田湾核电站水泥基灌浆料试验与应用

钱伏华，王开华，方辉煌，朱国栋

（1.中国核工业华兴建设有限公司，江苏　仪征　211900；2.中国核工业建设集团公司，北京　100037）

田湾核电站水泥基灌浆料试验与应用

钱伏华1，王开华2，方辉煌1，朱国栋2

（1.中国核工业华兴建设有限公司，江苏仪征211900；2.中国核工业建设集团公司，北京100037）

摘要：对灌浆料的成分、试验方法及施工养护工艺等方面的试验结果进行深入分析研究，并结合田湾核电站的设备基础灌浆的应用情况，对核电现场的几种灌浆料产生质量缺陷的原因进行分析，以选择适合于核电工程需要的高质量灌浆料以及适应施工条件的施工养护工艺。

关键词：核电站；设备基础；灌浆；模拟实验

1　工程概况

田湾核电站是我国目前装机容量最大的核电站，由两座核反应堆提供蒸汽动力给常规岛两台100万kW的发电机发电。在常规岛里配置了4台发电机组（两台工作，另两台备用)。这4台机组是安装在下装弹簧（长×宽×高＝12 m×5 m×3 m）的柔性混凝土机座上，在机座混凝土上埋螺栓。发电设备安装后，需要用无收缩灌浆料把螺栓与设备基础固定处填充密实后，用灌浆料将设备基础和柔性机座连在一块，形成一个整体机座。安装后的设备基础，应能抵挡住发电机工作时产生的动荷载，不产生开裂。

在该基础施工中，灌浆料的产品质量、灌浆料的施工工艺和养护方法是影响设备基础的关键因素。在田湾核电站工程施工中，大中型设备和小型预埋件很多，很多设备在工作时，都会产生动荷载，故对设备基础的安装要求很高，要求使用无收缩灌浆料对基础进行灌注。其中设备基础、地脚螺栓孔、钢结构基础以及预埋件下孔洞缝隙等处都需采用水泥基补偿收缩灌浆料进行灌浆。灌筑后的浆体需完全填充孔洞或缝隙，硬化后的浆体不允许有空洞、大气孔及裂缝等缺陷。因此，灌浆料的质量和灌注、养护方法直接影响设备基础的质量。

2　工程中遇到的质量问题

田湾核电站施工单位很多，负责核岛、常规岛的单位就有四家，在常规岛发电机的安装中，第一台发电机基础安装后，发现了如下质量缺陷：灌浆料硬化后表面有很多不同方向的裂纹，最长达1 m，宽0.5 mm，深1 cm。经专家论证，不修复会产生颠覆性危害。预埋件与设备基础之间，填充不够密实，有0.5 cm高度的缝隙没有填实，这在设备基础安装中是不允许的，被定义为质量事故必须补灌密实。业主和监理方将这一事故上报给国家核安全局，由其组织专家组进行论证，得出的结论是部分区域必须推倒重来，这就给业主和施工单位造成很大的经济损失，既耽误了工期，又影响了企业形象，施工单位在整个施工现场被通报批评。常规岛汽轮发电机安装出现质量问题后，受业主委托，对用于核电现场的灌浆料产生质量缺陷的原因进行分析，并选择适合核电工程需要的高质量灌浆料以及适应施工条件的施工养护工艺。

3　现场使用的几种灌浆料的膨胀机理和性能试验

3.1灌浆料的膨胀机理

田湾核电站主要使用了甲、乙、丙三种灌浆料，是三个厂家生产的不同产品，分别被三家施工单位应用于核岛和常规岛。常规岛第一台汽轮机基础灌浆出现问题后，施工单位通过查找有关资料并与生产厂家交流，弄清了这三种灌浆料的反应和膨胀机理。目前市场上灌浆料的膨胀机理有三种情况：第一种是掺某些金属，如金属铝，利用活性金属与水发生反应时产生气体，达到前期膨胀的目的。这种灌浆料的膨胀，主要发生在浆体的塑化阶段，前期膨胀较快，但会使灌浆料的早期强度降低，田湾核电站使用的乙料和丙料就属于此类。第二种是掺入一定的钙盐，与水泥和水反应后，产生钙矾石达到膨胀的目的，这种灌浆料的膨胀主要发生在浆体硬化阶段，在后期产生膨胀，此类灌浆料一般强度较高，容易产生裂纹，施工时对养护条件要求严格，田湾核电站使用的甲类灌浆料就是此类。第三种是前两种的复合型，但膨胀尺度不好把握，市场上基本不使用此类型。

