重水堆乏燃料密集貯存用混凝土配合比設計和優化研究

劉宏軍 沈 旦 周大川

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦山第三核電廠為CANDU-6型號重水堆機組，乏燃料集中貯存在廠區內的干式貯存設施內，目前已分三批次建成投運6個QM-400型貯存模塊。為滿足機組潛在的延壽需求，在引進加拿大原子能公司模塊式空氣冷卻技術（簡稱“QM-400”）的基礎上開發了M1型乏燃料密集貯存模塊技術（簡稱“M1”），M1型模塊更為經濟環保，具有更低的接觸劑量率水平，建成后將成為國際上重水堆乏燃料貯存密度最高的臨時干式貯存模塊，達到國際領先水平。由于乏燃料貯存密度的增大，對模塊混凝土的耐高溫性能、耐久性能、屏蔽性等要求更高，本文基于乏燃料密集貯存用混凝土的性能需求，從配合比設計、試驗、配合比參數對關鍵性能指標的影響進行研究，提出了一種適用于重水堆乏燃料密集貯存用的混凝土材料。

通過對M1型模塊正常運行工況和事故工況的分析，混凝土性能指標要求見表1所示。

表1 混凝土性能指標要求

1 配合比設計

根據M1模塊對混凝土材料力學性能、物理性能、長期和耐久性能、氣體滲透性能、耐高溫性能指標要求，綜合參考JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》YB/T4252-2011《耐熱混凝土應用技術規程》、GB/T 50010-2010《混凝土結構設計規范》等標準進行設計。

混凝土的彈性模量隨著混凝土強度等級的提高而增加，從技術指標要求來看，彈性模量不低于31.5Gpa，根據GB/T 50010-2010《混凝土結構設計規范》的中混凝土受壓彈性模量的取值以及經濟性考慮，混凝土的設計強度等級選擇C35，經計算得出設計基準配合比如下，水泥：礦粉：粉煤灰：中砂：碎石：水：減水劑=261：56：56：799：1 017：168：1.87（kg/m），其中水膠比0.45、砂率44%、摻合料30%。

2 試驗

2.1 原材料

本試驗所用的水泥為上海金山南方水泥有限公司生產的PⅡ52.5水泥；粉煤灰為嘉興市豐陽貿易有限公司的C類Ⅱ級粉煤灰；礦粉為常州中天新材料股份有限公司的S95級礦粉；細骨料為海鹽縣秦山混凝土有限公司提供的天然河砂；粗骨料為海鹽縣秦山混凝土有限公司提供的凝灰巖碎石，采用粒徑分別為5～10 mm和5～31.5mm兩種碎石按1:3的比例配制。減水劑為浙江五龍新材股份有限公司生產的ZWL-AIX型高效泵送劑。對混凝土原材料各項性能指標的系統性測試，符合質量控制技術要求。

2.2 試驗配合比

根據基準配合比計算情況，選擇0.42和0.45水膠比、42%和44%砂率、30%和40%摻量摻合料設計3個配方進行試驗驗證和影響分析（見表2）。

表2 混凝土試驗配合比

2.3 試驗方法

通過對三種配方混凝土的性能指標進行試驗驗證，驗證設計的合理性；分析基本配合比參數對性能指標尤其是耐高溫及耐久性能的影響，優化混凝土配方。

高溫力學性能試驗：根據設計配比成型混凝土試塊并標準養護至28d齡期，將28 d齡期的試塊在105℃條件下24 h烘干后再進行高溫試驗，高溫條件分別為120℃下持續40 h和較為嚴苛的高溫環境300℃下持續40 h。通過測試混凝土抗壓強度和高溫試驗后的殘余強度，分析混凝土力學性能變化及強度損失情況，高溫力學性能試驗試塊狀態如圖1所示。

圖1 120℃40h高溫后抗壓強度試塊狀態

關鍵耐久性能試驗：成型混凝土試塊并標準養護至28d和56d齡期，除測試關鍵耐久性指標干燥收縮、碳化深度、氯離子擴散系數外，還對其自收縮、抗滲性能和氮氣滲透性能等耐久性指標進行測試，分析配合比參數對混凝土耐久性能影響規律，氯離子擴散試驗狀態如圖2所示。

圖2 氯離子擴散試驗狀態

3 實驗結果和分析

3.1 工作性能和硬化密度試驗

混凝土工作性能和硬化混凝土密度的試驗結果如表3所示。

表3 工作性能和硬化混凝土密度

（1）其他配合比參數相同的情況下，水膠比從0.42增加至0.45時，混凝土達到相同坍落度所需的減水劑用量變化不大，為0.9%～1.0%，此時混凝土拌合物均具有良好的和易性。

