核电站纤维混凝土的配制与应用

核电站纤维混凝土的配制与应用崔晓斌，陈云飞，张颖，马健维（山东电力建设第二工程公司济南250100）摘要本文介绍了核电站聚丙烯纤维混凝土在配制阶段采用试验室内混凝土配合比初步试验和搅拌站可行性试验相互验证的试配方案，对试验室内拌制混凝土和搅拌站拌制混凝土工作性能进行对比验证，以确定混凝土配合比在该搅拌站的可生产性。在搅拌站生产过程中用试配前所优选原材料的性能指标对生产中控制原材料进行控制的技术措施，减小混凝土工作性能波动，并在生产过程中建立关键点进行有效监控，使混凝土拌合物具备良好的工作性能，增强了纤维混凝土的施工性能。阳江核电站一期工程PX联合泵房及GD廊道所施工纤维混凝土结构内在质量及表面观感都达到较好的水平，提高了该项目混凝土结构的耐久性，创造了良好的经济效益。关键词聚丙烯纤维混凝土坍落度出机温度核电站阳江核电站一期工程PX联合泵房及GD廊道使用聚丙烯纤维混凝土。聚丙烯纤维是经特殊工艺制成的聚丙烯单丝短纤，掺加在混凝土中，可有效防止混凝土早期裂缝，提高抗裂、抗渗、抗冻等性能，增加混凝土延性，对于改善混凝土结构、提高混凝土的耐久性、保障工程质量、延长工程寿命均有显著意义。1混凝土的配制11核电站纤维混凝土的技术要求核电站PX联合泵房及GD廊道使用纤维混凝土约9万M3，其技术要求技术规格书要求强度等级C40；抗渗等级P10；PX联合泵房局部要求抗冻等级F150；最小胶凝材料用量不低于325KG；聚丙烯纤维掺量09KG/M3；混凝土氯离子含量小于技术要求600G/M3；采用泵送施工，要求坍落度为100MM140MM。12原材料的选择1聚丙烯纤维聚丙烯纤维（见图1）为半透明状，束状单丝结构，投入水中具有良好分散性，投入混凝土中搅拌后呈不规则乱向单丝状分布。聚丙烯纤维应有以下基本要求1具有较高的抗拉强度和变形能力，防止搅拌过程中纤维折断、拉断，增强硬化后的韧性；具有较高的弹性模量，有利于应力传至纤维，提高早期的抗裂效果；具有合适的长径比，兼顾抗拉、抗弯强度与韧性，提高其分散性，使易于搅拌，不易结团；与水泥基材有良好的化学相容性，不受侵蚀；环保无害，来源广泛。技术规格书规定掺量09KG/M3，物理参数见表1。表1聚丙烯纤维物理参数纤维类型密度当量直径长度抗拉强度弹性模量断裂伸长率束状单丝091G/CM31848M19MM450MPA3900MPA15图1聚丙烯纤维外观2水泥在开工前，对水泥厂家进行源地评审，要求水泥熟料、掺合料产地稳定，要求供应核电的水泥专线生产、专库储存，保证水泥品质稳定。采用强度等级425水泥，氯离子含量小于005。3骨料砂石选自核电站自建砂石厂，砂符合JGJ522006中II区要求的中砂，细度模数为2628，碎石符合JGJ522006要求的公称粒径5MM315MM，采用二级配，为5MM16MM和16MM315MM，按质量比46混合后满足5MM315MM连续级配。大小石子分库存放，避免离析。4掺合料在技术规格书中规定了最小水泥用量，所以在满足混凝土设计强度的前提下，掺加粉煤灰主要改善混凝土的和易性。采用I级粉煤灰，氯离子含量小于005。5外加剂针对阳江常年炎热气候，添加外加剂的主要作用是缓凝、减水，且外加剂应具有稳定的坍落度经时变化量和减水率。如果坍落度经时变化量达不到要求，应由外加剂厂家调整外加剂中缓凝、保坍成分，直到调整合格。