C60石灰石粉高强混凝土配制技术

向 群

(中国核工业华兴建设有限公司,江苏 南京 210019)

0 引言

巴基斯坦卡拉奇核电厂二期工程采用中国自主三代核电“华龙一号”核电机组,设计的混凝土最高强度等级为C60。巴基斯坦工业水平相对落后,当地缺少粉煤灰、硅粉等掺合料,在没有掺合料的情况下,采用纯水泥配制C60混凝土的水泥用量达500kg/m3以上,高水泥用量增大了混凝土裂缝的控制难度,存在较高的质量风险。若从中国国内进口掺合料将增加经济成本,且海运的防潮、存储及运输周期存在不确定性,会影响整个工程项目的进展。

同属巴基斯坦境内已建的恰希玛核电C1～C4项目通过在混凝土配合比中添加石灰石粉降低水泥用量、改善混凝土的和易性,经过实际施工验证具有较好的效果,但恰希玛核电配制的混凝土最高强度等级为C40,且按90d强度进行配合比设计,而卡拉奇“华龙一号”核电要求C60混凝土按28d强度进行混凝土配合比设计。两者混凝土强度等级差别较大,配制难度也不同,同时国内外还没有采用石灰石粉配制C60高强混凝土的先例,能否通过掺加石灰石粉配制出满足要求的C60高强混凝土存在不确定性。

今后我国将陆续出口巴基斯坦“华龙一号”核电机组,因此,如何实现混凝土配合比的经济性的同时,又能满足混凝土施工质量,是亟需解决的问题。

1 工程概况

卡拉奇核电厂二期工程位于巴基斯坦信德省卡拉奇市(Karachi)西部阿拉伯海北岸边,采用中国自三代核电“华龙一号”核电机组,是我国出口到海外的“华龙一号”首堆工程,整个工程的混凝土总量约为100万m3,最高强度等级为C60,其中C60混凝土总量为16.4万m3、单次浇筑最大量约 1 100m3, C60混凝土使用部位为核岛的内外安全壳、APC壳结构等结构部位,该部位均为核电厂的核心关键部位。

1.1 混凝土原材料的性能和质量

巴基斯坦全国范围的水泥厂仅能生产42.5级硅酸盐水泥,水泥的28d平均抗压强度只有46MPa左右,强度富余度较低,当地水泥实际检测7d水化热为308kJ/kg,高于国内水泥的水化热(国内核电一般控制水泥7d水化热不大于293kJ/kg),混凝土前期的水化热较大,对裂缝的控制不利。

石灰石粉由大理石等石材研磨而成,巴基斯坦当地石料资源丰富,且有大量的石灰石粉加工厂,石灰石粉掺入到混凝土中可提高拌合物的流动性,改善混凝土的空隙结构,但石灰石粉是非活性掺合料,掺量需通过配合比试验进行对比分析确定。

混凝土所用的砂石骨料为项目砂石厂自制砂石,机制砂比河砂的吸水率大,混凝土配制用水量会增加,导致胶凝材料用量增加。

1.2 混凝土质量风险

“华龙一号”核岛C60混凝土使用部位结构尺寸大,其中外壳和APC壳厚1 800mm,且卡拉奇的平均气温达30℃以上,最高温度达46℃,高环境温度再加上高水泥用量,对混凝土施工与养护都非常不利,混凝土裂缝控制难度大,存在较高的质量风险。

1.3 混凝土的经济成本

项目前期进行了初步测算,若将粉煤灰或硅粉掺合料从中国国内进口到巴基斯坦,按照“华龙一号”2台机组C60混凝土总量近16.4万m3,至少需花费1 000万元左右,会大大增加混凝土的经济成本,提高造价。

2 C60石灰石粉高强混凝土配制及试验

2.1 C60石灰石粉高强混凝土配制

在巴基斯坦恰希玛核电站C40石灰石粉混凝土使用经验的基础上,通过在C60混凝土中掺加不同数量的石灰石粉进行相关配合比试验,检验混凝土的和易性和强度是否满足要求。卡拉奇核电C60混凝土相关要求为:28d立方体最小抗压强度不小于60MPa,最大水胶比为0.36,最小胶凝材料用量为380kg/m3。