3.2灌浆料的性能试验

3.2.1按国标GBJ 50119对甲、乙、丙三种灌浆料的试验和分析

目前建材行业，水泥基补偿收缩灌浆料品种多、质量差异大，选择满足工程要求的灌浆料是保证工程质量的前提。田湾核电站使用的三种灌浆料性能比较如表1所示。

从试验结果来看，几种灌浆料的流动性、3 d抗压强度、28 d抗压强度均满足要求，但乙、丙料1 d抗压强度偏低，从后期强度来看，甲料后期强度比乙料和丙料后期强度要高出很多，这与灌浆料的各组分比例和用水量有关，下面要进一步进行论证。后期强度太高对设备基础来说，并不是一件好事，强度越高，脆性越大，越容易产生开裂。1 d的膨胀率甲料比乙料和丙料都小，这是由其反应机理决定的，上面已经进行了阐述，从流动度试验来看，甲料流动度虽然较大，但发现有板结现象，这主要是由于灌浆料中的保塌组分掺得过多所致，同时与用水量较少有关，给现场施工带来不便，不易搅拌均匀，并且容易产生裂纹。

在工程应用中，某单位使用的甲料在灌浆的早期，上表面即出现了贯通性裂纹，在受到剧烈振动或撞击表面时，硬化后的浆体还呈现片状剥离破坏。由于这些问题的出现，对已经灌制好的浆体不得不进行凿除或修补，这给工程带来了很大的损失。

基于此，本文对灌浆料的成分、试验方法及施工工艺等方面的试验结果进行深入分析，研究产生上述情况的原因并采取行之有效的方法，以避免此类质量事故的发生。

3.2.2灌浆料组分分析

试验分析，甲料中骨料含量为42%，该骨料主要为破碎花岗岩单粒级砂，细度模数为4.4；乙料中骨料含量为55%，该骨料主要为级配石英砂，细度模数为2.4；丙料中骨料含量为54%，该骨料主要为级配石英砂，细度模数为2.6。骨料筛分试验结果见表2。

表1　灌浆料性能比较表Table 1　Comparison of the performance of grouting materials

表2　灌浆料骨料筛分试验结果Table 2　Test results of sizing aggregate of grouting materials

从试验结果看出：甲料所含骨料主要为0.63 mm以上颗粒，颗粒级配差，孔隙率大，填充孔隙所需浆量多，其凝固硬化后收缩大，其骨料含量为42%，与乙、丙料相比相差10%，而且其水泥用量高、用水量还小，这也是其产生裂缝的原因之一；乙、丙料胶凝材料含量适中，骨料级配良好，这样的骨料级配，可以少用为使灌浆料加水搅拌后质量均匀而应加入的保塌组分，浆体不会板结，便于施工，并且这样的组分比例能有效地减小其后期的自身收缩，有利于设备基础的填充密实。

3.2.3灌浆料需水量

由表1知，三种材料在使用中，满足相同的流动度时，其需水量相差较大，这主要与其组分有关。从筛分试验可以看出，甲料中骨料少，胶凝材料多，但其用水量反而还小，为达到要求的流动度，就必须加入多的减水剂和保塌组分，这对灌浆料的质量是不利的，甲料由于其水灰比小，拌制浆体时需延长搅拌时间，且浆体黏性大，容易出现板结现象，不利于施工。乙料和丙料骨料和胶凝材料比例适中，用水量也比较适中，虽然强度不及甲料，但其他性能均优于甲料。

另外对1 d强度也不必有过高要求，如强度过高，厂家为了保证强度可能导致浆料中减水剂掺量过高或水泥用量过大，严重影响浆体拌合物性能或浆体耐久性能。核电工程对浆体强度无特殊要求，最终经综合考虑，1 d强度以不低于25MPa为宜。

3.2.4灌浆料膨胀性能的检验

由于各种灌浆料成分的不同，浆体的膨胀高峰时间与延续时间、膨胀率等有很大差异。因此各企业标准中对竖向膨胀率测定方法也不相同。目前竖向膨胀率的测定方法主要有以下三种：（1）国标GBJ 50119法；（2）国标GBJ 50119改进法；（3）试管法。国标GBJ 50119法统一了水泥浆体的试验方法，该法可测定浆体从塑性阶段至硬化后（保湿养护）的竖向膨胀变形。GBJ 50119改进法适用于浆体初凝后蓄水养护的浆体的膨胀值的测定。试管法测定了浆体与外界环境隔绝后的竖向体积变化。

