核電犧牲混凝土高溫及火災(zāi)損傷研究

吳運(yùn)超，金祖權(quán)，張宇

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

核電犧牲混凝土高溫及火災(zāi)損傷研究

吳運(yùn)超，金祖權(quán)，張宇

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

針對摻加0～1.5kg/m3聚丙烯纖維的核電犧牲混凝土開展高溫與火災(zāi)試驗(yàn)．結(jié)果表明：犧牲混凝土在火災(zāi)作用下抗壓強(qiáng)度變化不大，失重率為4.7%～5.8%．在400℃高溫作用下抗壓強(qiáng)度提高60%左右，失重率為5.0%～6.5%；800℃高溫作用下強(qiáng)度損失20%左右，失重率為2.0%～2.5%；1 000℃高溫作用后殘余抗壓強(qiáng)度仍有11～16MPa，失重率為0.1%～0.2%．犧牲混凝土高溫熔融溫度為1 180～1 210℃，聚丙烯纖維摻加對犧牲混凝土熔融溫度、抗壓強(qiáng)度損傷以及熔融產(chǎn)物類型影響較小，但加速混凝土早期自由水排出，防止?fàn)奚炷粱馂?zāi)爆裂．

犧牲混凝土；聚丙烯纖維；高溫；火災(zāi)

0 引言

核電站發(fā)生嚴(yán)重事故時，在冷卻不及時的情況下反應(yīng)堆堆芯元件會發(fā)生融化，熔融物溫度可高達(dá)3000～4 000℃[1]，熔融物造成壓力容器下封頭失效，接著流入反應(yīng)堆腔與混凝土材料反應(yīng)．混凝土的融化分解溫度只有1 100℃左右，熔融物開始向下侵蝕底板[2]，產(chǎn)生大量不可凝氣體，提高安全殼的壓力，一旦底板被熔穿，安全殼的完整性喪失，大量發(fā)射性射線將外泄，就可能造成難以估量的后果．犧牲混凝土作為安全殼襯底保護(hù)層，在高溫熔蝕過程中可以降低熔融物的溫度和輻射性．熔融物在反應(yīng)堆腔內(nèi)停留的時間也由犧牲性混凝土消融時間和熔融金屬塞所需時間決定，是第三代核電站的重要組成材料．

MarkusNie等[3]對硅質(zhì)混凝土及石灰石質(zhì)混凝土與堆芯熔融物發(fā)生反應(yīng)時的分解溫度和分解焓提出了相應(yīng)的預(yù)測模型．Spengler C等[4]開展了犧牲混凝土與熔融物反應(yīng)的ACE實(shí)驗(yàn)，并采用MEDICIS程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了混凝土溫度變化和消融速率隨時間的變化規(guī)律．胡萍，黃慎江[5]等研究了在火災(zāi)急速升溫的環(huán)境中混凝土發(fā)生爆裂及承載力下降現(xiàn)象．施磊等[6]通過研究摻加聚丙烯纖維混凝土的工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行測試和分析．為評價犧牲混凝土的安全性，本文系統(tǒng)研究摻加聚丙烯纖維犧牲混凝土在高溫及火災(zāi)作用下的強(qiáng)度衰減、質(zhì)量損失、外貌變化，以及高溫熔融溫度及熔融產(chǎn)物．

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 犧牲混凝土配合比

山東山水水泥集團(tuán)提供P.I.52.5水泥，洛陽欒川鐵礦石（Fe2O3＞80%）．最大粒徑小于8mm的間斷級配石英石．S95級礦粉，燒失量為0.37%．魯青I級粉煤灰，燒失量為3.65%．聚羧酸高效減水劑，其減水率最高可達(dá)到45%．江蘇博特生產(chǎn)的聚丙烯細(xì)纖維，其熔點(diǎn)為165℃，彈性模量3 500MPa．犧牲混凝土配合比如表1所示．

表1 犧牲混凝土配合比kg/m3Tab.1 M ix proportion of sacrificial concrete

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

成型100mm×100mm×100mm混凝土試件，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，將其放入烘箱內(nèi)烘干（2 h），溫度設(shè)置為50℃．取出試塊分別測火災(zāi)實(shí)驗(yàn)和高溫實(shí)驗(yàn)前的質(zhì)量與強(qiáng)度，然后放入垂直火災(zāi)爐和高溫爐中，火災(zāi)爐內(nèi)溫度符合ISO標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線．煅燒完成和高溫實(shí)驗(yàn)后，待試件完全冷卻，測量其質(zhì)量損失及抗壓強(qiáng)度大小，并且觀察實(shí)驗(yàn)前后試件外貌變化．利用XRD對高溫熔融產(chǎn)物的物相進(jìn)行分析．

圖1 火災(zāi)實(shí)驗(yàn)后犧牲混凝土形貌Fig.1 Themorphologyof sacrifice after the fire testof concrete