13纤维混凝土工作性能的特点按普通混凝土设计方法，在其他材料不变的情况下，拌制2组混凝土，观察试拌情况（见图2），试拌结果如下表2。表2普通混凝土与纤维混凝土拌合物状态（出机）对比组别纤维掺量KG/M3纤维分布情况坍落度MM和易性情况/120均匀坍落粘性充分/120均匀坍落粘性充分第1组/125均匀坍落粘性充分09单丝乱向、均匀90较粘稠流动性减弱09单丝乱向、均匀85较粘稠流动性减弱第2组09单丝乱向、均匀90较粘稠流动性减弱第1组混凝土拌合（出机）状态第2组混凝土拌合（出机）状态第1组混凝土坍落状态第2组混凝土坍落状态图2普通混凝土与纤维混凝土拌合状态及坍落状态由试验结果可以看出普通混凝土直接掺入纤维后，纤维在浆体与骨料之间起到一定的拉结作用，增强了对新拌混凝土流动性的约束，表现为坍落度降低，拌合物更加粘稠，工作性能变差。14混凝土配合比初步试验在试验室内进行的混凝土配合比初步试验，根据给定参数对设计基准配合比，通过以下措施调整纤维对混凝土工作性能的影响。1）通过采用聚羧酸类高性能减水剂，降低单方用水量，使混凝土拌合物具有要求的坍落度，增强坍落度保持性；2）适当调大砂率（41以上），调大粉煤灰用量增大浆体量，保持混凝土流动性。初步试验时，基准配合比拌制3次，以验证重衍性。每盘测定坍落度、含气量、强度及抗渗性能，另外还要测定基准配合比的坍落度经时变化量和泌水率。值得注意的是拌制时须采用干燥状态骨料，砂含水率小于05，碎石含水率小于02，以减少骨料含水对单位用水量的影响。15混凝土可行性试验混凝土可行性试验是采用初步试验得到的基准配合比在搅拌站通过现有的机械设备模拟生产，检验其可生产性。搅拌站采用1、2两套搅拌生产系统，每套系统单盘生产量15M3，均用意大利ORU公司生产的立轴行星式强制搅拌机，生产控制系统采用微机自动化控制管理系统。针对纤维混凝土的拌制采用裹砂石法2的搅拌工艺，即多次投料，上料顺序为小石砂大石纤维水水泥（粉煤灰）水外加剂，克服一次加料胶凝材料及纤维分布不均的现象，有利于骨料外壳裹浆，使之搅拌更加均匀。纤维混凝土的搅拌时间根据可行性试验中混凝土出机状态确定，观察所取混凝土试样中纤维均匀性，应达到纤维单丝乱向分布、无纤维束或乱丝纤维团。在搅拌站生产3盘，分别检查每盘下料精度，取样测定坍落度、出机混凝土温度、含气量及强度，检验其重衍性。还应测定坍落度经时变化量，控制混凝土的工作性能；模拟现场施工难度大得条件进行泵送试验，检验纤维混凝土可泵送性；混凝土后场生产，运输距离远，加之阳江地区常年炎热气候，都会对混凝土拌合物的工作性能产生不利影响，因此进行混凝土可振捣时间试验，提供参考数据，以便协调混凝土运输及浇筑。17试验结果分析（1）强度依据JGJ552000规定的FCU,OFCU,K1645，由于初次生产取5MPA,因此FCU,O482MPA。初步配合比试验中3次基准配合比抗压强度与1、2搅拌机可行性试验各3盘的抗压强度如下表3。表3初步配合比试验与可行性试验抗压强度结果试验类别第1次第2次第3次3次试验平均值（MPA）28D强度（MPA）初步配合比试验5585635515581机可行性试验5495705645692机可行性试验567574560558由试验结果可以看出，初步试验与可行试验28D抗压强度均大于设计强度482MPA，可行试验结果与初步试验结果最大仅相差20，达到配合比设计的强度目标，验证混凝土初步配合比用1、2搅拌机生产可满足强度要求。