核電混凝土氯離子滲透性能影響試驗研究

王星

摘要： 為確保核電混凝土抗氯離子滲透能力滿足核電建設需求，通過對核電混凝常用摻合料的作用機理、摻合料的種類進行分析，研究采用摻合料“單摻、雙摻”技術，通過測定分析氯離子擴散系數和電通量的規律，分析影響因素，制定提高混凝土抗氯離子滲透能力的控制措施，并運用到新建的核電建設中。

關鍵詞：礦物摻合料;氯離子滲透;研究

1. 引言

隨著社會經濟發展，能源危機形勢日益凸顯，全球能源日益缺乏，核電作為一種經濟、清潔、安全的能源生產方式，得到長足的發展。核電以其高能量密度、低污染排放的優質屬性，成為我國現代能源體系的重要組成部分。

核電的高質量發展對核電建造提出更高的要求，混凝土是核電建設的重要材料之一，耐久性是核電混凝土設計評判的重要指標。我國的核電主要分布在沿海地區，對混凝土而言，氯離子有很強的腐蝕作用，是影響其耐久性的重要因素，經過各方位的滲透和擴散，對混凝土造成嚴重的侵蝕，破壞混凝土結構，并引起鋼筋銳化銹蝕，降低了構筑物的使用壽命。隨著核電站設計使用年限的提高和延壽的要求，對地下及海水接觸的結構混凝土抗氯離子滲透能力提出了更高的要求。通常情況下，采用56天齡甚至84天齡期混凝土氯離子擴散系數判定混凝土的抗氯離子滲透能力，某核電混凝土技術規格書中要求底板混凝土28天氯離子擴散系數不大于7×10-12m2/s，混凝土早期抗氯離子滲透能力成為核電混凝土重要的技術指標之一。

2.原材料技術要求

2.1水泥

水泥采用核電P·N42.5水泥和普通的P·O42.5水泥。核電P·N42.5水泥指標見表1和表2，P·O42.5水泥技術指標滿足GB175要求，其中混合材為12%的石灰石和粉煤灰。

2.2粉煤灰

本文研究的粉煤灰由淮南地區電廠提供，使用的是Ⅰ級粉煤灰，主要性能如下表所示。

2.3礦粉

礦粉采用S95級礦粉，活性指數試驗采用采用核電P·N 42.5水泥，其化學成分、物理性能見表4。

2.4骨料

砂選用閩江產二區天然中砂，含泥量為0.5%，泥塊含量為0%，細度模數為2.8

2.5外加劑

外加劑使用聚羧酸高性能減水劑，含固量26%，減水率29%;

3.試驗

3.1試驗要求

嚴格根據相關設計標準對混凝土配比合進行設計，水膠比控制在0.30～0.42，保證摻合料的比例小于20%，進而滿足核電混凝土的設計需求;

試驗依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082），以下簡稱標準，按照相關規定進行氯離子擴散系數、電通量試驗。

3.2試驗配合比

根據核電混凝土抗氯離子滲透能力要求，本次試驗選用了0.30～0.42水膠比的混凝土配合比，摻合料用量控制在20%，分別采用核電P·N42.5和P·O42.5，采用粉煤灰單摻、S95礦粉與粉煤灰雙摻配制混凝土，測定混凝土氯離子擴散系數和電通量。

混凝土設計坍落度值為（160±30）mm，試驗配合比見表5。

3.3試驗方法

標準中給出了相應的實驗方法，來對混凝土抗氯離子滲透能力進行判斷，包括電通量法與RCM法。后者可以定量對混凝土進行定量的評價，包括其抵抗氯離子滲透、擴散的能力，電通量法是當前比較通行的檢測方法。

4.試驗結果及分析

4.1 RCM法測定結果

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082）試驗步驟，測定混凝土28d、56d、84d的氯離子擴散系數，測定結果如表6所示，并根據表6繪制圖3～圖6。

4.1.1粉煤灰單摻

由表6中SP01-SP05可知：

采用Ⅰ級粉煤灰取代水泥，單摻20%的粉煤灰，分別采用P·N42.5水泥與P·O42.5水泥拌制混凝土，測定其氯離子遷移系數，變化規律如下：

1）混凝土強度與水膠比成正比，水膠比越小，強度越高，這表明當其結構愈加密實時，水膠比越低，則混凝土的氯離子遷移系數越低。

2）在水膠比一致的前提下，通過采用普通水泥優于采用核電水泥拌制的混凝土。

4.1.2粉煤灰、礦粉雙摻

由表6中SP01-1～SP05-1可知：

采用礦粉取代水泥，與粉煤灰雙摻，在配合比中分別摻加10%粉煤灰和10%礦粉時，并采用采用P·N42.5水泥與P·O42.5水泥分別拌制混凝土，對其氯離子遷移系數進行測定和分析，得出結論如下：