（2）當摻合料用量從30%增加至40%時，混凝土的流動性明顯增加，甚至出現了泌水現象，為達到相同坍落度，混凝土的減水劑的用量下降至0.6%。一方面，I級粉煤灰等高品質礦物摻合料本身具有滾珠效應能起到減水作用；另一方面，摻合料取代水泥后，雖然水膠比未發生改變，但等效水灰比增加，被水泥顆粒包裹的水量減少，用于混凝土攪拌的自由水含量增加，使混凝土坍落度有較大幅度的增長。

（3）綜合來看，混凝土的拌合物和易性對摻合料摻量較為敏感，過高摻合料的摻加不利于混凝土獲得較好的拌合物性能。

從混凝土的密度試驗結果可知：

（1）在摻合料摻量為30%的情況下，0.42和0.45水膠比的混凝土拌合物密度均滿足性能指標≥2 350 kg/m的要求。而0.42水膠比下，混凝土拌合物的密度隨摻合料摻量的增加而小幅降低，當摻合料摻量達40%時，混凝土拌合物的密度不滿足指標要求。

（2）混凝土的硬化混凝土表觀密度均滿足性能指標要求。

3.2 物理力學性能試驗

混凝土28 d軸心抗壓強度和28 d靜力受壓彈性模量試驗結果如下：YB-1：40.9 MPa、35.8 GPa；YB-2：44.3 MPa、35.8 GPa；YB-3：41.5 MPa、34.9 GPa。

從試驗結果可知：

（1）0.42和0.45水膠比下，隨著水膠比的增加混凝土28 d軸心抗壓強度小幅下降，從44.3 MPa下降至40.9 MPa，下降幅度為8.3%。兩種水膠比對28 d靜力受壓彈性模量影響不大。水膠比為0.42和0.45時，28 d靜力受壓彈性模量均為35.8 GPa。

（2）0.42水膠比、30%和40%摻合料摻量情況下，隨著摻合料摻量的增加混凝土28 d軸心抗壓強度和靜力受壓彈性模量均有小幅下降。

（3）綜合來看，三種配合比混凝土的28 d靜力受壓彈性模量分別為均滿足靜力受壓彈性模量≥31.5 GPa的要求，混凝土的靜力受壓彈性模量均符合要求，物理性能穩定。

3.3 高溫力學性能

3.3.1 基本力學性能試驗結果與分析

混凝土28 d抗壓強度及105℃烘干強度力學性能試驗結果如：YB-1：42.0 MPa、47.6 MPa；YB-2：44.7 MPa、48.1 MPa；YB-3：44.0 MPa、49.5 MPa。

從力學性能試驗結果可以看出：

（1）水膠比是決定混凝土抗壓強度的關鍵因素，不管是混凝土的28 d抗壓強度或是105℃烘干強度都隨著水膠比的降低而小幅增加。當水膠比從0.42增加至0.45時，混凝土28 d抗壓強度從44.7 MPa降低至42.0 MPa，降低幅度為6.4%，因此水膠比不宜過高。

（2）水膠比為0.42的混凝土，其他配合比參數相同的情況下，當摻合料摻量從30%增加到45%時，28d抗壓強度略有下降，105℃24 h烘干后，其抗壓強度略有增加，未呈現明顯的強度隨著摻合料用量增加而降低的趨勢。但30%和40%摻合料摻量的混凝土經過105℃24 h烘干后，其抗壓強度分別從44.7 MPa增加至48.1 MPa、從44.0 MPa增加至49.5 MPa。這主要是由于礦物摻合料的火山灰反應在28d齡期時尚未得到充分發揮，導致水泥用量下降的情況下混凝土強度也隨之下降，在干熱養護條件下，礦物摻合料的活性得到激發，火山灰反應加速，生成的二次水化產物填充毛細孔使混凝土更加致密，抗壓強度得到提升。

（3）從基本力學性能試驗結果看，混凝土的水膠比和礦物摻合料摻量不宜過高。

3.3.2 高溫殘余強度測試結果與分析

設計配合比的高溫殘余強度測試結果如表4和圖3～圖6所示。

圖3 水膠比對混凝土高溫殘余強度的影響

圖6 不同摻合料摻量混凝土的高溫強度變化

表4 高溫殘余強度試驗結果

圖4 摻合料對混凝土高溫殘余強度的影響

圖5 不同水膠比混凝土的高溫強度變化

從設計配合比的高溫殘余強度測試結果分析可以看出：

（1）水膠比對混凝土的耐高溫性能具有一定的影響。當水膠比為0.42時，混凝土120℃高溫40h和300℃高溫40h后強度分別為60.6MPa和59.1MPa，與105℃烘干24h后相比，強度均大幅增加，增加幅度分別為26.0%和22.8%。當水膠比為0.45時，混凝土120℃高溫40h后強度為47.3MPa，與105℃烘干24h后相比略有損失；300℃高溫40h后強度為57.8MPa，增加幅度為21.4%。