现场材料中,细骨料为机制中砂;粗骨料为5～16mm,16～31.5mm 2种规格的机制碎石,以4∶6比例混合后,满足5～31.5mm连续级配碎石要求;水泥28d平均抗压强度仅为46.0MPa左右,强度富余系数较低。

2.1.1确定配合比试验混凝土配制强度

依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》第4.0.1条,配合比试验时的混凝土配制强度应不低于60×1.15=69.0MPa。

2.1.2初步确定用水量及水灰比

依据《普通混凝土配合比设计规程》第7.3.2条,结合以往经验初步选取砂率38%,用水量 160kg/m3, 水泥用量(450～500kg/m3,即水灰比0.36～0.32),再通过试验确定满足配制强度的水灰比。

在没有掺合料的情况下,实验室通过大量的试验分析,梳理汇总出满足强度要求的3个配合比(见表1),但只有配合比3的和易性基本能满足。

表1 不同水灰比下的28d抗压强度Table 1 28 day compressive strength under different water cement ratio

2.1.3确定最佳砂率

通过改变不同的砂率对比混凝土出机坍落度与和易性,确定混凝土中的最佳砂率,试验结果如表2所示,最佳砂率为37%。

表2 不同砂率下的混凝土拌合物性能Table 2 Performance of concrete mixes with different sand rates

2.1.4确定石灰石粉用量

在水泥用量、砂率、外加剂掺量等参数不变时,通过添加不同的石灰石粉用量对比混凝土性能和强度,然后选取最佳石灰石粉用量,如表3所示。

表3 石灰石粉用量对混凝土性能的影响Table 3 Influence of limestone powder content on concrete performance

由表3可知,以石灰石粉作为掺合料能改善混凝土的和易性,但随着石灰石粉掺量的增加,混凝土坍落度开始变小,强度降低较明显,其中配合比2最优,因此选择配合比2作为初步配合比。

2.1.5验证试验确定实验室配合比

经过上述试验后,对选定的初步配合比的经济性及混凝土和易性进行验证,从而确定混凝土配合比,试验数据如表4所示。

表4 混凝土配合比和易性验证Table 4 Verification of economy and workability of concrete mix proportion

由表4可知,在石灰石粉定量的情况下,随着水泥用量的增加,混凝土逐渐变黏,强度变大,经济性变差。最终对比确定配合比2为卡拉奇项目C60石灰石粉高强混凝土。

2.2 C60石灰石粉高强混凝土全性能试验

由于C60石灰石粉高强混凝土为首次使用,为充分验证混凝土的力学、热工、耐久性等指标,委托国内有资质的混凝土检测机构对C60石灰石粉高强混凝土进行全性能试验,如表5～7所示。试验证明该配合比全性能的各项指标均满足要求,也验证了C60石灰石粉高强混凝土的可靠性和科学性。

表5 混凝土物理力学性能试验Table 5 Physical and mechanical properties test of concrete

表6 混凝土热学性能试验Table 6 Thermal performance test of concrete

表7 混凝土徐变、干缩率、碳化等耐久性能试验Table 7 Durability tests and concrete creep, shrinkage, carbonization

3 C60石灰石粉高强混凝土经济性比较

为验证C60石灰石粉高强混凝土的经济性,与其他配制方式(不掺、单掺、双掺)的C60混凝土成本进行对比,所有配制的C60混凝土均满足设计要求。

混凝土配制分为不掺(纯水泥)、单掺 (粉煤灰、石灰石粉、硅粉)和双掺(粉煤灰和硅粉、粉煤灰和石灰石粉、硅粉和石灰石粉)的C60混凝土配合比,再根据混凝土中每种原材料的价格计算每m3混凝土的综合单价,其中水、水泥、砂石、石灰石粉在巴基斯坦当地采购,外加剂、粉煤灰、硅粉考虑从中国进口,C60混凝土各种配合比经济性如表8所示。

表8 C60混凝土各种配合比经济性比较Table 8 Economic comparison of various mix proportions of C60 concrete

