依据致密堆积模型的某核电自密实混凝土设计.pdf

2 0 1 4 年 第 3 期 (总 第 2 9 3 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No ． 2 9 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOLOGY d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 4 ．0 3 ． 0 4 3 依据致密堆积模型的某核电自密实混凝土设计 徐文，郭飞 ，孟庆超 ，田倩 ( 江苏博特新材料有限公司 高性能土木工程材料 国家重点实验室 ，江苏 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 基于原材料性能分析 ，采用致密堆积模型设计了满足第三代核电 A P 1 0 0 0 技术要求的自密实混凝土。 其配合比具有如 下特点 ： 胶凝材料用量仅为 4 2 0 k g ／ m 3 ， 粉煤灰填充砂和粉煤灰 、 砂混合物填充石子的致密堆积系数分别为 0 ． 1 3 、 O ． 5 2 ， 配合高性能 化学外加剂 ， 水泥浆体体积系数取为 1 ．4 5 。 使用该配合 比得到的自密实混凝土具备 良好的工作性能 、 力学性能和耐久性能 ， 完全 满足相关标准及施工方要求 ， 在核电1 二 程模拟筏基一次性浇筑的实体结构试验中得到初步应用 ， 取得 良好效果。 关键词 ： 核电工程；致密堆积 ；低胶材用量 ；增稠剂 ；自密实混凝土 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 5 3 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 — 0 1 5 4 — 0 3 D e s i g n o f s e lf - c o m p a c t i n g c o n c r e t e ba s e d o n d e n s e pa c k i n g m o d e l f or a n u c l e a r p o w e r e n g i n e e r i n g XUWe n ， GU OF e i ， MENGQi n g c h a o ， T I ANOi a n ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H i g hP e r f o r ma n c e C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s ， J i a n g s uB o t e Ne wMa t e r i a l s C o ． ， L t d ． ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： De n s e p a c k in g mo d e l wa s a d o p t e d t o d e s i g n s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e wh i c h me t t h e r e q u i r e me n t s o f AP1 0 0 0 t e c h n o l o g y b a s e d o n t h e p r o p e r t y a n a l y s i s o f r a w ma t e r i a l s ． I t s mi x p r o p o r t i o n h a d t h e f o l l o wi n g c h a r a c t e r i s t i c s tha t t h e c e me n t i n g ma t e r i a l s d o s a g e wa s 42 0 k g ／ m。 a n d t h e de ns e pa c k i n g c o e ffic i e n t s o f fly a s h f i l l i ng s a n d a n d fly a s h a nd s a n d fil l i n g pe bb l e we r e 0． 1 3 a n d O． 5 2 r e s p e c t i v e l y． F u r t he r mo r e， t h e c o e ffic i e n t o f c e me n t p a s t e vo l u me wa s 1 ．45 s u pp l e me n t e d b y h i g h p e r f o rm a nc e c h e mi c a l a d mi x t u r e s ．