核电厂特种混凝土的施工技术

王开华（1. 南华大学，湖南 衡阳 421001；2. 中国核工业建设集团公司，北京 100037）



核电厂特种混凝土的施工技术

王开华1，2
（1. 南华大学，湖南 衡阳 421001；2. 中国核工业建设集团公司，北京 100037）

摘要：核电厂的特种混凝土包括：重混凝土、蛇纹石混凝土、层状、多孔排水混凝土和底板大体积混凝土等。这种特殊的混凝土可起承重、抗压和屏蔽射线的作用。文章针对特种混凝土的特点、原材料的选择、级配参数等事项做一研讨，其目的是供未来建造核电站参考。

关键词：核电厂；重混凝土；蛇纹石混凝土；多孔混凝土；底板混凝土

CLC number： TL37 Article character： A Article ID： 1674-1617（2016）01-0051-06

核电厂特种混凝土包括重混凝土、蛇纹石混凝土、层状排水多孔混凝土、大体积底板混凝土等。

1 重混凝土

1.1 重混凝土的特点

重混凝土也称屏蔽混凝土。核反应堆所产生的射线有α、β、γ射线、中子及质子流等，其中γ射线穿透能力强。γ射线尽管有很强的穿透能力，但密度大的物质能屏蔽γ射线，如用于核电厂的重混凝土就可以屏蔽γ射线。

重混凝土虽然能屏蔽射线，防治核辐射，但骨料容重较大，易产生离析，使结构中骨料分布不均匀，故在施工中要严格控制混凝土下灰自由高度，如浇注高度大于1 m时必须用溜槽或串桶，防止混凝土离析；另外重混凝土对模板所产生的侧压力比普通混凝土大，模板支设前要按重混凝土的容重进行计算配模，保证模板具有足够的强度和刚度，还要严格控制振捣时间，防止过振使重骨料产生下沉，振捣时间一般15 s左右。重混凝土位于内部结构的钢筋密集处时难以振捣，故需配制坍落度较大的重混凝土，以适应密集钢筋处的混凝土浇注。

1.2 材料的选择

重混凝土的骨料一般选取赤铁矿或重晶石。经实验，用200 mm×200 mm×200 mm混凝土试件、48 h的表观密度是：如选用赤铁矿，则≥3 450 kg/m3；若选用重晶石，则≥3 500 kg/m3。水泥用量均在300～375 kg/m3，混凝土圆柱体28 d的抗压强度≥35 MPa；屏蔽中子混凝土中规定了褐铁矿砂和硬硼钙石粉的量，要求水泥用量不大于375 kg/m3，坍落度不大于150 mm，无需强调混凝土强度指标。

1.3 选择的配合比

1.3.1 重混凝土配合比的有关参数

重混凝土是屏蔽γ射线的，混凝土的密度越大、越密实，屏蔽的效果越好，因此在配合比设计时，首先考虑混凝土的表观密度和密实度，其次再考虑强度和搅拌工艺。

最初由于对重晶石缺乏实践经验，是通过容重法计算出配合比，找出外加剂的最佳掺量、确定水灰比和测出混凝土的表观密度及空气含量，然后通过绝对体积法进行计算修正，确定其基准配合比，基准配合比的表观密度为3 710 kg/m3，其中水泥用量为350 kg/m3。在此基础上，按照技术规格书的要求做配合比的初步试验。

1.3.2 屏蔽中子混凝土配合比的有关参数

屏蔽中子混凝土填充在箱形的钢梁内起屏幕作用，不承载，所以不需要对强度指标提出要求，只要限定最低水泥用量，限定褐铁矿、硬硼钙石的用量和坍落度的最小值即可，所以在考虑配合比时主要是计算使高速中子速度降下来所需的含铁量，和使中速中子降下来能捉住慢中子，而不形成第二次γ射线的硼和吸收慢速中子的氢的含量。在初步试验中，采取350 kg/m3的水泥用量，又根据褐铁矿吸水率大和施工要求自流平密实的特点，不但选择了自流平混凝土化学外加剂，而且采用了先加部分水将骨料湿拌，使其吸足水，再加水泥、外加剂和余下部分水的搅拌工艺，充分发挥外加剂的作用。

