(zhǎng)期混凝土收縮、溫度變形時(shí)裂縫發(fā)生在預(yù)留部位。

5 結(jié)語(yǔ)

屏蔽混凝土經(jīng)濟(jì)效益好、耐久性好、防輻射效果顯著，大量應(yīng)用于輻射屏蔽結(jié)構(gòu)中。蛇紋石混凝土作為中子輻射屏蔽的理想材料，在核電堆項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)施達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，取得了良好的效益，可為今后類似項(xiàng)目的建設(shè)提供一定的參考價(jià)值。