The s e l f c o mpa c t i n g c o nc r e t e b a s e d o n t h i s mi x p r o po rti on h a d f a v o u r a b l e wo r k i ng pe r f o r ma n c e， me c h a ni c a l pr o p e r t i e s a nd d u r a bi l i t y wh i c h me t t h e d e — ma n ds o f r e l e v a n t s t a n d a r ds a nd c o n s t r uc t i o n s i d e f ul l y ． Th e SCC wa s p r i ma r i l y a p p l i e d i n t he po u r i n g t e s t o f the s i mul a t i v e e n t i t y r a f t f o un d a t i on s t r u c t ur e a n d g oo d r e s ul t s we r e g o t ． Keyw or ds： n uc l e a rp o we r e n gi n e e r i n g； d e n s e p a c ki n g； l o w c o n t e n to fc e me n t i t i o u sma t e r i a l s ； t hi c k e ne r ； s e l f - c o mpa c t i n g c o n c r e t e 0 引 言 核 电是清洁能 源 ， 核电建设是我 国“ 十二 五” 规划重启 并将重点发展的国家 程之一 。 我 国核 电站 目前 主要使用 美国西屋公司的第三代 A P 1 0 0 0 核电技术 ． 该技术在混凝土 建设 中明确要 求核电站核岛阀基及核反应堆安全壳底层 部分必须采用 自密实混凝土 ， 其他部位则尽可能采用⋯ 。 核 电工程不仅管道和预埋件较多 ， 而且钢筋布置十分密集 ， 最 小钢筋净 间距仅为 3 0 m m左右 ， 普通振捣混凝土很难或者 根本无法通过密集的钢筋 ， 且不易振捣密实 ， 由此带来 的 “ 蜂窝” 、 “ 空洞 ” 等缺陷一旦存 内部形成 ， 将很难被发现或 检测 ， 给今后留下严重 的安全隐患。 因此 ， 自密实混凝土在这 些结构部位的使用具有明显优势， 可以解决核电建设中某 些部 位浇筑困难 、 难以振捣密实等问题 ， 保证 工程质量[ 2 1 。 出于获得 良好和易性的考虑 ， 白密实混凝土 的水泥 、 粉 煤灰和矿粉等胶凝材料用量一般较高 ， 在中低强度等级时 ， 实际强度往往会超出设计强度等级 1 - 2 个等级， 由此带来 其 自生 、 干燥 和温度体 积变形 显著上 升 ， 严重影 响了混凝 土结构的抗裂性 。 尤其在核 电工程 中 ， 混凝 土结构钢筋 收稿 日期 ：2 0 1 3 — 0 9 — 0 3 l 5 4 密度较高 ， 特别是安全壳部分 ， 高密度布筋对混凝土材料 产生较 多的约束 ， 将进一步增大收缩开裂风险 。 因此 ， 如何 在保证 自密实混凝土 良好工作性能 的前提下 ， 尽可能降低 其胶凝材料用量 ， 对于保障核电工程安全具有十分重大的 现实意义 。 本研究 以某核电工程 C 3 5中等强度等级 自密实 混凝土为例 ， 依据台湾科技大学黄兆龙教授基于致密堆积 模型的“ 优生混凝土” 技术路线 ， 设计 了低胶凝材 料用量的 配合 比， 并取得了初步应用嘲 。 1 原材料与试验方 法 1 ． 1 原材料 ( 1 ) 水泥 ： 核电工程 由于其特殊性 ， 所用原材料相 比于 一 般工程要求较高。 对于水泥而言 ， 不但要求使用较少的矿 物掺合料 ， 水泥成分稳定 ， 而且要求熟料成分都应稳定 。 故 此 ， 综合降低大体积混凝土水化热 的考虑 ， 工程选用某水 泥厂 P I I 4 2 ． 5 级核 电专供硅酸盐水泥 ， 其物理性能 如表 1 所示。 ( 2 ) 粉煤灰 ： 粉煤灰取代部分 水泥可以提高 自密实 混 凝土水粉体积 比， 并与水泥颗粒形成 良好 的级配 ， 使混凝 表 1 水泥物理-眭能 土易于获得适宜 的工作性 能 ； 同时可以降低混凝土收缩和 温升 ， 提升其体积稳定性 。 工程选用某 电厂 I 级粉煤灰 ， 其 物理性能如表 2 所示 。 对其性能影响较大 。 为保证品质稳定性 ， 工程集料就地取材 ， 均采用当地花岗岩破碎 ， 表观密度 2 6 5 0 k g ／ m 3 o 关于细集料 砂 的筛分析结果如表 3所示 ， 细度模数 为 2 ． 8 ， 其余性能指 ( 3 ) 砂 ： 自密实混凝土的砂率一般较大， 因而砂的性质 标应符合现行国标 G B ／ T 1 4 6 8 4 --2 0 1 1 《 建筑用砂》 的要求。 表 2粉煤 灰物 理性 能 表 3 砂的筛分析 ( 4 ) 石 ： 粗集料对 于 自密实混 凝土 的力学性能 和耐久 性非常重要 ， 选择时必须注 意集料 的品种 、 尺寸 、 级配等。 工程选用 5 ～ 2 0 mm连续级配花岗岩破碎碎石， 控制针片状 含量小于 1 0 ％， 其级配如表 4所示， 其余性能应符合现行 国标 G B ／ T 1 4 6 8 5 --2 0 1 1 《 建筑用卵石、 碎石》 的要求。 