廣西防城港核電站高強度混凝土配合比設計*

趙志強，劉 軍，劉 康，汪宇雄，荊 銳

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

目前，在建廣西防城港核電站二期3，4號機組采用目前最先進的具有我國自主知識產權的“華龍一號”核電技術，主要為鋼筋混凝土墻板結構，基礎形式為筏基，全廠混凝土用量約為87萬m3。以筏基混凝土為例，強度等級為C40，根據實際水泥選用，混凝土中摻合料總量≤40%，設計要求CI-含量≤膠凝材料總量的0.08%，SO3含量≤膠凝材料總量的4%，混凝土中的堿含量≤3kg/m3，28d齡期抗氯離子擴散系數≤7，56d齡期抗氯離子擴散系數≤4。

2 混凝土原材料及測試方法

通過分析技術規格書、國內相關標準提出混凝土技術指標要求，建立針對核電混凝土的質量保障體系，包括原材料質量、混凝土生產質量、混凝土施工質量。

對所用原材料進行調研、選擇，以滿足技術規格書(BTS)的要求，同時對原材料礦物組成技術指標要求、生產技術措施、場外儲運過程中性能保障及技術措施等做好管控。

2.1 原材料

為保證研究成果具有代表性，所用原料(除拌合水外)均與現場保持一致，如表1所示。其中，水泥和粉煤灰化學組成如表2所示。

表1 試驗用原材料

表2 水泥與粉煤灰化學組成 %

2.2 測試方法

1)混凝土試塊成型 采用臥軸式60L混凝土攪拌機拌制混凝土。混凝土拌合物出機時的坍落度為(200±20)mm。制作尺寸為100mm×100mm×100mm，300mm×100mm×100mm，515mm×100mm×100mm的試塊，分別用于混凝土抗壓強度、彈性模量和干燥收縮試驗。成型后的混凝土試件立即覆蓋塑料薄膜，在室溫下養護1d后拆模，然后在溫度(20±2)℃、相對濕度95%的養護室內養護至規定齡期。

2)混凝土單軸抗壓強度測試 采用濟南試金 2 000kN 抗壓性能試驗機，試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，加荷速度為0.45MPa/s。

3 高強度混凝土配合比設計

項目中大體積混凝土筏基澆筑面臨材料內部溫度變化引發的開裂風險，同時該筏基混凝土又使用了大摻量礦物摻合料。因此，需在現場施工前進行試驗研究。

3.1 混凝土配合比初選

3.1.1正交試驗設計

為給出滿足施工現場要求且早期放熱量較小的混凝土配合比，需將多個關鍵取值設置為變量，通過測試樣品混凝土強度確定各變量。設置的變量包括水膠比、單方膠材用量及粉煤灰占比。為提高試驗效率，引入正交試驗法。為分析各因素對混凝土強度影響的顯著程度，引入空白因素項，因此，在正交試驗設計中，共設置4個因素。各因素水平取值如表3所示。

表3 配合比設計正交試驗中各因素水平取值

根據各項因素和水平的設置結果，選取L9(34)正交試驗表安排試驗(見表4)，據此得到試驗用混凝土配合比(見表5)。

表4 正交試驗設計

表5 各試驗組配合比 kg·m-3

正交試驗中需先對各變化因素給定若干取值水平。為獲得各因素取值水平的大致范圍，依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》(以下簡稱“《規程》”),結合預設的強度等級要求和大體積混凝土特性，對配合比進行預設計，并根據預設計結果確定各因素取值水平(見表3)。需指出的是，粉煤灰占比在依據《規程》的計算基礎上，依據GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》進行適當增加。其目的是通過正交試驗了解粉煤灰在大摻量情況下對混凝土多個性能的影響。

3.1.2正交試驗結果

依據正交試驗方案進行試驗，并對各試驗組3，7，28，60d強度分別進行測試。由于試驗采用的是100mm×100mm×100mm非標準試塊，所測強度依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的規定，乘以0.95進行折算，得到標準抗壓強度值(見表6)。

