核電廠土建施工三大原材料質量控制

王 鋒

（中國核工業華興建設有限公司， 廣西 防城港 538003）

為了履行保證公眾健康和安全的責任，核電廠的建造具有與民用工程不同的特性，所有對核電廠負有責任的人員：設計人員、設備供應廠商、工程公司、建造人員、運行人員等必須制訂計劃，并有效地實施質量保證的每一步工作。分析土建施工過程中，原材料采購、驗收、倉儲環節是如何實施質量控制，使其完全處于受控狀態；探討土建原材料的技術指標、管理程序、文件歸檔等都是十分重要的環節。

1 CPR1000核電站核島土建材料

建筑材料是指建筑工程結構物中使用的各種材料和制品，它是建筑工程的物質基礎。建筑材料的費用，一般占工程總造價的60%以上。核電站建設中，結構復雜、工序多、工作量大，CPR1000核電站一般是2臺機組作為一個建造單元，新項目核島土建工程2個機組核島工程預計混凝土總量為23 萬m3左右，水泥供應量在11 萬t左右，碎石供應量在50萬～66 萬t，天然淡水砂供應量在25 萬t左右，鋼筋總量約4萬t，模板總量約26 萬m2，鋼結構總量超過8 000 t，另外還包括鋼門窗工程、油漆工程和防水工程、圍護工程。

2 三大主材質量性能指標

2.1 鋼材的性能指標含義

2.1.1 抗拉強度

鋼材的抗拉強度表示能承受的最大拉應力值（見圖1中的E點）。在建筑鋼結構中，以規定抗拉強度的上下限作為控制鋼材冶金質量的一個手段。

（1）如抗拉強度太低，則意味著鋼的生產工藝不正常，冶金質量不良（鋼中氣體、非金屬夾雜物過多等）；抗拉強度過高則反映軋鋼工藝不當，終軋溫度太低，使鋼材過分硬化，從而引起鋼材塑性、韌性的下降。

圖1 低碳鋼的應力—應變（σ-ε）曲線Fig.1 Low carbon steel stress - strain (σ-ε) curve

（2）規定了鋼材強度的上下限就可以使鋼材與鋼材之間，鋼材與焊縫之間的強度較為接近，使結構具有等強度的要求，避免因材料強度不均而產生過度的應力集中。

（3）控制抗拉強度范圍還可以避免因鋼材的強度過高而給冷加工和焊接帶來困難。

由于鋼材應力超過屈服強度后出現較大的殘余變形，結構不能正常使用，因此鋼結構設計是以屈服強度作為承載力極限狀態的標志值，在一定程度上抗拉強度即作為強度儲備；其儲備率以抗拉強度與屈服強度的比值強屈比σb/σs表示，強屈比越大則強度儲備越大。所以對鋼材除要求符合屈服強度外，還應符合抗拉強度的要求。GB 1499.2—2007《鋼筋混凝土用鋼》第2部分：“熱軋帶肋鋼筋”規定有較高抗震要求的鋼筋，實測抗拉強度與實測屈服強度之比σb/σs不小于1.25，因此，國內在建的CPR1000核電站都采用了此項規定。

2.1.2 屈服強度

對于不可逆（塑性）變形開始出現時，金屬單位截面上的最低作用外力定義為屈服強度或屈服點。它標志著金屬對初始塑性變形的抗力。

鋼材在單向均勻拉力作用下，根據應力—應變（σ-ε）曲線圖，可分為彈性、彈塑性、屈服、強化4個階段。

鋼結構強度校核時根據荷載算得的應力小于材料的容許應力[σs]時結構是安全的。容許應力[σs]可用下式計算:

式中：σs——材料屈服強度；

K——安全因子。

屈服強度是作為強度計算和確定結構尺寸的最基本參數。

2.1.3 沖擊韌性

鋼材的沖擊韌性是衡量鋼材斷裂時所做功的指標，以及在低溫、應力集中、沖擊荷載等作用下，衡量抵抗脆性斷裂的能力。鋼材中非金屬夾雜物、脫氧不良等都將影響其沖擊韌性。為了保證鋼結構建筑物的安全，防止低應力脆性斷裂，建筑結構鋼還必須具有良好的韌性。目前，關于鋼材脆性破壞的試驗方法較多，沖擊試驗是最簡便的檢驗鋼材缺口韌性的試驗方法，也是作為建筑結構鋼的驗收試驗項目之一。