1.4 重混凝土施工须注意的事项

重混凝土［1］一旦施工不好，达不到屏蔽作用，易造成泄漏污染。这不但威胁到整个核电站人员的生命安全，而且还波及周边的生物安全，其损失是无法估量的。因此施工时首先要编制材料加工、包装、运输工作程序，材料进场检验与保管发放工作程序，混凝土生产和质量检测及运输工作程序，混凝土浇注、振捣与养护工作程序。然后对参加施工的所有人员进行专门培训，使其了解和熟悉重混凝土的特点和各种工作程序。在施工中不但精心组织，而且还加强了技术监督。

2 蛇纹石混凝土

2.1 蛇纹石混凝土特点

蛇纹石混凝土也是屏蔽混凝土的一种，它容重大、化学结合水含量高，广泛用于长期在高温（最高达450 ℃）条件下工作的生物屏蔽结构的抗辐射材料。它是一种将黏结材料（硅酸盐水泥和水）和蛇纹石骨料（砂和碎石）的混合物硬化后得到的人工石料。

2.2 材料的选择

蛇纹石混凝土的骨料中不能含有杂物，洗净碎石中的粉尘、盐分、黏土颗粒和游离石棉纤维含量不宜超过2%；黏土块含量不宜超过0.25%。砂中游离石棉纤维的含量不宜超过0.5%。蛇纹石骨料中的成分SiO2不小于35.0%；结晶水含量不小于10.0%。蛇纹石骨料的比重不小于2.5 g/cm3；蛇纹石碎石的松散容重不小于1 460 kg/m3、紧密容重不小于1 670 kg/m3；蛇纹石砂的松散容重不小于1 280 kg/m3、紧密容重不小于1 560 kg/m3。

2.3 蛇纹石混凝土配合比及试验情况

蛇纹石防护混凝土［3］配合比设计基本上和普通混凝土一样，只是要优先考虑容重和化学结晶水的含量要求。在初步配合比试验阶段，在满足容重和化学结合水率的前提下，要根据现场施工要求和原材料情况试验在反复试验的基础上确定施工配合比，以下是田湾核电站蛇纹石防护混凝土配合比的试验情况（见表1）及碳化硼蛇纹石混凝土配合比（见表2）。

对表中配合比进行验证试验，在满足坍落度40～60 mm条件下，该配合比混凝土实测容重为2 390 kg/m3，烘干后干容重为2 290 kg/m3。实测容重满足不低于2 320 kg/m3。

表1 田湾核电站蛇纹石防护混凝土配合比的试验情况Table 1 Composition of serpentine concrete for Tianwan NPP

表2 碳化硼蛇纹石混凝土配合比Table 2 Composition of boron carbide serpentine concrete

2.4 蛇纹石混凝土施工注意事项

2.4.1 搅拌

蛇纹石混凝土搅拌时必需根据已确定的配合比进行配料，采用现场自动化搅拌机组搅拌，坍落度控制在（8±2） cm。搅拌时间应比普通混凝土时间延长。其投料顺序及搅拌时间宜设置为：加骨料搅拌10 s→加水泥搅拌15 s→加1/3水搅拌30 s→加剩余水搅拌60 s→出料。计量精度：水泥和水为±1%，骨料为±2%。

加铸铁粒和碳化硼的蛇纹石混凝土，加料顺序为：先加蛇纹石→铸铁粒和碳化硼搅拌2～5 min。

蛇纹石混凝土的运输采用混凝土搅拌运输车运输。

2.4.2 浇注

根据施工工艺，蛇纹石混凝土入模温度不低于15 ℃，蛇纹石混凝土浇注前，先将基面清理干净。浇注混凝土时应保证混凝土的均匀性并防止离析，混凝土自由下落高度不超过1 m。

蛇纹石混凝土应分层浇注，每层最大厚度应不超过150～200 mm，采用振捣棒振捣。

加铸铁粒和碳化硼的蛇纹石混凝土，是一种干拌料，施工时，用吊斗灌注到构件的空腔内，用钢钎插捣均匀。

蛇纹石混凝土浇注之后，混凝土终凝后表面应覆盖一层保湿材料，每昼夜应浇水三次养护，养护时间不少于7 d。

3 层状排水多孔混凝土

3.1 层状排水多孔混凝土的特点

核电厂核岛及一些重要厂房在基础底板设计了多孔混凝土层状排水系统，利用多孔混凝土的高渗透性能来减缓地下水对厂房基础的压力、以减小基础渗水和漂移的可能性，能有效降低钢筋混凝土基础的厚度。