表 4 粗集料级配 ( 5 ) 外加剂 ： 化学外加剂 的发展对促进 混凝 土技术 的 进步起到了非常大 的作用 ， 聚羧酸高效减水剂 因其减水率 高 、 拌合物工作性损失小 、 混凝土强度增长快等优点 ， 十分 适合 于配制 白密实混凝士 ； 同时 ， 为解决低 胶凝材料用量 下拌合物强分散性 、 大流动性与良好的抗离析稳定性 、 间隙 通过性之间的矛盾 ， 削弱原材料 品质波动可能带来 的影响， 还需添加能够与聚羧酸 高效减水剂稳定共溶 的增 稠剂 。 试 验选 用了江苏博 特新材料有限公司产 P C A — I 型高效减水 剂 ， 复合 了减 水 、 保坍 、 增稠及 引气 、 消 泡等组分 ， 适 用 于 配制 中低胶材 白密实混凝 土 。 其 总体性能满 足现行 国标 G B 8 0 7 6 --2 0 0 8 ~ 混凝土外加剂》 的要求。 1 ． 2试 验 方 法 自密实} 昆 凝土搅拌过程中的加料顺序参考 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ~ 自密实混凝土应用技术规程》 的相关规定， 即先投入 细集料 、 水泥及掺合料搅拌 2 0 S 后 ， 再投入 2 ／ 3的用水量 和粗集料搅拌 3 O S 以上 ， 然后加人剩余水量和外加剂搅拌 3 0 S 以 上。 当在冬季施_T时 ， 应先投入集料和全部净用水量 搅 拌 3 0 S 以上 ， 然后再 投入胶凝材料搅拌 3 O S 以上 ， 最后 加外加剂搅拌 4 5 S 以上。 出料后 ， 立 即进行 自密实混凝 土拌合物密度 、 扩展度 、 T 5 0 流动时间、 v型漏斗流出时间以及 u型仪填充高度的试 验 ， 并成型测试强度 、 弹性模量和氯离子扩散系数的试件。 2 依据致密堆积模型的 自密实混凝土配合比设计 2 ． 1 致 密堆积 系数 O t 和 的确定 致密堆积系数 和 分别表示粉煤灰填充砂 的最大 单位重 比例 以及粉煤灰 、 砂混合体填充石子的最大单位重 比例。 从材料堆积理论讲 ， 密度小的材料填充密度大的材料 ， 其 曲线会表示为一个具有最大值的抛物线形式 图。 致密堆 积系数 和口正是依据这一理论得到的旧 。 不同粉煤灰以 及粉煤 灰和砂取代量下紧密堆积的单位重如冈 】 所示 。 如图 1 所示， 不同取代量粉煤灰填充砂， 以及不同取 代量粉煤灰 、 砂混合体填充石子得到的堆积物堆积密度 变 化趋势呈抛物线型 ， 适宜 的取代量下 ， 有最大值 出现。 粉煤 灰填充砂 的最佳取代 比例为 _ 0 ． 1 3 ， 粉煤灰 、 砂混合体填 充石子 的最佳取代 比例为／ 3 = 0 ． 5 2 。 - 、 g ＼ 1】斑 】] ：扭 L 吕 、 1 】正 】】 趔 取 代 比 例 ／ ％ 图 1 不同粉煤灰以及粉煤灰和砂取代量下紧密堆积的单位重 2 ． 2水泥浆体体 积 系数 n的确定 水泥浆体体积系数 ／7 , 表示实际使用 的水 泥浆体体积 与粉煤灰 、 砂 、 石子 紧密堆积状态下残留空 隙体积之 比 ， 即 实际使用的水泥浆体体积为残留空隙体积与润滑浆体体 积之 和。 在致 密堆积系数 和 确定的前提下 ， 考察水泥 浆体体积系数 n的影响。 同一水胶 比下 ， ／ Z 值降低 ， 水泥用量 、 用水量 、 水 固比都 会减小， 集料的用量则会相对增加 ； n 值提高 ， 情况相反。 n 值 的降低 可以减少水泥等胶凝材料的用量 ， 但是会影响混凝 土的工作性和强度 ， n 值过大 ， 则对体积稳定性不利， 经济效 1 5 5 益也会变差 。 因此 ， 需要找到合适 的 n 值 ， 以获得相关性能 的平衡点 。 试验中， 固定水胶比为 0 ． 3 8 ， 配合不 同的浆体用量 ， n 取 值 1 ． 0 0 ～ 1 ． 6 0 ， 在保证新拌混凝土自 密实工作性的前提下， 寻 求尽可能小 的 n 值 ， 进而确定适宜 的低胶材用量 自密实混 凝土配合 比。 研究发现 ， 为获得必要的 自密实工作性 ， 辅 以外加剂 进行调节 ， n 取值最低为 1 ． 4 5 ， 此时混凝土拌合物浆集 比适 宜。 在此基础上， 确定自密实混凝土配合比并测试其相关工 作性能 、 力学性能和耐久性 。 2 ． 3 获得 的 自密实混凝土性能 应用致密堆积方法得到的自密实混凝土配合 比如表 5 所示 ， 胶凝材料用量仅为 4 2 0 k g ／ m 3 o 依据该配合 比得到的 自 密实混凝土工作性能 、 力学性能和部分耐久性能试验结果如 表 6 所示 ， 可以很好地满足施工的各项需求， 并在该核电工程 模拟筏基一7欠f 生 浇筑的实体结构试验中初步应用， 效果 良好。 表 5’自密实混凝土配合比 表 6自密实混凝土性能 3 结 论 体结构试验中初步应用， 取得良好效果。 针对第三代核电工程 A P 1 0 0 0 技术对混凝土的特殊要 求， 在对工程使用原材料性能分析的基础上， 采用致密堆 积方法设计了低胶凝材料用量 的自密实混凝土配合 比。 该 配合 比确定 了粉煤灰对砂的取代 比例为 0 ． 1 3 ， 粉煤灰 、 砂混 合物对石子 的取代 比例为 0 ． 