对灌浆料分别按照三种试验方法进行1 d竖向膨胀试验，以对比各种材料在不同试验方法下的膨胀收缩情况，试验结果见表3。

从国标法测定结果来看，甲料在塑性阶段几乎不发生膨胀，在浆料初凝后膨胀开始增长，后期膨胀较大，持续时间长；乙、丙料的膨胀主要发生在塑性阶段，但乙料硬化后继续膨胀，丙料在后期膨胀较小。用国标改进法检测，由于浆料膨胀主要发生在前3 h，初凝后再测试膨胀，测得的膨胀率明显偏低，该法能客观地表明浆料在硬化后的膨胀收缩情况。用试管法测试时，由于试管口用油封闭，浆料泌出的水分只能被基料吸收，浆料后期呈现收缩。

表3　材料膨胀收缩情况表Table 3　Material swelling and shrinkage conditions

从膨胀开始时间和膨胀高峰值来看：甲料在塑性阶段的膨胀小，硬化后膨胀较大、膨胀持续时间长；乙料在塑性阶段膨胀较大，在硬化后膨胀持续增长；丙料在塑性阶段膨胀较大，3～5h膨胀达到高峰，之后慢慢趋于稳定。

表4　比长仪测定浆体自由膨胀结果Table 4　Measurement of grout free expansion with comparator

4　灌浆料现场施工工艺的论证

用比长仪测浆体在硬化后期不同养护条件下的自由膨胀，以选择适合工程要求的养护方法。

试验结果表明（见表4），甲料在塑性阶段膨胀很小，但在后期的湿养护或蓄水养护的条件下，却产生较大的膨胀且膨胀时间延续至28 d才趋于稳定，甲料配制的浆体必须保湿（或蓄水养护）不少于14 d。乙料由于膨胀时间过早，使用时搅拌量不宜过多，一般应在搅拌后30 min内浇灌完毕，在浆体初凝后应立即保湿养护。

一定时间内，在保湿或蓄水养护时，浆体持续膨胀，一旦停止养护则显著收缩。浆料宜采取蓄水养护（不少于7 d）或不少于14 d的湿养护。尤其甲料如不加强后期养护，其收缩更大。另外可能由于浆料组分的不同，其竖向膨胀高峰出现时间与稳定时间也有很大差异，这一点也必须引起重视。研究表明，水养7 d膨胀率接近最大膨胀值，28 d后基本不再膨胀；保湿养护时膨胀持续时间要长些，见图1和图2。自由膨胀率对限制膨胀率有一定影响，为了保证补偿收缩浆料的性能，自由膨胀率不能过大。图1为养护条件对限制膨胀率的影响（图中系列1为试件用塑料薄膜包裹；系列2为试件湿养护；系列3为试件水中养护）；图2为保湿养护7 d置于空气中的自由膨胀率情况。

图1　养护条件对限制膨胀率的影响Fig.1　Impact of curing condition on confined expansion ratio

图2　养护条件对自由膨胀率的影响Fig.2　Impact of curing conditions on free swell

5　模拟试验

为了更进一步了解浆体的实际流动性、硬化后气孔状态以及填充密实情况，按照现场的典型施工条件对三种浆料进行模拟试验。模拟试验采用现场模板拼装的试验模，模板间缝隙用黄油粉煤灰胶泥密封以防漏浆，上表面用玻璃做上模，便于观察浆体情况，见图3。

图3　模拟试验模板拼装模型图Fig. 3　Illustration of template model for simulation test

试验结果发现：在流动度相同时，三种浆体都能很好地填充密实试模空腔。浆体底面平滑光洁、棱角完整，但甲料表面气泡较多，最大气泡直径达30 mm，丙料表面也有较多小于5 mm气泡，乙料表面最好。在28 d对试验块件进行钻孔试验发现，甲料内部空隙率较高，其他两种浆体内部密实、空隙率小。另外甲料脆性大，在受到碰撞易破坏。这与现场出现的情况相一致。

从模拟试验可以看出，三种灌浆料的表面都有不同程度的气泡，为了解决该问题，可以在灌浆料填充部位，放置柔性拉条，如布条、包装带等。浆体灌注完成后，立即顺着一个方向来回拉动，以赶匀浆体，可使表面气泡减少。如果设备基础需要灌浆的体积较大，可以在灌浆料灌注过程中，加入一定的豆石或蛭石，但最大加入量不得超过灌浆料的10%，来填充一定的空隙，这样可以减少灌浆料的用量，减少因灌浆料收缩或膨胀而引起的裂缝。通过模拟试验，证明这两种方法是避免出现气泡和裂缝的有效方法。