层状排水系统主要由厚度超过300 mm的多孔混凝土层和其他附属层组成。一般多孔混凝土强度等级为C10，强度为9.6 MPa，渗透系数不小于600 m/d。但数量大，1个核岛的多孔混凝土量达2万m3。对于如此量大、性能要求高的多孔混凝土，在国内的工程应用中实属少见，其配合比设计、施工工艺都有相当大的难度。

3.2 原材料选择

3.2.1 水泥

多孔混凝土是骨料颗粒与水泥胶结而成的多孔堆聚结构。胶结料的活性、品种、数量是决定混凝土强度的关键因素，因此为了提高骨料颗粒与胶结料界面间的强度，宜采用强度高、活性大的硅酸盐水泥。

3.2.2 骨料

骨料是多孔混凝土的结构框架，为了提高与胶结料的粘结，宜使用碎石。骨料的粒径大小决定着骨料间的孔隙率和所配制的多孔混凝土强度。骨料粒径愈小，骨料间的孔隙率愈小，配制的多孔混凝土强度越高。骨料的强度、外观尺寸、含泥量等指标都影响着多孔混凝土的性能。通过大量试验数据分析，配制高强度的多孔混凝土，其碎石强度不宜低于60 MPa，针片状颗粒含量不宜大于10%，含泥量不宜大于1%，泥块含量不宜大于0.2%。

在骨料的选择试验中，通过对选用的10～20 mm、5～20 mm、5～16 mm和2.5～10 mm等几种不同规格的碎石作多孔混凝土骨料的试验结果分析，结果表明骨料粒径较大时，多孔混凝土强度低、渗透系数大；骨料粒径小时，多孔混凝土强度高、渗透系数降低。

结合工程技术要求（抗压强度不低于10 MPa、渗透系数不小于600 m/d），层状排水系统多孔混凝土宜选用最大粒径不超过10 mm的细碎石。

3.3 混凝土配合比试验

3.3.1 试验用原材料

水泥：525水泥，各项指标均满足国标规定。

碎石：2.5～10 mm（由2.5～5 mm和5～10 mm两种碎石按一定比例混合而成）。混合后其针片状颗粒含量3.8%、含泥量0.8%、泥块含量0。

3.3.2 施工配合比的确定

选择各种水灰比进行拌合物试验和混凝土性能试验，以确定满足技术要求的配合比。

由试验结果可知，当骨料最大粒径超过16 mm时，由于其孔隙率大，骨料比表面积小，所需水泥浆量少，多孔混凝土渗透性能好，但强度低，若仅靠增加水泥用量，其强度并没有显著增加且由于多孔混凝土内部浆体过多而流淌在多孔混凝土底部，严重影响了多孔混凝土的渗透性能，因此，配制较高强度的多孔混凝土易选用最大粒径不超过10 mm的细碎石；水灰比以水泥浆体刚好完全包裹住骨料且无多余浆体流淌为宜。

3.4 多孔混凝土施工注意事项

3.4.1 多孔混凝土的浇注

多孔混凝土施工工艺流程是搅拌、运输、布料浇注、养护和清理。浇注时可利用溜槽使混凝土溜入浇注区域，也可用吊斗由塔吊吊至浇注区域，由于无砂多孔混凝土和易性差因而不能用混凝土泵输送，将浇注区的混凝土用铁锹摊铺，达到设计标高后用铁锹整平，再用木抹子抹平，在转角处用插杆轻轻插捣。混凝土浇注应连续进行，如需停歇，停歇时间应尽量缩短，并保证在混凝土初凝前浇注完毕，间歇时间超过初凝时间则应按施工缝处理。多孔混凝土应分层浇注，每层不超过30 cm，拌和物自由下落度在1 m以内。

3.4.2 骨料粒径与级配

当骨料偏粗时，由于多孔混凝土内部孔隙较大，混凝土强度低；骨料偏细时，则又影响多孔混凝土渗透性。在水泥浆量一定时，骨料粒径越小，混凝土强度越高，渗透性降低。

配制高强度、高渗透性能的多孔混凝土，其骨料粒径不能过大，但小于2.5 mm的颗粒也不宜过多。经过多次试验分析，C10多孔混凝土宜采用2.5～10 mm碎石（可由2.5～5 mm和5～10 mm碎石按一定比例混合）。

3.4.3 多孔混凝土养护及其他

多孔混凝土采用覆盖洒水养护，即表面覆盖两层麻袋片，洒水保温，养护时避免养护水直接冲洗混凝土表面，混凝土浇注12 h 后，开始洒水养护，若是干热天气，8 h后即可养护，以避免过早失水，保持混凝土表面湿润，多孔混凝土的洒水养护不少于7 d，根据气候条件可适当调整。