2 結(jié)果與分析

2.1 牲混凝土在高溫及火災(zāi)下的形貌演變

研究表明[7-8]，普通混凝土在高溫作用后，其外觀形貌會發(fā)生較大的改變，而且隨著加熱溫度的不同而變化．本節(jié)對火災(zāi)及高溫實(shí)驗(yàn)后各組犧牲混凝土的外觀形貌演變進(jìn)行觀察．如圖1、圖2所示．

圖2 高溫后試件外貌變化Fig.2 Appearance changeofspecimen afterhigh temperature

由圖1可知，犧牲混凝土在模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，顏色由淺變深．其中未摻加纖維的聚丙烯纖維混凝土爆裂成兩塊，摻加1.5 kg聚丙烯纖維混凝土無裂縫產(chǎn)生，完整性好．由圖2可知，犧牲混凝土在高溫實(shí)驗(yàn)中，隨著溫度的升高，犧牲混凝土試件從深紅色到淺紅色，后逐漸由紅色變?yōu)闇\黃色，溫度升至1000℃時，局部出現(xiàn)淺褐色．高溫400℃后，試件外觀變化不大，試件完整性良好，沒有出現(xiàn)缺角掉皮的現(xiàn)象．溫度在800～1 000℃，試件外觀發(fā)生較大變化，主要表現(xiàn)為：隨著溫度的升高，試件變得疏松，微細(xì)裂縫和寬大裂縫增多；摻加聚丙烯纖維犧牲混凝土高溫后裂縫要少于未摻加纖維的犧牲混凝土；高溫后完整性仍較好，且未發(fā)生爆裂現(xiàn)象．

2.2 牲混凝土在高溫及火災(zāi)下的強(qiáng)度演變

測試犧牲混凝土在高溫及火災(zāi)作用下的強(qiáng)度演變，其結(jié)果如圖3、圖4所示．由圖3可知：犧牲混凝土在400℃前，其抗壓強(qiáng)度處于增長階段，400℃高溫后的殘余強(qiáng)度高出常溫時抗壓強(qiáng)度的1.5～1.6倍．原因一是由于犧牲混凝土中主要成分Fe2O3和SiO2較密實(shí)且高溫穩(wěn)定性好；二是由于混凝土在高溫下因失去自由水而變得更加致密，增加了水泥膠體與骨料之間的咬合力，部分抵消了高溫下的強(qiáng)度損失[9]．400～1 000℃犧牲混凝土處于強(qiáng)度永久損失階段，犧牲混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯下降．其中試驗(yàn)各組犧牲混凝土在高溫800℃后抗壓強(qiáng)度損失為22%～29%．這是由于溫度的進(jìn)一步升高，犧牲混凝土內(nèi)部成分在高溫作用下分解產(chǎn)生膨脹力，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度大幅下降[7]．但經(jīng)過1 000℃高溫后，犧牲混凝土強(qiáng)度仍有11～16MPa，說明犧牲混凝土具有很好的抗高溫性能．

由圖4可知：犧牲混凝土經(jīng)過火災(zāi)試驗(yàn)，其煅燒后強(qiáng)度與初始強(qiáng)度相當(dāng)．其中不摻加纖維的犧牲混凝土Y3強(qiáng)度降低了10.36%，而摻加1.5 kg聚丙烯纖維的犧牲混凝土強(qiáng)度增加了2.25%．這說明摻加聚丙烯纖維后的犧牲混凝土可以有效降低傳熱速度，使混凝土處于強(qiáng)度增長階段，而未摻加聚丙烯纖維的犧牲混凝土處于強(qiáng)度損失階段，并易發(fā)生爆裂．2.3牲混凝土在高溫及火災(zāi)下的質(zhì)量演變

對高溫和火災(zāi)作用下犧牲混凝土冷卻后稱取其重量，將其與初始重量比較，計算其失重率，結(jié)果如圖5、圖6所示．

由圖5、圖6可知：400℃時犧牲混凝土失重率在5.0～6.5%，主要為自由水失去以及石膏、鈣礬石分解導(dǎo)致的重量損失；其中摻加纖維的犧牲混凝土失重率高于素混凝土1.0%～1.5%，犧牲混凝土失重率隨纖維摻量增加而增大．400～800℃區(qū)間犧牲混凝土失重率為2.0%～2.5%，主要是氫氧化鈣分解所致；未摻纖維與摻加聚丙烯纖維犧牲混凝土的失重率相當(dāng)．800～1000℃區(qū)間犧牲混凝土失重率在0.1%～0.2%，主要是少量碳酸鹽分解；兩類混凝土規(guī)律一致．在火災(zāi)作用下，摻加聚丙烯纖維的犧牲混凝土Y5的失重率為5.83%，比未摻加纖維Y3的失重率高1.07%．因此，犧牲混凝土中摻加聚丙烯纖維增加了混凝土中自由水含量，165℃下纖維熔融也有助于混凝土中水分快速排出．

