蛇紋石混凝土在田灣核電站的實驗與應用

王開華，錢伏華

（中國核工業(yè)建設集團公司，北京　100037）

蛇紋石混凝土在田灣核電站的實驗與應用

王開華，錢伏華

（中國核工業(yè)建設集團公司，北京100037）

蛇紋石混凝土的配置，骨料的選擇是非常重要的。文章從蛇紋石混凝土原材料選擇、配合比的試驗和調整等方面，詳細闡述了特殊的物理性能和工程的應用，為蛇紋石混凝土的推廣和應用提供了翔實的資料。

蛇紋石混凝土；中子流；干保護

1　蛇紋石混凝土特點

氫是最輕的元素，氫在水中含量很多，某些混凝土中含有很多結合水。此外混凝土又具有容重大、易施工和強度高、耐久性好等特點，因此廣泛應用于射線防護結構。

蛇紋石混凝土是一種容重大、化學結合水含量高，廣泛用于長期在高溫（最高達450 ℃）條件下工作的生物屏蔽結構的抗輻射材料。它是一種將黏結材料（硅酸鹽水泥和水）和蛇紋石骨料（砂和碎石）的混合物硬化后得到的人工石料。

2　蛇紋石混凝土的配制

2.1材料要求

（1）膠凝材料

水泥應為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，標號不應低于325號。

（2）蛇紋石骨料

蛇紋巖屬于變質巖，通常是由超基性（富鎂質）巖石經(jīng)氣液交替作用而形成，主要由各種蛇紋石組成，包括：葉蛇紋石、纖維蛇紋石和利蛇紋石等，致密塊狀隱晶質結構、片狀至弱片狀構造，常呈暗率至黃綠等顏色。蛇紋石含有一定量的化合水，通常分子式可寫成3M g O·2S i O2·H2O，理論成分為：M g O占43.64%，SiO2占43.36%，結晶水占13.00%。

用于蛇紋石混凝土的骨料中不能含有雜物，洗凈碎石中的粉塵、鹽分、黏土顆粒和游離石棉纖維含量不宜超過2%；黏土塊含量不宜超過0.25%。砂中游離石棉纖維的含量不宜超過0.5%。蛇紋石骨料中的成分需滿足MgO不小于30.0%；SiO2不小于35.0%；結晶水含量不小于10.0%。蛇紋石骨料的比重不小于2.5 g/cm3；蛇紋石碎石的松散容重不小于1 460 k g/m3，緊密容重不小于1 670 k g/m3；蛇紋石砂的松散容重不小于1 280 k g/m3，緊密容重不小于1 560 kg/m3。

2.2混凝土配合比初步試驗

（1）原材料試驗

1）本試驗采用安徽某水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ525硅酸鹽水泥，其各項物理力學指標均滿足國標要求。

2）試驗采用的蛇紋石骨料由廣西某非金屬礦粉廠提供。粗骨料為3～40 m m連續(xù)級配碎石，細骨料為0.25～1.25 m m級配砂（由0.25～0.63 m m和0.50～1.25 m m兩種粒級以1∶5質量比混配而成），砂石各項指標滿足俄羅斯標準要求。

（2）配合比試驗

蛇紋石防護混凝土配合比設計基本上和普通混凝土一樣，只是要優(yōu)先考慮容重和化學結晶水的含量要求。在初步配合比試驗階段，參考田灣核電站干保護技術規(guī)格書要求，在滿足容重和化學結合水率的前提下，根據(jù)現(xiàn)場施工要求和原材料情況試驗，在反復試驗的基礎上確定了施工配合比。

對上述配合比進行驗證試驗，在滿足坍落度40～60 mm條件下，該配合比混凝土實測容重為2 390 kg/m3，烘干后干容重為2 290 kg/m3。實測容重滿足不低于2 320 kg/m3要求。

（3）蛇紋石混凝土配合比可行性試驗

對選定配合比，在攪拌站攪拌進行可行性試驗。實測混凝土坍落度為55 mm，混凝土濕容重為2 400 kg/m3，混凝土和易性、黏聚性和保水性均較好，混凝土物理力學性能完全滿足施工技術要求。

3　蛇紋石混凝土耐高溫試驗

3.1水分損失試驗

蛇紋石混凝土最大特點是高溫后其內部結合水不易分解。由于核反應堆中是一個放熱過程，其圍護結構溫度較高，在300 ℃以上溫度時，如果蛇紋石內部結合水損失過多，則對中子流的屏蔽作用會大大減弱。因此，蛇紋石混凝土內部結合水的高溫穩(wěn)定性能，對蛇紋石混凝土防護效果就非常重要。

試驗過程是將蛇紋石混凝土試件放入150 ℃的烘箱中，烘至恒重，使其中的自由水完全揮發(fā)，然后將烘過后稱重了的試件立即置于300 ℃的烘箱中，烘至恒重（見表1）。