（2）坍落度与可振捣时间初步试验测得的坍落度是由干的砂、石和外加用水拌合决定的，而可行性试验测定坍落度是为了实现对混凝土用水量的控制。由于料仓内砂石含水上下不均，需设置合理的含水率才能使混凝土拌合物坍落度在要求范围。在搅拌站坍落度的调整是通过含水率的调整实现的，即控制坍落度也是控制用水量。坍落度经时变化量直接影响混凝土的可施工性，因此对初步配合比试验可行性试验进行坍落度经时变化量测定，试验结果如下表4。表4初步配合比试验与可行性试验坍落度试验结果坍落度MM坍落度经时变化量MM试验类别出机30MIN60MIN90MIN30MIN60MIN90MIN初步配合比试验14013513012051020可行性试验14014012512001520由以上结果可以看出坍落度呈平稳趋势降低，90MIN损失20MM，仅达到143，有很好的施工性能。对可行性试验混凝土进行可振捣时间试验，以提供浇筑时间间隔、二次振捣时间等施工参数，试验表明，混凝土的可振捣时间应在2535H，此时，混凝土坍落度达到50MM左右，将运行着的振动棒以其自重插入混凝土中进行振捣，混凝土有塑性，当振动棒缓慢拔出后，混凝土能自行闭合，而不会留下孔穴，可振捣时间应控制在2H以内具有良好效果。（3）泌水试验及抗渗试验混凝土拌合物具有较小的泌水有利于改善混凝土的耐久性及表面观感。泌水试验结果显示，初步配合比试验混凝土120MIN泌水率14，可行试验混凝土120MIN泌水率12，混凝土拌合物浆体包裹均匀，2小时左右表面无明显自由水。对普通混凝土、初步试验、可行试验混凝土进行抗渗试验结果如表5。表5普通混凝土、初步试验、可行试验混凝土进行抗渗试验结果渗水高度（MM）试验类别最大水压（MPA）单块值平均值普通混凝土13103115111117105104109初步配合比试验1320333123272627可行性试验1323443632382733从试验结果可以看出，纤维混凝土平均渗水高度较普通混凝土降低7075。由于乱向均匀分布的纤维对混凝土内胶体和集料的粘拉作用，降低了混凝土泌水和离析，阻碍了细微孔隙的产生，所以纤维混凝土抗渗防水能力较普通混凝土得到有效的提高。（4）混凝土抗冻、抗裂性能抗冻试验150次冻融循环重量损失低于1；强度损失84；混凝土表面无分层开裂现象。依据CECS382004的纤维混凝土和砂浆收缩裂缝试验方法3进行试验，其结果显示裂缝降低系数达到92，限裂效能等级达到一级。纤维混凝土具有良好的早期抗裂性能，同时也提高了混凝土结构抗冻、抗渗性能。5纤维的均匀性及搅拌时间混凝土搅拌时间为45S，在搅拌机卸料时，分别在其首部、中部、尾部取样，水洗过滤聚丙烯纤维，烘干后用天平称量，偏差不超过15，均匀性良好。（6）氯离子含量纤维混凝土各组分中氯离子含量如表6。表6纤维混凝土各组分中氯离子含量组分水水泥粉煤灰砂碎石外加剂纤维CL含量（G/KG）000145050500167000173050根据其配合比计算单方混凝土氯离子含量为233G,小于技术要求600G/M3。2现场生产施工21生产工艺为了对纤维混凝土的生产过程进行有效控制,编制了原材料进场检验、贮存、发放、混凝土开盘、生产、运输工作程序。