鋼材的沖擊韌性采用V形缺口的標準試件。沖擊韌性指標以沖擊荷載使試件斷裂時所吸收的沖擊功用AKV表示，單位為J 。

2.1.4 耐疲勞性

鋼筋混凝土構件在交變荷載的反復作用下，往往在應力遠小于屈服點時，發生突然的脆性斷裂，這種現象叫做疲勞破壞。

2.1.5 斷后伸長率

斷后伸長率是鋼材加工工藝性能的重要指標，并顯示鋼材冶金質量的好壞。

斷后伸長率是衡量鋼材塑性及延性性能的指標。斷后伸長率越大，表示塑性及延性性能越好，鋼材斷裂前永久塑性變形和吸收能量的能力越強。對建筑結構鋼的δ5要求應在16%～23%。鋼的斷后伸長率太低，可能是鋼的冶金質量不好所致；伸長率太高，則可能引起鋼的強度、韌性等其他性能的下降。隨著鋼的屈服強度等級的提高，斷后伸長率的指標可以有少許降低。

2.1.6 冷彎試驗

冷彎試驗是測定鋼材變形能力的重要手段。它以試件在規定的彎心直徑下彎曲到一定角度不出現裂紋、裂斷或分層等缺陷為合格標準。在試驗鋼材冷彎性能的同時，也可以檢驗鋼的冶金質量。在冷彎試驗中，鋼材開始出現裂紋時的彎曲角度及裂紋的擴展情況顯示了鋼的抗裂能力，在一定程度上反映出鋼的韌性[1]。

2.2 混凝土材料的性能指標含義

混凝土材料已成為用量最大、用途最廣的建筑材料，其原因除眾所周知的原料易得、施工簡便、可澆筑成任意形狀、能適應各種環境、經久耐用等外，還有工業發展最重要條件的“三少”特點，即能源消耗少、用水量少、環境污染少。混凝土的原材料選擇、配合比、攪拌、運輸、澆搗、養護等都直接影響到混凝土結構的力學性能與耐久性能，因此，施工中尤其要注意每個環節的質量控制。

2.2.1 核電廠水泥的指標要求

供核電廠用的水泥為硅酸鹽水泥或摻6%～15%混合材料的普通硅酸鹽水泥。各指標的含義和要求如表1和表2所示。

2.2.1.1 凝結時間

水泥從加水開始到失去流動性，即從可塑狀態發展到固體狀態所需的時間叫凝結時間。水泥凝結時間分初凝時間和終凝時間。

初凝時間是從水泥加水拌合起至水泥漿開始失去可塑性所需的時間；終凝時間是從加水拌和至水泥漿完全失去塑性的時間。水泥的初凝不宜過早，以便施工時有足夠的時間來完成混凝土或砂漿的攪拌、運輸、澆搗和砌筑等操作；水泥終凝不宜過遲，以便使混凝土能盡快地硬化，達到一定的強度，以利于下道工序的進行。國家標準規定，初凝不早于 45 min，終凝不遲于 6.5 h。

表1 核電廠水泥物理性能要求Table 1 Cement physical performance requirements for nuclear power plant

表2 核電廠水泥的化學性能要求Table 2 Cement chemical performance requirements for nuclear power plant

2.2.1.2 體積安定性

如果水泥硬化后，產生不均勻的體積變化，即所謂體積安定性不良，就會使構件產生膨脹性裂縫，降低建筑物質量，甚至引起嚴重事故。

GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》規定，用沸煮法檢驗水泥的體積安定性。體積安定性不良的水泥應作廢品處理，不能用于工程中。

2.2.1.3 水化熱

水泥和水之間化學反應放出的熱量稱為水化熱，單位為J/kg。水泥的水化熱，大部分在水化初期（7 d）內放出，以后逐漸減少。其量的大小和發熱速度因水泥的種類、礦物組成、水灰比、細度、養護條件等而不同。水泥的水化熱，對于大體積混凝土工程是不利的。因為水化熱積聚在內部不易發散，致使內外產生很大的溫度差，引起內應力，使混凝土產生裂縫。對于大體積混凝土工程，應采用低熱水泥，若使用水化熱較高的水泥施工時，應采取必要的降溫措施。