從表1可以看出，試樣從150 ℃至300 ℃時，重質量損失率為0.1%，說明在300 ℃高溫下，蛇紋石混凝土內部結合水基本不分解。另外，蛇紋石混凝土試樣從飽和面干狀態(tài)烘至300 ℃時，其28天抗壓強度為41.9 MPa，也大大滿足10～15 MPa的要求。

3.2混凝土結晶水含量試驗

蛇紋石混凝土就是因其結晶水含量高才能在核電工程上得到應用，我們通過測定幾種混凝土結晶水含量來比較幾種混凝土的不同（見表2）。

從比較結果可看出：蛇紋石混凝土在450 ℃溫度下，化學結晶水基本不分解。由于蛇紋石中結晶水含量高，蛇紋石混凝土內結晶水含量也遠遠高于磁鐵礦混凝土和普通混凝土（蛇紋石混凝土中結晶水含量達200 kg/m3以上）。可見對于有防中子要求的屏蔽混凝土，蛇紋石混凝土是最佳的。

表1　試驗數(shù)據(jù)Table 1　The test data

表2　幾種試驗用混凝土配合比Table 2　Several kinds of concrete mixing proportion

系列1——蛇紋石混凝土溫度結晶水變化曲線；系列2——磁鐵礦混凝土溫度結晶水變化曲線；系列3——普通混凝土1溫度結晶水變化曲線；系列4——普通混凝土2溫度結晶水變化曲線；系列5——蛇紋石溫度結晶水變化曲線

4　蛇紋石混凝土施工要求

蛇紋石混凝土攪拌時間，應比普通混凝土時間延長。其投料順序及攪拌時間宜設置為：加骨料攪拌10 s→加水泥攪拌15 s→加1/3水攪拌30 s→加剩余水攪拌60 s→出料。計量精度：水泥和水為±1%，骨料為±2%。

澆筑混凝土時應保證混凝土的均勻性并防止離析。蛇紋石混凝土應分層澆筑，每層最大厚度應不超過150～200 mm，采用振搗棒振搗。振搗過程中應密切注意混凝土表面，以混凝土面不再顯著下沉且有較少氣泡冒出為宜，振搗時間為20～40 s，振搗點間距400 mm左右，當空腔面積較小時，可適當縮短振搗時間，加密振搗點，應杜絕過分振搗以免離析。每層混凝土搗實之后，澆筑下一層，直到完成整個空腔的澆筑。頂層混凝土應抹面和壓光。

蛇紋石混凝土澆筑之后，在最初的24 h，混凝土的硬化溫度應保證不低于15 ℃。混凝土終凝后表面應覆蓋一層保濕材料，每晝夜應澆水3次養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于7天。

如果在冬季現(xiàn)場澆筑蛇紋石混凝土，應使用加溫圍護。

5　蛇紋石混凝土在核島使用情況

田灣核電站干保護為一個圍繞在反應堆堆芯周圍的厚壁蛇紋石混凝土筒體。干保護內蛇紋石混凝土起到防止輻射和熱屏蔽作用。

澆筑蛇紋石混凝土的干保護框架為一個頂部開口的永久性固定框架。混凝土通過上開口澆筑到干保護中。干保護在操作前應進行熱處理，以消除混凝土中的自由水，確保離子室性能的可靠性和精確性。蛇紋石混凝土施工前，先將加熱元件安裝到筒體腔內，澆筑混凝土10天后開始按規(guī)定程序加熱蛇紋石混凝土，加熱最高溫度不得超過450 ℃，加熱工作一般需持續(xù)1個月左右，直至混凝土中的自由水完全揮發(fā)為止。

核電現(xiàn)場攪拌站為1號核島攪拌蛇紋石混凝土近100 m3，所施工的蛇紋石混凝土各項指標均滿足施工要求。干保護在澆筑與熱處理之后滿足所有設計要求，并且可以確保田灣核電站蒸汽供應系統(tǒng)的可靠運行。

［1］ 楊佰科，等.混凝土實用新技術手冊［M］.吉林：吉林科學技術出版社，1998.（YANG Bai-ke， et. al. Manual of practical new technology for the concrete ［M］. Jilin：Jilin Science and Technology Press， 1998.）

Serpentine Concrete in the Experiment and Application of Tianwan Nuclear Power Station

WANG Kai-hua，QIAN Fu-hua
（China Nuclear Engineering and Construction Corporation，Beijing100037，China）

The choice of the configuration of the serpentine concrete aggregate is very important. From selection of serpentine concrete raw materials， and test and adjustment of mixture ratio， the paper elaborates in detail the special physical properties and engineering application， and provides detailed information for the promotion and application of the serpentine concrete.

serpentine concrete； neutron flow； dry protection

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0038-04

TL37

A

1674-1617（2015）01-0038-04

2014-11-30

王開華（1946—），男，安徽安慶市人，博士，研究員級高工，國家注冊安全工程師，一級建造師。