多孔混凝土在质量控制上有一定的要求：如无松动石块及大的裂缝，基坑清洁无积水，浮土、淤泥、杂物等，水泥浆应均匀包裹骨料，无离析沉积现象，浇注后混凝土无较大孔洞，不密实缺陷，混凝土运输中应防止由于过于颠簸引起水泥浆沉积，产生离析，混凝土自由落下高度不易过高，一般不应超过1 m，混凝土表面应抹压平整。

另外，多孔混凝土渗透试验，渗透系数不小于600 m/d，混凝土抗压强度试验，28 d抗压强度应满足设计要求。

3.4.4 水泥用量和水灰比

多孔混凝土水泥用量偏高时，多余的浆体填充混凝土内部孔隙，影响多孔混凝土渗透性；水泥用量偏低时，骨料表面与水泥石界面黏结强度低。试验表明：在一定范围内，水泥用量越高，多孔混凝土强度越高，但渗透系数越小。

另外，水灰比高，浆体较多，浆体沿混凝土内部孔隙向下流淌，影响混凝土渗透性；浆体过少，又不能完全包裹骨料表面，影响混凝土强度。一般用下列方法判断多孔混凝土拌和物浆体的多少：将拌制好的多孔混凝土装满15 cm×15 cm×15 cm的金属模具，在振动台上振动5次后再让其在30 cm高度自由下落，以水泥浆体没向模底流淌为宜。

通常，多孔混凝土最佳水灰比在0.35～0.45。

4 核岛底板大体积混凝土

4.1 核岛底板混凝土的特点

核电站核岛区是由反应堆厂房、核燃料厂房、电气&连接厂房和核辅助厂房等组成，各厂房的基础是各自独立的钢筋混凝土整板，核岛底板落于基岩上，故底板混凝土厚、面积大，称为大体积混凝土。核电站核岛区各厂房的基础设计要求采用抗渗混凝土，有防水和密封性能要求，且混凝土强度要求高，一般核电站核岛底板强度等级为C45级混凝土，如果混凝土在凝结固化或使用过程中出现裂缝，这将会影响其整体性和密封性，进而影响厂房结构的安全性能，会增加环境污染和影响设备安全运行的风险。因而在整板基础的这种大体积混凝土施工中遇到的最大难题就是如何防止混凝土的各种裂缝的产生。故在施工中需强调以下事项：

1）选用低水化热水泥，减少单方水泥用量，控制混凝土入模时温度（尽量低于25 ℃）；

2）合理制订施工方案，依据混凝土分块的特征（形状、大小和厚度）在不影响结构强度和整体性的基础上人为地进行分块，利用工序的先后顺序分块施工，减小混凝土结构自身的束缚力，便于混凝土温度应力的早期释放；

3）做好混凝土施工缝的处理，保证振捣密实；

4）进行混凝土浇注后的温升计算和应力计算，根据计算模型制订混凝土养护方案；

5）在混凝土中预埋测温系统，监测混凝土降温速率，及时调整混凝土养护覆盖物层数、厚度，防止混凝土内外温差超过25 ℃，预防裂缝的产生。

4.2 原材料选择

底板大体积混凝土的水泥可选用525号普通硅酸盐水泥，要求3 d水化热≤250 kJ/kg，7 d水化热≤293 kJ/kg，砂、石含泥量分别小于3%和1%，石子最大粒径为31.5 mm（混凝土泵送管道直径为125 mm）；外加剂选用不含缓凝型高效减水剂，并通过添加粉煤灰，以降低水泥用量，改善混凝土的工作性能，混凝土配合比需经过试验室初步配制试验和可行性试验，证实能够满足规范要求后才能投入批量或规模生产。

4.3 核岛底板混凝土施工工艺

4.3.1 制定合理的施工方案

为了便于混凝土浇注后的自由收缩和温度应力的释放，确保底板的施工质量和预防混凝土裂缝的出现，施工前根据各厂房基础底板的特点，对各基础采取分别分层分段进行施工。通常厂房的底板分成上下2层浇注，上下层错开约1 m左右；反应堆厂房底板则分了5层，同一层又划分为多个浇注施工段，一般正中一施工段为圆形、四周为扇形环状分块。分层分段时充分考虑以下三点：