表6 正交試驗測試結果

從試驗結果可以看出，對于3，7d抗壓強度，試驗組7性能最好，對應的各因素取值為：水膠比0.36，單方膠材用量415kg，粉煤灰占比40%。而對于28，60d抗壓強度，試驗組5性能最好，對應因素取值為：水膠比0.38，單方膠材用量395kg，粉煤灰占比40%。

根據工程要求，混凝土強度等級應達C40。以60d齡期為驗收標準，平均抗壓強度應>48.23MPa，對比表6中60d齡期強度數據，4～9組均達到C40強度等級要求。各齡期下試樣的各因素水平對應的ki值如圖1所示。ki表示某因素第i個水平對抗壓強度的有利程度。同時，由ki極差R可知，混凝土在28d齡期前，影響混凝土強度最主要的因素為粉煤灰占比，其次是水膠比；而當齡期達60d后，影響強度的最主要因素為水膠比，其次為粉煤灰占比，單方膠材用量R值小于空白項R值，說明單方膠材用量對強度的影響可忽略不計。

圖1 各因素不同水平對應的ki值

找出各因素最大ki值，便可得到對混凝土強度最有利的水平取值組合。若以混凝土后期強度為主要評估準則，強度最有利水平組合應取A3B2C3，即水膠比0.36，單方膠材用量395kg，粉煤灰占比40%。此配合比并未出現在正交試驗中，但其對應的力學性能要優于直接從試驗結果中選出的試驗組7，5。在后續補充的驗證試驗中，配合比取A3B2C3時，混凝土60d平均抗壓強度達58.1MPa，超過表6中的各組強度，證明此優化合理有效。

3.2 混凝土泵送試驗

以現場施工條件為依據，確定試驗中泵送長度、設備機械等參數，有針對性地進行對比和驗證試驗，更全面地了解混凝土配合比，更好地指導現場施工。

3.2.1試驗過程

1)選用3.1節優選出的混凝土配合比，即A2B2C3組合。

2)泵送試驗設備機械。試驗混凝土由攪拌站生產，選用攪拌站HBT12020進行泵送，選用φ125泵管進行布置。

3)進行可振搗、耐振搗及產出量試驗。

3.2.1.1耐振搗試驗

根據方案，在現場制作7個木盒進行耐振搗試驗，將混凝土注入木盒中，分別用不同時間進行振搗，振搗完畢后在木盒上用油漆筆標記好振搗時間。

3.2.1.2可振搗試驗

單獨準備2個木盒，混凝土澆筑后，不進行振搗，以澆筑時間為基準，2h后開始對其振搗，每隔0.5h振搗1次，拔出后觀察振搗孔處混凝土，直至振搗孔處混凝土無法恢復原樣，可結束試驗。

3.2.1.3產出量試驗

準備4個容積為1m3的模具，并在高度上進行標識，便于對混凝土量進行觀測。在攪拌機內攪拌1m3混凝土，利用攪拌車運輸至試驗現場，將混凝土注入模具內，采用現場所用的振搗棒按相關要求振搗密實。振搗完成后，測定混凝土容積誤差，在 ±2% 之內方為合格。

3.2.2試驗結果

1)3組混凝土(等待時間分別為30，60，90min)泵送情況良好，無堵泵或泵送壓力不足情況，泵送出的混凝土和易性良好，無分層離析現象，保證了混凝土出泵后的工作性能。

2)混凝土成型后，拆除模板，通過鉆取芯樣，觀察截面分層和密實度，得到混凝土振搗最佳時間為20～30s。

3)根據觀察記錄振搗棒插入孔洞是否可恢復原狀，得到可振搗時間為4～5h。

4)根據測定混凝土容積誤差，容積誤差在±2%之內，證明此種混凝土生產方式合格。

4 實施效果

通過正交試驗和混凝土綜合性能測試，得出優化后的混凝土配合比方案，所制混凝土強度滿足要求。并經過混凝土性能試驗與實際工程證明，此方案得出的混凝土完全滿足設計和質量要求。

5 結語

對防城港“華龍一號”核島項目中大體積混凝土筏基所用建筑原材料進行性能測試，對混凝土配合比進行評估和優化。施工實踐證明，采用此方案得出的混凝土配合比保證了施工質量，完全滿足設計和質量要求，得到了業界的一致好評。