硅石牺牲混凝土配合比研究.pdf

3 6 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 6卷第 1 期 2 0 1 5年 1 月 v o 1 4 6 No 1 J a n 2 0 1 5 硅石牺牲混凝土配合比研究 王 龙 ，石 亮 2 ( 1 中国核工业华兴建设有限公司 ， 5 2 9 2 2 8 ， 广东台山； 2 江苏省建筑科学研究院有限公司，高性能土木工程材料国家重点实验室 ， 2 1 0 0 0 8 ，南京 ) 摘要：硅石牺牲混凝土可减少堆芯残骸与混凝土反应的危害性，保证我国核电站的安全运行。结合台 山核电站实际情况，通过确定原材料、设计配合比，可配制出符合技术规格及相关标准要求的硅石牺牲混凝 土。经 邑 测试试验验证，该混凝土性能满足施工技术要求。 关键词：堆芯熔融物和混凝土反应 ；硅石牺牲混凝土；含水率；配合比 中图分 类号 ：T U 5 2 8 文献标 志码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 3 6 0 4 RES EARCH OF S I LI CA S ACRI FI CE CoNCRETE M I X PROPORTI ON W ANG L on g ，SHI Li a n g f 1 Ch i n a Nu c l e a r I n d u s t r y Hu a x i n g C o n s t r u c t i o n C o L t d ，5 2 9 2 2 8 ，T a i s h a n ，Gu a n g d o n g ，Ch i n a ；2 J i a n g s u Re s e arc h I n s t i t u t e o f Bu i l d i n g S c i e n c e ，S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hi g h P e rf 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 ，2 1 0 0 0 8 ，Na n j i n g ，C h i n a ) Abs t r a c t ： S i l i c a s a c r i nc i a l c o n c r e t e c o u l d r e d u c e t h e h a r mf u l ne s s c a us e d b y r e a c t i o n be t we e n r e s i d u a l r e a c t o r c o r e a n d c o n c r e t e a n d p r o t e c t s a f e o p e r a t i o n o f d o me s t i c n uc l e a r p o we r s t a t i o nBa s e d o n t h e p r a c t i c a l c o n d i t i o n s o f T a i s h a n Nu c l e a r P o we r P l a n t ， s i l i c a s a c rific i a l c o n c r e t e s a t i s f y i n g t e c h ni c a l s p e c i fi c a t i o n a n d r e l a t e d s t a n d a r d s c o ul d b e p r o d uc e d t h r o u g h d e t e r mi n a t i o n o f r a w ma t e ria l s a n d d e s i g n of mi x i n g p r o p o r t i o nPe r f o r ma n c e t e s t p r o ve s t h a t t he c o n c r e t e p e r f o r ma nc e s u c c e s s f ul l y s a t i s fie s t h e t e c h ni c a l r e q u i r e me n t s o f c o ns t r u c t i o n Ke y wo r ds ： M CCI r e a c t i o n；s i l i c a s a c rific e c o n c r e t e ；mo i s t u r e c o n t e n t ；mi x p r o p o r t i o n 核电发展在注重高效的同时，安全性也不容忽 视。