（2）無論水膠比大小，在300℃高溫40h后混凝土的抗壓強度均出現了增加的現象，這主要是由于300℃以內，水泥水化產物結構并未出現損傷性分解，礦物摻合料在高溫下活性反而得到激發，與Ca（OH）的火山灰反應速率加快，混凝土結構更加致密，強度得到提升，從耐高溫性能角度來看，水膠比不宜過高。

（3）摻合料摻量對混凝土的耐高溫性能具有一定的影響。當摻合料摻量為30%時，混凝土120℃高溫40h和300℃高溫40h后強度分別為60.6MPa和59.1MPa，與105℃烘干24h后相比，強度均大幅增加，增加幅度分別為26.0%和22.8%。當摻合料摻量為40%時，混凝土120℃高溫40h后強度為48.6MPa，與105℃烘干24h后相比略有損失；300℃高溫40h后強度為55.7MPa，增加幅度僅為12.5%。所以從耐高溫性能角度來看，摻合料摻量不宜過高。

（4）總體來看，較低水膠比和較低摻合料摻量對混凝土的耐高溫性能是有利的。

表6 混凝土的干燥收縮性能指標測試結果

3.4 關鍵耐久性能試驗

設計配合比的耐久性能試驗結果如表5、6所示。

表5 混凝土的抗滲性能和碳化性能指標測試結果

從28d RCM法氯離子擴散系數試驗結果可以看出：

（1）優選配合比混凝土的28d氯離子擴散系數隨水膠比的增加而增大。當水膠比為0.42時，混凝土的28d氯離子擴散系數為6.7×10m/s；當水膠比為0.45時，混凝土的28d氯離子擴散系數為8.5×10m/s，增加幅度為26.8%。這主要是由于水膠比較大時，用水量增加，在水泥漿體中引入的毛細孔增加，這些毛細孔為氯離子的遷移提供了通道。從性能指標要求的IIID環境作用下氯離子擴散系數≤7.0×10m/s的要求來看，應選用0.42水膠比較為合適。

（2）摻合料摻量為30%～40%時，混凝土的28d氯離子擴散系數隨摻合料摻量的增加而明顯下降。當摻合料摻量為30%時，混凝土28d氯離子擴散系數為6.7×10m/s；當摻合料摻量為40%時，混凝土28d氯離子擴散系數為3.7×10m/s，下降幅度約為45%。但對于低強度混凝土來說，摻合料的摻量并不是越高越好，應綜合摻合料對混凝土力學性能和耐久性指標的影響來選擇合適的摻合料摻量。

從抗滲性能試驗結果可以看出，設計配合比的混凝土抗滲等級均大于P9等級，滿足性能指標抗滲等級不低于P8的要求。設計配合比混凝土的氮氣滲透性能遠低于性能指標中氮氣滲透率≤5.0×10m的要求。綜合來看，設計配合比的混凝土具有良好的抗滲透耐久性。

從28d抗碳化性能試驗結果可以看出，0.42和0.45水膠比情況下，隨水膠比變化混凝土的碳化深度沒有明顯變化。混凝土的碳化深度均在7.0mm左右，滿足碳化深度＜10mm的要求。

從收縮試驗結果可以看出，0.42和0.45水膠比下，混凝土沒有明顯的早期收縮，自收縮率僅為17×10和84×10。這主要是因為普通混凝土的水膠比較高，提供給水泥水化的自由水量較多。設計配比的混凝土的干燥收縮隨著齡期的增長逐漸變大。0.42和0.45水膠比下，混凝土的干燥收縮率僅為364×10和369×10，滿足指標中≤600×10m/m的要求。

4 結語

通過對重水堆乏燃料密集貯存用混凝土的配合比設計、試驗及關鍵參數對性能的影響分析，得出以下結論：

（1）混凝土和易性對摻合料摻量較為敏感，過高摻合料的摻加不利于混凝土獲得較好的拌合物性能。

（2）較低水膠比和較低摻合料摻量對混凝土的耐高溫性能是有利的。

（3）水膠比和摻合料摻量對混凝土的氯離子滲透系數影響較大，對混凝土的收縮性能和抗滲透性能并無顯著影響。

（4）重水堆乏燃料密集貯存用混凝土為0.42水膠比、44%砂率和30%摻量的摻合料（編號為YB-2）的配合比設計。