2.2.2 核電廠砂石的指標要求

骨料是建筑混凝土主要組成材料之一，約占混凝土體積的70%。起骨架及減小由于膠凝材料在凝結硬化過程中干縮濕漲所引起體積變化等作用，同時還可作為膠凝材料的廉價填充料。在建筑工程中骨料有砂、石子、煤渣（灰）等。

骨料按顆粒尺寸，分為粗細兩類。粒徑為0.16～5.0 mm的稱為細骨料（砂）；粒徑在5.0 mm以上的稱為粗骨料（石子）。按密度和性質可分為重骨料、普通骨料、輕骨料、特種骨料等，核電廠用的骨料如表3所示。

2.2.2.1 顆粒級配和粗細程度

砂的顆粒級配，表示砂大小顆粒的搭配情況。它決定了砂的空隙率的大小。砂的空隙率小，混凝土骨架密實，填充砂子空隙的水泥漿則少。砂的粗細程度，表示不同粒徑的砂混合后總體的粗細程度，通常有粗砂、中砂和細砂之分。它決定了砂的總表面積。砂的總表面積小，包裹砂子表面的水泥漿用量則少。

石子的顆粒級配原理與砂基本相同，石子級配好壞對節約水泥和保證混凝土具有和易性有很大關系，特別是拌制高強度混凝土，尤為重要。

2.2.2.2 顆粒形狀及表面特征

粗骨料的顆粒形狀及表面特征同樣會影響其與水泥的黏結及混凝土拌和物的流動性。碎石具有棱角，表面粗糙，與水泥黏結較好，而卵石多為圓形，表面光滑，與水泥的黏結較差，在水泥用量和水用量相同的情況下，碎石拌制的混凝土流動性較差，但強度較高。

表3 核電廠土建工程骨料Table 3 Skeletal materials for the civil construction of nuclear power plant

粗骨料的顆粒形狀還有屬于針狀（顆粒長度大于該顆粒所屬粒級的平均粒徑的2.4倍）和片狀（厚度小于平均粒徑的0.4倍）的，這種針狀顆粒過多，會使混凝土強度降低。

2.2.2.3 強度

為保證混凝土的強度要求，石子都必須是質地致密、具有足夠的強度。碎石或卵石的強度可用巖石立方體強度和壓碎指標兩種方法表示。當混凝土強度等級為C6O及以上時，應進行巖石抗壓強度檢驗。在選擇采石場或對石子強度有嚴格要求或對質量有爭議時，也宜用巖石立方體強度做檢驗。對經常性的生產質量控制則可用壓碎指標值檢驗。

2.2.2.4 含泥量及泥塊含量

含泥量是指碎石中粒徑小于0.08 mm 顆粒的含量；泥塊含量是指碎石中粒徑大于5 mm，經水洗、手捏后變成小于2.5 mm的顆粒含量。

含泥量將會嚴重影響骨料與水泥的黏結力、降低和易性、增加用水量，影響混凝土的干縮和抗凍性。泥塊含量對混凝土性能的影響較大，特別對抗拉、抗滲、收縮的影響更為顯著。一般對高強度等級混凝土的影響比低強度等級混凝土影響大，所以根據混凝土強度等級的高低規定骨料中含泥量及泥塊含量的控制指標。

2.2.2.5 有害物質含量

砂石中有害物質包括黏土、淤泥、云母、輕物質（砂中相對表觀密度小于2.0的物質）、硫化物和硫酸鹽及有機物質。

砂石中黏土、淤泥、云母及輕物質含量過多，會使混凝土表面形成薄弱層，若黏附在骨料表面，又會妨礙骨料與水泥的黏結。

硫化物與硫酸鹽的存在會腐蝕混凝土，引起鋼筋銹蝕，降低混凝土強度和耐久性。有機質含量多，會延遲混凝土的硬化，影響強度的增長。所以，核電廠用砂石中各有害物質的含量應嚴格控制在一定的范圍內[2]。

2.3 核電建筑模板體系的質量控制

工程模板體系是鋼筋混凝土結構工程的重要分項工程，其制作和安裝質量可靠度，是確保混凝土結構強度和剛度，滿足設計圖紙要求構件受力狀況的先決條件，模板體系質量的好壞，直接影響到混凝土結構和構件的內在質量、幾何尺寸及外觀質量的好壞。