我国引进的第三代核电站欧洲先进压水堆 ( 以 下简称 E P R) 吸取三英里岛与切尔诺贝利核安全事 故经验，在设计上做了很大改进 ，其最大的特点就 是增加了堆芯熔融物捕集器， 以防止在严重事故中， 反应堆堆芯熔融物熔化、穿透底板 ，造成核污染。 硅石牺牲混凝土和硅铁牺牲混凝土是堆芯熔融物捕 集器的重要组成部分，在反应堆极端事故时，堆芯 熔融物 和混凝土反应 ( 以下简称 MC C I 反应 )，吸 收放射性物质，降低温度，减小反应堆内压力 。 目前，世界上仅有少数国家成功配制出了牺牲混凝 土， 价格昂贵 我国牺牲混凝土的基础理论研究薄弱， 混凝土的关键配合比设计方法与制备技术长期被国 外垄断。 台山核电站项 目采用 E P R技术 ，堆芯熔融物捕 捉器牺牲混凝土的配合比设计与制备是实现我国核 电技术自主化、国产化的关键。本文以硅石牺牲混凝 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 1 0 -1 3 基金项目： 国家科技支撑计划 ( 十二五 ) 资助 ( 2 0 1 1 B A E 2 7 B 0 2 ) 作者简介： 王龙( 1 9 6 8 一) ， 男， 四川绵阳人， 工程师， 实验室主任， e m a i l ： wa n g U c g s 1 6 3 c o m 土研制为目 标 ，考虑牺牲混凝土的功能作用及设计要 求，从原材料选择、配合比设计及性能测试角度对硅 石牺牲混凝土的开发进行阐述 。 l 硅石牺牲混凝土功能作用及设计要求 1 1 硅石牺牲混凝土的使用部位 硅石牺牲混凝土的使用部位如图 1 所示。 图 1 硅石牺牲混凝土使用部位示意 1 2 硅石牺牲混凝土的功能作用 ( 1 ) 降低氧化阶段密度，转化构成堆芯熔融物 的氧化物和金属层。 2 0 1 5年 1月 王龙 ，等 ： 硅石牺牲混凝土配合比研究 3 7 ( 2 )氧化衬层的高反应活性成分，从燃料组件 和包壳中析出铀和锆锡合金。 ( 3 )降低衬层温度。 ( 4 ) 通过减少气体 ( H O和 C O ： ) 的产生来减 缓安全壳内压力的增加。 ( 5 ) 熔融物扩散期间对冷却结构进行热防护和 机械保护 。 ( 6 )于熔融物与冷却结构接触前，降低熔融物 温度。 ( 7 )延迟熔融物与冷却结构的接触。 ( 8 ) 利用混凝土分解释放的气体促进冲刷过程 中熔融物碎裂。 ( 9 )降低产生高能燃料冷却剂相互作用的潜在 可能性 。 ( 1 0 )吸收核裂变产物。 1 3 硅石牺牲混凝土设计要求 台山核 电站对硅石牺牲混凝土做出了严格的设计 要求，与普通混凝土不同，硅石牺牲混凝土时混凝土 含水率、C O ： 释放量、碳含量及抗侵蚀等级均有特殊 规定 ( 表 1 )。 表 1 硅石牺牲混凝土设计要求 流动宦 含水 容重 强 度 等 含水 CO 2释 碳含 抗 侵 蚀 n n 蛊 ( k g m ) 级 MP a 蛊 放量 量 等级 l 8 0 -a ： 3 0 8 2 1 0 0 2 4 0 0 C3 0 3 7 6 4 l XC1 2 原 材料 的选择 台山核电硅石牺牲混凝土原材料主要由水泥、 硅质骨料 ( 硅石、 硅粉、 粉煤灰 ) 、 水及外加剂组成 ， 原材料的性能指标对相关核电技术规范 3 及现有设 计经验均有严格的要求，原材料的选择需按要求执 行。 2 1 水 泥 水泥选用 P4 2 5硅酸盐水泥，满足台山核 电 站所用水泥的技术要求， 典洼能指标要求如表2 所示。 表 2水泥性能指标 水化热 抗 压 强 度 比表面积 S ， C 1 。 干缩率 ( k J k g) N 【 P a ( m2 k g ) ( u m m) 2 8 d 3 d l 7 d 3 d I 2 8 d 3 2 0 4 2 5 8 3 8 5 1 2 , 2 2硅 粉 硅石混凝土中硅粉也可作为硅质骨料引入 ，掺 量约为水泥用量的 5 l O ，其主要性能指标要求 见表 4 。 表 4 硅粉性能指标 总碱 比表面积 含水 需水 项 目 C l _ S i O 2 S O3 ( m2 k g ) 蛊 量比 含量 指标 0 O 2 8 5 2 O O 6 O 1 5 0 O O 3 5 0 0 0 1 1 2 5 要求 2 2 3 粉 煤 灰 硅石牺牲混 凝土宜选用 I级 F类优质粉煤灰作 为硅质骨料引入，主要性能指标如表 5 所示。 表 5 粉煤灰性能指标 碱含 安定性 需水 项 目 S i O 2 S O3 C l _ 细度 含水率 量 h i m 量比 指标 3 0 3 0 O 0 2 5 0 1 2 l 5 0 9 5 要求 2 2 4 骨料 最大粒径及分布 硅石牺牲混凝土骨料最大粒径不得大于 8 m m， 粒径分布应满足相关技术要求的规定 p ，具体要求如 图 2所示。 