混凝土生产采用微机自动化管理，输入配合比，设定含水率后，称量、投料、搅拌、卸料全部自动化。在混凝土生产时，根据搅拌机单盘生产量15M3，要求纤维厂家单包包装135KG，方便投料。22生产质量监控要点（1）加强进场原材料检验验收，要求质量稳定。如外加剂减水率、粉煤灰细度、水泥比表面积等指标重点控制，减小波动。（2）计量管理中对搅拌站称料系统除了半年一次的计量单位校验外，搅拌站每两个月还需进行自校，重要部位浇筑前也需对称料系统进行自校。（3）每次浇筑前必须开盘检定，由试验人员、监理人员、生产调度、操作人员核对配合比数据，在配料清单会签，而后进行坍落度、温度测试，测试合格再运输到现场，如超出要求值依照相关程序处理。23混凝土出机温度控制混凝土拌合物温度是核电混凝土质量控制的重要指标。纤维混凝土使用部位多为大体积部位，浇筑量大，所以针对混凝土出机温度主要采取以下控制措施。（1）控制水泥的入场温度60，有足够的水泥储存量，可以使新进场的水泥存放时间延长，有充分的时间冷却降温，特别是在高温季节对降低混凝土温度十分有利。（2）使用冷水搅拌。两台搅拌机组都单独配置了冷水机，同时配置冷水箱，储存量为15T，单台冷水机制冷能力为12T/H，能够确保水温度控制在3左右，保证充足的冷水储量；在高温和大方量混凝土情况下，预先1小时开启冷水机，以保证充足的冷水供应。（3）采取在搅拌站料仓搭建遮阳棚避免太阳照射，1、2机组共建有10个遮阳料仓，可储存600吨骨料，可供连续生产4小时以上；骨料应尽量避开高温时间段进仓。不宜在仓内冷水喷淋降温，其一是加入的水份随砂石温度升高，降低冷水搅拌的效果，其二是骨料的堆积体积大，短时间内难以风干，且干燥程度不一，整仓含水率差异较大，增加新拌混凝土的坍落度的调控难度；控制砂、石含水率不宜过大，避免降低冷水搅拌的效果。（4）控制砂石含水率，提高冷水搅拌效果。炎热天气下，不宜在砂石料仓内冷水喷淋降温，其一是加入的水份随砂石温度升高，降低冷水搅拌的效果，其二是骨料的堆积体积大，短时间内难以风干，且干燥程度不一，整仓含水率差异较大，增加新拌混凝土的坍落度的调控难度；控制砂、石含水率不宜过大，避免降低冷水搅拌效果。24现场施工（1）混凝土的运输纤维混凝土的运输应与生产能力、浇筑能力、需求混凝土量相适应，最大程度缩短输送、倒运、间歇时间。混凝土可振捣时间试验表明混凝土的可振捣时间应在25H35H，考虑到现场应有充足浇筑、振捣时间，混凝土运输时间不宜超过1H，运输过程中不得随意加水或外加剂。因间歇时间过久已初凝或失去塑性的混凝土，必须报废处理。（2）混凝土的振捣应根据振捣器尺寸及作业半径合理布置振捣点；避免欠振或过振，振捣时间时间以能使拌合物中的所含空气成分逸出，表面开始泛浆为准，达到表面平整；振捣器必须垂直振捣，做到快插慢拔，避免紧贴钢筋、模板、预埋件振捣。（3）混凝土的养护浇筑完毕后应根据季节不同及时做好相应的养护工作，炎热天气下避免阳光曝晒，浇筑后及时覆盖使混凝土表面处于温润状态，不得直接以冷水浇覆养护。3工程效果工程实践表明，通过混凝土配合比初步试验、可行性试验、生产过程控制，搅拌站生产的纤维混凝土纤维分布均匀，混凝土工作性能良好，没有发生离析或泌水现象。运输至现场后，坍落度损失小，施工性能较好。留置抗压试块805组，合格率100，平均强度560MPA,标准差31MPA，混凝土生产水平达