由表8可知,粉煤灰和硅粉对混凝土单价影响大,尤其是硅粉对价格影响最大,配合比1～3掺加硅粉,综合单价最低的配合比3也比不掺活性掺合料的配合比6高125.6元;配合比4～5采用单掺粉煤灰,综合单价有所下降,但也比配合比6高近27.6元,综上,掺加石灰石粉的配合比6经济性最高。另外采用粉煤灰或硅粉需在搅拌站增加储存罐,初步统计每个机组增加1个500t储存罐,共计5个,共需500万元。

2台机组安全壳和APC壳C60混凝土总量近16.4万m3,采用掺加石灰石粉作为掺合料比掺加粉煤灰直接材料成本就要减少452.64万元,另外加上建设粉煤灰贮存罐的费用500万元,共节约费用952.64万元。

4 C60石灰石粉高强混凝土现场施工模拟试验

为了验证C60石灰石粉高强混凝土的施工性能、配合比是否满足卡拉奇高温条件下施工质量要求、泵送性能可靠性及混凝土成型后外观质量和裂缝控制等情况,进行现场施工模拟试验。

本次模拟试验选择在卡拉奇5月份高温季节,环境温度39℃,选用塔式起重机基础下平台(8m×8m×2m)混凝土浇筑代替模拟墙体进行测试,浇筑设备和管线也完全模拟安全壳混凝土浇筑过程,布料机高度为22m(浇筑半径28m)、泵管总长约260m,其中包括4个90°弯头和6个30°弯头。对混凝土施工从搅拌、运输、浇筑等全过程进行实际操作模拟试验,现场施工模拟试验布置如图1所示。

图1 现场施工模拟试验布置Fig.1 Layout of field construction simulation test

4.1 试验过程及分析

对随机12车混凝土的出机坍落度和温度、入泵坍落度和温度进行测定和记录,其中10车按正常的浇筑速度卸料、另外2车离站时间与开始卸料间隔时间人为控制在1h左右。通过现场的数据记录和汇总,12组数据中混凝土出机温度均在24℃以内(混凝土生产中加入60kg冰),入模温度均在26℃以内,混凝土的出机坍落度均满足设计要求160±30mm,具体如表9所示。

表9 混凝土现场实测坍落度和温度Table 9 Measured slump and temperature of concrete on site

由表9可知,C60混凝土从出机到开始卸料控制在30min以内,混凝土的坍落度基本没有损失;从出机到开始卸料控制在60min以内,混凝土坍落度损失在20mm以内,整个浇筑过程中混凝土的和易性、流动性良好,具有良好的可泵性,另外经测定C60石灰石粉混凝土的可振捣时间为3.5h左右。

4.2 现场混凝土试块强度

为验证C60石灰石粉高强混凝土抗压强度发展趋势,分别成型了3次标准养护和同条件养护试件,每次成型8组(4组标养和4组同条件),测定3d,7d,28d,60d抗压强度。通过试块的强度数据分析,C60石灰石粉高强混凝土在前7d的强度增长较快,而7d后混凝土强度增长减缓。试验结果如表10,图2所示。

图2 标养及同条件试件抗压强度与龄期的关系曲线Fig.2 Relation curve between compressive strength and age of standard curing and specimens under the same conditions

表10 C60石灰石粉高强混凝土模拟试验强度Table 10 Simulation test strength of C60 limestone powder high strength concrete

本次模拟试验验证了C60石灰石粉高强混凝土在高温条件下的和易性良好,施工性能均能满足要求,混凝土浇筑成型后外观质量良好,同时获取了混凝土坍落度、温度、强度的变化趋势数据及高温条件下的养护方式等相关宝贵数据。

5 结语

1)目前C60石灰石粉高强混凝土在巴基斯坦卡拉奇二三号机组中已浇筑16.4万m3,所使用结构部位的混凝土强度满足设计要求,外观质量良好。C60石灰石粉高强混凝土是国内外首次单掺石灰石粉配制的高强混凝土,在经济上,为卡拉奇项目部避免了从中国国内大量进口粉煤灰掺合料,取得了较好的经济效益,为项目节约成本952.64万元。

2)验证了在混凝土中掺加适量的石灰石粉能改善混凝土和易性,达到减少水泥用量的效果,且石灰石粉混凝土的各项性能在高温环境下稳定可靠,但石灰石粉的掺量需根据具体配合比指标来确定,掺量少了起不到效果、掺量多了混凝土和易性变差。