2.4 犧牲混凝土高溫熔融溫度及產(chǎn)物分析

圖3 高溫作用下混凝土抗壓強(qiáng)度演變Fig.3 The evolution of the compressive strength ofconcreteunder high temperature

圖4 火災(zāi)前后抗壓強(qiáng)度演變Fig.4 Compressive strength evolution after fire

圖5 高溫作用下犧牲混凝土失重率Fig.5 Weight loss rate ofhigh temperature effect

圖6 火災(zāi)后犧牲混凝土失重率Fig.6 Weight loss rate after fire test

對犧牲混凝土升溫直至其熔融，其中未摻纖維犧牲混凝土Y3系列在1100℃時開始熔融，至1180℃完全熔融；聚丙烯纖維摻量為1.0 kg/m3的Y4系列從1 150℃開始熔融，當(dāng)溫度升高至1 210℃發(fā)生完全熔融；聚丙烯纖維摻量為1.5 kg/m3的Y5系列初始熔融溫度為1 130℃，完全熔融溫度為1190℃．顯然，犧牲混凝土的熔融溫度為1 180～1 210℃，摻加聚丙烯纖維對其熔融溫度影響不大．此外，在高溫熔融過程中，所有組犧牲混凝土試件均從底面至表面逐漸熔化，并沒有出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象．

犧牲混凝土熔融后形貌如圖7所示，熔融物顏色完全變成黑色．對熔融產(chǎn)物研磨后進(jìn)行XRD分析，其結(jié)果如圖8所示．顯然，其主要成分為SiO2，F(xiàn)e3O4以及Ca2Fe2O5，其黑色主要為鐵礦石高溫氧化形成Fe3O4所致．

圖7 犧牲混凝土熔化后形態(tài)Fig.7 Themelting shapeof sacrificial concrete

3 結(jié)論

1）火災(zāi)實(shí)驗(yàn)后，犧牲混凝土由淺變深，未摻加纖維的犧牲混凝土發(fā)生爆裂；高溫作用下，隨著溫度升高犧牲混凝土試件從深紅色到淺紅色，后逐漸由紅色變?yōu)闇\黃色，熔融后因Fe3O4形成而變?yōu)楹谏?/p>

2）火災(zāi)作用不會導(dǎo)致犧牲混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)生較大改變．犧牲混凝土在400℃高溫作用下強(qiáng)度提高60%左右，800℃時強(qiáng)度下降10MPa左右，1000℃高溫作用后犧牲混凝土殘余抗壓強(qiáng)度仍有11～16MPa．

3）火災(zāi)作用下犧牲混凝土失重率為4.7%～5.8%；400℃高溫作用下犧牲混凝土失重率在5.0%～6.5%，800℃時失重率為2.0%～2.5%，1 000℃時失重率為0.1%～0.2%．

4）犧牲混凝土高溫熔融溫度為1 180～1 210℃，聚丙烯纖維摻加對犧牲混凝土熔融溫度、抗壓強(qiáng)度損傷以及熔融產(chǎn)物類型影響較小，但導(dǎo)致400℃時犧牲混凝土失重率增加1.0%～1.5%．

圖8 犧牲混凝土熔融物成分分析Fig.8 Sacrifice concretemoltenmaterial composition analysis

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[責(zé)任編輯 楊屹]

Damageofsacrificialconcreteattacked by high temperatureand fire

WU Yun-chao，JIN Zu-quan，ZHANG Yu

(SchoolofCivil Engineering,Qingdao TechnologicalUniversity,Shandong Qingdao 266033,China)

High temperatureand fire testwasimplemented forsacrificialconcreteaddingw ith0～1.5 kg/m3polypropylene fiber.The resultsshowed thatthe compressive strength ofsacrificialconcretehave little changeafter fire,and itsweight lossw as4.7%～5.8%.A t400℃high tem perature,itscompressivestrengthw as increased by about60%,and itsw eight lossw as5.0%～6.5%;and thereexistedaround 20%strength lossat800℃,and itsw eight lossw as2.0%～2.5%;A fter being exposed at1 000℃,residual com pressive strength was still11～16MPa,and itsweight lossw as0.1%～0.2%. Themelting temperature of the sacrificial concrete is1 180～1 210℃.Theaddition of polypropylene fiber had little influence on themelting temperature,compressive strength damage and the type ofmolten product of sacrifice concrete, but itcan expelearly freewater in concrete to prevent thesacrifice concrete fireburst.

sacrificial concrete;polypropylene fiber;high temperature;fire testing

TU528.572

A

1007-2373(2014)06-0073-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.019

2014-06-12

國家自然科學(xué)基金（51178230，51378269）；青島市科技計劃項目（13-1-4-176-jch，13-1-4-115-jch）

吳運(yùn)超（1991-），男（漢族），碩士生．通訊作者：金祖權(quán)（1977-），男（漢族），博士，教授，Email：jinzuquan@126.com．