1）在其余條件相同的情況下，采用普通水泥比PN水泥拌制的混凝土性能更好，其氯離子遷移系數越低。

2）當水膠比逐漸減小時，氯離子遷移系數會慢慢減小，同時混凝土齡期越大，則該系數也更小。

4.3 C45P10混凝土試驗

對強度級別C45P10混凝土的抗壓強度、氯離子擴散系數已經電通量進行綜合試驗研究，采用相同的配合比，分別采用P·O2.5水泥和P·N42.5水泥拌制，性能如下：

單摻粉煤灰和粉煤灰礦粉雙摻在混凝土28天抗壓強度上沒有明顯的差異，但在齡期達到60天時，雙摻效果明顯優于單摻。

在核電混凝土的要求中，以28天齡期為界限，對其氯離子擴散系數進行確定，并使用粉煤灰礦粉雙摻核電水泥，或者粉煤灰單摻普通水泥，兩種操作都可實現控制要求。

4.4實踐應用

某核電在C40混凝土設計要求28天了氯離子擴散系數為不大于7×10-12m2/s，混凝土采用P·N42.5水泥，5-25mm連續級配碎石，Ⅱ區河砂，系數模數為2.7，采用Ⅰ級粉煤灰。

根據JGJ55及技術規格書的要求完成混凝土配合比的設計，實測抗壓強度、坍落度滿足要求后送上海建科院開展混凝土全性能試驗，結果如表8所示：

實測28天氯離子擴散系數不符合設計文件要求。該項目技術負責人發現后立即組織重新開展混凝土配合比的設計，保持水膠比不變，將原配合比中的粉煤灰采用50%礦粉替代見表9：

通過表8可知：通過在配合比中添加一部分的礦粉，通過雙摻的處理，能夠控制氯離子擴散系數，將其維持在較低水平，其抗氯離子滲透性能得到有效提高。

4.5粉煤灰、礦粉的影響

通過上述試驗數據可以看出，當采用單摻20%粉煤灰時，水膠比為0.42、0.39、0.36、0.33以及0.30的混凝土，在氯離子擴散系數上，采用PO水泥拌制的混凝土比采用PN水泥拌制的混凝土結果更為理想，前者比后者分別降低了35%、24%、31%、24%和39%。摻入礦粉實現雙摻后，氯離子擴散系數分別降低了47%、46%、49%、44%和33%。這表明，在相同條件下，普通硅酸鹽水泥比核電工程用硅酸鹽水泥更有利于混凝土抗氯離子滲透能力的提高，尤其是在早齡期時，效果更加明顯;其次，礦物摻合料的加入，進而提升混凝土的抗氯離子滲透能力。具體分析后，得出主要原因如下：（1）礦粉與粉煤灰進入水泥后，將其顆粒間隙進行填充，提高其密實度，減少其中的孔隙率;（2）粉煤灰和礦粉作為火山灰質材料，其火山灰效應可以減少結構中較為粗大的結晶體，水化形成C-S-H凝膠可以有效的堵塞內部擴散通道;（3）普通水泥中本身具有一定量的摻合料，根據現行國家標準GB175，普通水泥中允許摻入大于5%且不大于20%的混合材，目前市場普通水泥的混合材摻量為12%～15%，GB/T31545核電工程用硅酸鹽水泥中要求核電水泥不得摻入混合材，在拌制混凝土時，采用普通水泥的配合比實際摻合料遠大于采用核電水泥拌制的混凝土，這也就影響了混凝土抗氯離子滲透性能。其次是核電水泥水化熱低，早期強度較低，不利于混凝土在早期形成較強的密實性和抗氯離子滲透能力。

5.結論

（1）在水膠比為0.30～0.42時，水膠比在減小之后，混凝土將獲得更高的強度，基體致密性得到加強，其抗氯離子滲透性能隨著水膠比的降低而不斷增強。

（2）采用一定比例優質的礦粉取代水泥，達到礦粉和粉煤灰雙摻的作用，進而提升其抗氯離子滲透性能，但是需要試驗確定添加的比例和總體摻量，經試驗，建議與粉煤灰雙摻使用時，礦粉的摻量不宜大于20%。

（3）相對于普通水泥，核電水泥水化熱較低，早期強度較低，不利于混凝土在早期實現較高的抗氯離子滲透能力，為實現早期混凝土較高的抗氯離子滲透能力，可以選用雙摻優質的粉煤灰和礦粉。

參考文獻：

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