1）搅拌站的制冷能力及现场混凝土浇注能力，确定分块的混凝土量，确保混凝土入模温度≤30 ℃；

2）维持结构的整体性，突出施工的方便性，尽量少留施工缝，上下、左右施工缝之间应错开并前后搭接，要将施工缝设在结构受力较小处；

3）“留有间隙，跳仓施工”，让大体积混凝土有一自由伸缩的空间，以利于混凝土凝固过程中前期温度应力的释放。

4.3.2 混凝土浇注

混凝土入模温度不得超过30 ℃，从混凝土出机到入模的中间运输、停留时间累计不超过1.5 h；浇注时，布料设备下端的出料口距混凝土浇注面的距离（即混凝土的自由落高）不大于1.5 m；一般情况下，均采用水平分层浇注混凝土，分层厚度为50 cm；面积较大或混凝土一次浇注量较大时，应事先提交专项计划，合理配备劳动力，采用两台搅拌机同时搅拌、2～3套布料设备同时启用，通常采用斜向推移法浇注混凝土，混凝土浇注面坡度应为1∶4～1∶5，且混凝土振捣与布料方向均应自下而上进行。任何情况下不宜采用从混凝土堆顶部摊开的方法。应随浇随振捣，并在每层混凝土初凝前，盖上新鲜混凝土，直到顶部标高。

浇灌混凝土前，基层应再次清理，浇水湿润，并用压缩空气进行吹扫将多余积水排走。开始浇灌时，首先采用0.5～1.0 m3与新浇注混凝土成分相同的水泥砂浆（配合比中除去石子），以润滑混凝土泵送设备和管道，然后通过布料口将砂浆排放到垃圾斗中，待砂浆排尽、正常混凝土泵出时才能进行布料。

4.3.3 施工缝处理

水平施工缝在混凝土初凝后，终凝前由高压水枪产生的0.5 MPa以上的高压气水流冲洗，使其表面均匀地露出石子（5～8 mm）并及时清除冲洗的污水和水泥浆。

垂直施工缝采用800孔/m2细铁丝网做模板，在混凝土初凝后、终凝前用压力水冲刷铁丝网面，在混凝土终凝后3～5 h即可拆除铁丝网，并将松动的石子处理掉。

再次施工时应将施工缝表面的松动的石子或浮浆清理干净，并浇水湿润至饱和。

4.3.4 混凝土养护

一旦混凝土终凝变硬，养护工作立即开始。养护时间应符合设计和规范要求，持续地保持混凝土表面湿润。对于一般结构，在表面覆盖一层麻袋片，洒水使其保持湿润。对于水平结构，还可以根据情况可在四周设置临时围堰，采取蓄水养护。此时应特别注意，因水温相对总是较低而混凝土早期内部温度很高，容易在混凝土表面部分形成很陡的温度梯度，产生较大的拉应力，故若蓄水养护，一定要加强观察并注意调节好蓄水高度。

4.3.5 混凝土内部温度测量和降温速率控制

为了便于及时掌握混凝土的内外温度，控制内外温差不超过25 ℃，降温速率小于2 ℃/d，在某些混凝土施工段中埋设了一些测温点。混凝土终凝后开始测量其不同深度范围的内部温度，并利用测温结果，及时调整养护保温措施，以防止温度裂缝的产生。

参考文献：

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［3］ 王开华，范群喜. 核电建筑工程技术总结报告［R］.中国核工业建设集团公司，2005（12）.（WANG Kai-hua， FAN Qun-xi. Summary Report on Nuclear Power Construction Engineering Technology［R］. China Nuclear Engineering Group Corporation， 2005（12）.）

Discussion on Special Concrete Construction Technique for Nuclear Power Plant

WANG Kai-hua1.2
（1. Nanhua University， Hengyang of Hunan Prov. 421001， China；2. China Nuclear Engineering and Construction Corporation，Beijing 100037， China）

Abstract：The special concrete of the nuclear power plant include： heavy concrete， serpentine concrete， layered concrete， porous drainage and floor mass concrete， etc. This kind of special concrete can withstand weight， resist pressure and radiation action. Here a discussion is carried out for the characteristics of the special concrete， selection of raw materials， and gradation parameters， with an aim to make reference for future nuclear power plant construction.

Key words：nuclear power plant； heavy concrete； serpentine concrete； porous concrete； floor concrete

中图分类号：TL37

文献标志码：A

文章编号：1674-1617（2016）01-0051-06

收稿日期：2015-10-16

作者简介：王开华（1946—），男，安徽安庆人；研究员级高工，博士，现从事核电厂建造和铀资源研发工作。