图 2 硅石牺牲混凝土骨料粒径分布 2 3 拌合水 硅石牺牲混凝土拌和用水的主要性能指标如表 6 所示 。 建筑技术 第 4 6卷第 1 期 表 6 拌合水性能指标 不溶物 可溶物 碱含量 初凝时间差 l 终凝时间差 项目 p H值 c r ( m s m) g o 42 ( mS L ) 抗压强度比 ( mg L ) ( ms L ) ( m L ) m1 n l mm 指标要求 2 0 0 0 5 0 0 0 4 5 1 0 0 0 2 0 0 0 l 5 0 0 3 0 l 3 0 饮用水配制强度的9 0 2 4 外加剂 硅石牺牲混凝土须采用高性能的聚羧酸外加剂， 其主要性能指标如表 7 所示。 表 7 外加剂性能指标 项 目 指标要求 减水率 ， 2 5 含气量 9 O 2 8 d 抗压强度比 1 3 0 泌水率比 ， 7 0 Cl O 1 2 8 d 收缩率比 ， l l 0 3 硅石牺牲混凝土配合 比设计 3 1 混凝土强度 M 混凝土的试配强度计算采用法国研究性试验强 度标准，须满足下述公式，且结果取大者 ( 试配强 度的数值单位为 MP a )。 E 2 8 +C E 一 ( C lm 一3 s o )+ 3 ； E1 2 2 8 式中 2 8 d 抗压强度试验结果的三份标准配料 的算术平均值 ； ： 2 8 d 抗压强度试验要求的特征值； C F 分析试验用水泥的 2 8 d 抗压强度； C = o 水泥使用前 6 个月内 2 8 d 抗压强度 试 验的平均数值 ； 测定 C m 数值的标准偏差。 经计算 ，取 4 6 MP a 作为试配强度。 3 2 混 凝土 材料 组成 按设计规定 口 ，硅石牺牲混凝土成分要求 ( 不 包含拌合水 ) 为水泥占干料重量 1 5 ， 硅质骨料 ( 包 括干外加剂和干掺合料 )占干料重量 8 5 。其中， 水泥为咬凝组分 ， 硅质骨料为紧急事故状态下的牺牲 组分。硅质骨料将所有含有 S iO 成分的不同颗粒级 配材料进行统一，粉煤灰、硅粉等 “ 干掺合料 ” 计入 硅质骨料质量；外加剂中可能含有 S i O 成分，烘干 后的 “ 干外加剂” 质量同样计人硅质骨料质量。 3 3 混凝土配合比计算 按相关规范要求计算得出如表 8 所示的硅石牺 牲混凝土理论配合比，其中，硅质骨料含量占硅质骨 料与水泥总量的 8 4 8 ，水泥含量占硅质骨料与水泥 总量的 1 5 2 ，符合上述规定。 表 8 硅石牺牲混凝土配合 比 ， k m 硅石 水 水泥 外加剂 粉煤灰 硅粉 0 4 ram 4 8 ram 1 5 O 3 3 0 8 4 6 l l O 3 0 l 0 9 0 6 l O 4 硅 石牺牲混凝土性能研究 4 1 新拌硅石牺牲混凝土性能 对表 8 计算得出的理论配合比在试验室及搅拌 站两种环境下进行验证，并进行新拌混凝土性能测 试 ，其坍落度、容重及新拌混凝土含水率试验结果 表 9 。 表 9 新拌硅石牺牲混凝土性能 配合比 坍落度 n u n 容重 新拌混凝土 类型 出机 3 0 ra i n 6 0 m i n 9 0 m i n ( k m ) 含水率 试验室 1 2 0 0 2 1 O 2 0 0 1 8 5 2 3 3 0 6 9 2 试验室 2 2 0 0 2 0 5 1 9 5 1 8 0 2 3 4 0 6 7 9 试验室 3 1 9 0 1 9 5 1 8 5 l 7 O 2 3 4 0 6 9 0 搅拌站 2 0 0 2 l 0 2 0 0 2 l O 2 3 2 0 6 8 8 从表 9 看出，试验室 3 组混凝土拌合物出机坍落 度均控制在 ( 8 0 3 0 ) n h n l 范围内，且 9 0 rai n 后的 坍落度也符合设计要求；混凝土拌合物容重最高为 2 3 4 0 k g m ，最低为 2 3 3 0 k g m ， 在设计范围内；新 拌混凝土含水率最高位 6 9 2 ，满足不大于 8 的要 求。采用理论配合比在搅拌站进行验证的混凝土拌合 物粘聚性 、保水性和流动生 仍然良好。 4 2 硬化硅石牺牲混凝土性能 对试验室及搅拌站制备出的硅石牺牲混凝土进 行 3 d 和 2 8 d 力学性能测试，试验结果如图 3 所示。 硬化硅石牺牲混凝土 3 d 抗压强度最低为 4 8 8 MP a ， 2 8 d 抗压强度最低为 8 1 0 MP a ，不但满足相关力学 陛 能的验收准则，且富余程度较高。 为验证 硬化后硅石牺牲混凝 土含水率是否满 足 小于 6 的要求 ，将新拌牺牲混凝土测定初始含水