5 2 ， 这一 填充状 态下粉煤灰 、 砂、 石体系获得最大单位重。 使用水泥浆体填充体系剩余空 隙， 并在配合高性能化学外加剂的基础上， 确定保证混凝 土自密实工作性的适宜润滑浆量， 水泥浆体体积系数取为 1 ． 4 5 。 使用这一配合 比设计的 自密实混凝 土在显著降低 了 胶凝材料用量 ， 保障大体积混凝土体积稳定性 的同时， 具有 良好的工作性能 、 力学性能和耐久性能 ， 完全满 足相关标 准以及施工方要求 ， 在核电工程模拟筏 基一次性浇筑 的实 上接第 1 5 3页 态混凝土后期的磷净化效果下降， 但赤泥添加后对生态混 凝土的磷净化效果依然存在 。 参 考 文献 ： 【 1 】刘荣桂 ， 吴智仁 ， 陆春华 ， 等． 护堤植生型生态混凝土性能指标 及耐久性概述I J 1 ． 混凝土 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 1 6 — 1 9 ． [ 2 】胡勇有 ， 胡春明 ， 谢磊 ， 等 ．植 生型生态混凝土孔隙状态对植物 生长的影响f J 1 ．华南理工大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 2 ) ： 5 ． 【 3 】雷丽恒， 刘荣桂， 颜庭成， 等． 用于透水性硬化路面的生态混凝 土的开发研究『 J i ． 混凝土， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 1 4 — 1 7 ． 【 4 】陈庆锋 ， 单保庆 ， 尹澄清 ， 等． 生态混凝土在改善城市水环境中 的应用前景f J } ．中国给水排水 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 2 ) ： 1 5 - 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5 1 6 ． 『 1 7 1 F AU L KN ER S P， R I C HARD S ON C J ． P h y s i c a l a n d c h e mi e a l c h a r a c ～ t e r i s t i e s o f f r e s h wa t e r w e t l a n d s o i l s f J ] ． C o n s t ruc t e d W e t l a n d s f o r Wa s — t e wa t e r T r e a t me n t ： Mun i e i pa l ， I n d us t r i a l a n d Ag r i c u hu r a 1 ． Ch e l s e a Mi - e hi g a n： L e wi s Pu b l i s h e r s。 1 9 8 9： 41 — 7 2． 『 1 8 ] J O HANS S O N L， GU S T AF S S ON J P ． P h o s p h a t e r e mo v a 1 u s i n g b l a s t f u r n a c e s l a g s a n d o p o k a — me c h a n i s ms [ J ] ． Wa t e r R e s e a r e h， 2 0 o o ， 3 4 ( 】 ) ： 2 5 9 — 2 6 5 ． 『 1 9 ] R E DD Y K R， D A NG EL O E M．S o i l p r o c e s s e s r e g u l a t i n g w a t e r q u a l i — t y i n w e t l a n d s [ C ] ／ ／ Mi t s e h， W．J ． e d i t o r ． G l o b a l we t l a n d s ： o l d w o r l d a n d n e w．Ams t e r d a m， Th e Ne t he r l a n d s ， 1 9 9 4： 3 0 9 -3 2 4 ． 『 2 0 ] NU RD OGA N Y， OS WA L D W J ．En h a n c e d n u t r i e n t r e n l o v a l i n h i g h — r a t e p o n d s I J ]． Wa t e r S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ， 1 9 9 5 ， 3 1 ( 1 2 ) ： 3 3 _ 4 3 ． 作者简介 ： 胡春明( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 博士 ， 研究方向 ： 生态工程技术的 研究及农林水利类项目环境影响评价。 联系地址： 北京市海淀区双 清路 1 8号 中国科学院生态环 境研 究中~X l O O O 8 5 ) 联系电话 ： 1 3 8 1 0 7 5 4 6 4 9