目前，國內CPR1000堆型安全殼模板和墻體模板均采用芬蘭進口的WISA模板，其厚度為18 mm，全部采用1.4 mm厚的北歐寒帶樺木單板十字交叉黏結，采用的黏結劑為酚醛樹脂。模板在龍骨的支撐下有足夠的強度和剛度，當混凝土澆筑層厚在3 m以內的情況下，其變形誤差完全能滿足設計要求。

為使模板易于清洗，保證混凝土表面的光潔度，同時延長模板使用壽命，在模板面板的正反面均覆蓋有酚醛膜涂層，覆膜重量正面為220 g/m2，反面為120 g/m2，周轉次數一般可達20～80次不等。當然，周轉次數的多少與很多因素有關。

WISA模板其他物理性能如下:

滲水率: 50 kg/m2（正面，7 d）；

覆膜磨穿周轉次數：600次；

導熱性：板厚12 mm，3.5 W/m·K；

板厚27 mm，2.5 W/m·K；

含水率（10±2）%時，標準厚度的WISA模板的物理性能如表4所示。

表4 WISA模板的物理性能Table 4 Physical performance of the WISA modular plate

3 材料的驗收和倉儲質量控制

有了以上的質量控制指標，沒有嚴格地執行進場驗收落實、管理程序約束，也是無法保證原材料環節質量處于受控狀態。為了確保原材料的質量，下面介紹核電站建設過程中的管理方法——管理程序。每個核電項目中，承建都會發布《材料驗收程序》、《倉庫管理程序》等工作程序，規范各個部門的職責關系，保證每一步環節都處在受控狀態下，凡事有據可依。

對用于核電工程實體的物資，必須采取一整套預防措施規范操作和管理，確保結構工程質量，杜絕隱患。對影響工程質量的重要物資，如鋼筋、水泥必須由器材部及相應部門進行聯合驗收。驗收應在規定的質量驗收期內，由器材部驗收員、保管員配合試驗室，按有關國標、建筑規范、設計要求取樣送現場實驗室或送樣到有資格的化驗室進行相關驗收。對于試驗室尚不能復檢的項目，由試驗室委托外部有資質的試驗機構進行檢測，相應的檢測報告由試驗室跟蹤落實，并對檢驗結果進行判定，并及時取回報告。

對于驗收合格的物資必須由器材部驗收員組織填寫好驗收記錄單，驗收合格的物資應懸掛“驗收合格”綠色標牌并及時辦理入庫手續。

對于外觀驗收不合格的，影響到工程使用的物資按不符合項相關程序處理，通知采購員聯絡退回或更換，將缺陷物資單獨存放在指定區域，并懸掛“驗收不合格，勿用”的紅色標牌。

庫存物資的保管要做到管理專責化，貨位固定化，堆放規格化，計量標準化，庫容整潔化。

倉庫保管員應按照程序《物項的標識》的具體要求，對庫存物資進行標識，驗收合格的庫存物資標識的內容包括：物資名稱、產地、數量、規格型號、驗收日期、材質及批號，對于驗收不合格的物資應予以隔離，并用紅字標識：“驗收不合格，勿用”，對未經驗收的物資標識：“未經驗收，勿用”黃色標牌。

對保管中產生的不符合項要及時做好各種記錄，對不合格產品應單獨存放并懸掛標志牌。對保管中混淆不清的產品，要報廢或重新檢驗，直至確定恢復原合格狀態。

4 結論

通過以上對核電廠土建施工過程中最主要的三大原材料質量控制的論述，可以看出，核電廠的承建單位對原材料質量控制要做到：事前理解指標的確切含義和要求，事中嚴格遵循操作程序，事后認真分析總結原因。土建施工原材料的質量處于全面的受控狀態。中國核電的發展，要切實有效地實施質量保證的每一步工作，狠抓質量不放松，安全第一、質量第一，人人都是一道安全屏障，才能使我國的核電事業又好又快安全發展。

[1] 編委會. 現場材料員崗位通[M]. 北京：北京理工大學出版社，2009：84-85.（Editorial board. Post Duties of Site Material Man[M]. Beijing, Beijing Institute of Technology Press, 2009：84-85.）

[2] 潘延平. 質量員必讀[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2005：13-15.（P A N Y a n-p i n g. A Companion to Quality Inspector[M]. Beijing:China Construction Industry Press, 2005:13-15.）