另外，在不同的养护条件下，用保湿或蓄水养护7 d以上浆体表面无裂纹，但不养护时，甲料在24 h后表面即出现干缩裂纹，之后裂纹有扩展之势。一般来说，对前期出现微裂纹的砌体如及时湿养护或蓄水养护，由于膨胀效果一些裂纹会自愈。

以上试验研究分析，甲料中胶凝材料含量偏高，骨料级配差，早期强度过高，另外其养护要求高，浆体在后期失水极易出现收缩。这些问题是导致施工后因碰撞易发生脆性破坏而产生严重收缩裂缝的原因。经过最后选择，因乙料优于其他两种而被用于核电工程。工程实践证明，用乙料灌筑的基础或填充块体，各方面质量均满足核电站要求，受到俄方专家的一致认可。

漂泊无定的怅惘之情和对悲苦人生的深沉感触，使得诗人无限怀念早年在家乡隐居的快乐生活。马戴对故乡有着婴儿般的眷念，在外羁旅，仕举不第使得诗人无时无刻都想回到家乡的怀抱。在路上逢家乡故人，相思之泪奔涌而下，《岐阳逢曲阳故人话旧》：“客泪翻岐下，乡心落海湄。”[5]虽极尽夸张，客居他乡之泪飞翻岐阳山下，但足可见诗人一派赤诚，乡心归向东海之滨的曲阳之切。

6　工程应用情况

田湾核电站两台100 kW级核电机组，有几千台件设备需要安装，需用的灌浆料有上千吨，在第一台汽轮机安装出现质量事故后，现场采取了上述施工工艺和养护方法等措施，加强了各方面的管理，在其后的施工中，未出现一起安装质量事故，工程质量完全满足了技术规格书的要求，保证了工程的质量和进度，赢得了业主和监理单位的一致好评。

7　结论

（1）关于灌浆料进场验收试验方法：灌浆料进场验收的流动度和强度测试按国标GBJ 50119规定进行。膨胀率试验方法的不统一，将导致各种灌浆料试验结果的不可比性，因此，需要用多种方法测定浆料膨胀率以综合评定其膨胀性能。在无相应国家标准的情况下，可依照冶金部标准。

（2）关于灌浆料的质量控制：灌浆料中骨料含量低于50%时，由于浆体水灰比过小，浆体黏性大，其中空气也不易排出，易出现干缩裂纹或空洞等现象。根据现场使用灌浆料试验结果，整个施工现场统一使用乙料，对每批进场材料，都必须按3.2节规定的试验方法进行试验，确保每批进场灌浆料的质量。

（3）关于灌浆料施工方法：灌浆料的灌注方式，根据设备基础的形状、尺寸大小和深度，可选择自落式灌浆和压力灌浆，压力灌浆必须用专门的灌浆设备，并且要做模拟试验，编写施工方案，审批后方能执行。灌浆料水灰比低，失水时极易出现干缩裂纹，因此在浆体初凝后即可保湿养护（条件容许时，尽量在浆体终凝后蓄水养护），养护时间不宜少于14 d。

参考文献：

[1] GB 50010-2002 混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3] 吴中伟，张鸿直. 膨胀混凝土[M]. 北京：中国铁道出版社，1989.

[4] 何廷树，宋学锋，詹美洲. 膨胀剂对免振自密实混凝土性能的影响[J]. 长安大学学报（自然科学版），2003.

中图分类号：TL37

文献标志码：A

文章编号：1674-1617（2009)03-0224-06

收稿日期：2009-02-09

作者简介：钱伏华（1971－），男，宁夏中宁人，研究员级高级工程师，现在中国核工业华兴建设有限公司从事核电工程建设研究。

Experiment and application of cement-based grout material in Tianwan NPP

(QIAN Fu-hua1，WANG Kai-hua2，FANG Hui-huang1，ZHU Guo-dong2)
(1.China National Industry Huaxing Construction Co. ，Ltd.，Yizheng of Jiangsu Prov. 211900，China；2.China Nuclear Engineering and Construction Corporation，Beijing 100037，China)

Abstract:The grout materials test results of composition， test methods and construction curing process are studied deeply， and the causes for the quality defect of several grout materials at Tianwan Nuclear Power Plant site are analyzed combined with the applied situation of equipment foundation grout pouring， so as to choose high quality grout materials necessary for nuclear power project and suitable curing process to meet the requirement of construction condition.

Key words:nuclear power plant； basis of equipment； grouting； simulated experiment