劉宏軍 沈 旦 周大川

（中核核電運(yùn)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(hào)重水堆機(jī)組，乏燃料集中貯存在廠區(qū)內(nèi)的干式貯存設(shè)施內(nèi)，目前已分三批次建成投運(yùn)6個(gè)QM-400型貯存模塊。為滿足機(jī)組潛在的延壽需求，在引進(jìn)加拿大原子能公司模塊式空氣冷卻技術(shù)（簡(jiǎn)稱“QM-400”）的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了M1型乏燃料密集貯存模塊技術(shù)（簡(jiǎn)稱“M1”），M1型模塊更為經(jīng)濟(jì)環(huán)保，具有更低的接觸劑量率水平，建成后將成為國(guó)際上重水堆乏燃料貯存密度最高的臨時(shí)干式貯存模塊，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。由于乏燃料貯存密度的增大，對(duì)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(shè)計(jì)、試驗(yàn)、配合比參數(shù)對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響進(jìn)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(guò)對(duì)M1型模塊正常運(yùn)行工況和事故工況的分析，混凝土性能指標(biāo)要求見(jiàn)表1所示。

表1 混凝土性能指標(biāo)要求

1 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)M1模塊對(duì)混凝土材料力學(xué)性能、物理性能、長(zhǎng)期和耐久性能、氣體滲透性能、耐高溫性能指標(biāo)要求，綜合參考JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》YB/T4252-2011《耐熱混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、GB/T 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

混凝土的彈性模量隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增加，從技術(shù)指標(biāo)要求來(lái)看，彈性模量不低于31.5Gpa，根據(jù)GB/T 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的中混凝土受壓彈性模量的取值以及經(jīng)濟(jì)性考慮，混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)選擇C35，經(jīng)計(jì)算得出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(yàn)

2.1 原材料

本試驗(yàn)所用的水泥為上海金山南方水泥有限公司生產(chǎn)的PⅡ52.5水泥；粉煤灰為嘉興市豐陽(yáng)貿(mào)易有限公司的C類Ⅱ級(jí)粉煤灰；礦粉為常州中天新材料股份有限公司的S95級(jí)礦粉；細(xì)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?guī)r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(chǎn)的ZWL-AIX型高效泵送劑。對(duì)混凝土原材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的系統(tǒng)性測(cè)試，符合質(zhì)量控制技術(shù)要求。

2.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)基準(zhǔn)配合比計(jì)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(shè)計(jì)3個(gè)配方進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和影響分析（見(jiàn)表2）。

表2 混凝土試驗(yàn)配合比

2.3 試驗(yàn)方法

通過(guò)對(duì)三種配方混凝土的性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性；分析基本配合比參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)尤其是耐高溫及耐久性能的影響，優(yōu)化混凝土配方。

高溫力學(xué)性能試驗(yàn)：根據(jù)設(shè)計(jì)配比成型混凝土試塊并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d齡期，將28 d齡期的試塊在105℃條件下24 h烘干后再進(jìn)行高溫試驗(yàn)，高溫條件分別為120℃下持續(xù)40 h和較為嚴(yán)苛的高溫環(huán)境300℃下持續(xù)40 h。通過(guò)測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度和高溫試驗(yàn)后的殘余強(qiáng)度，分析混凝土力學(xué)性能變化及強(qiáng)度損失情況，高溫力學(xué)性能試驗(yàn)試塊狀態(tài)如圖1所示。

圖1 120℃40h高溫后抗壓強(qiáng)度試塊狀態(tài)

關(guān)鍵耐久性能試驗(yàn)：成型混凝土試塊并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d和56d齡期，除測(cè)試關(guān)鍵耐久性指標(biāo)干燥收縮、碳化深度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)外，還對(duì)其自收縮、抗?jié)B性能和氮?dú)鉂B透性能等耐久性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，分析配合比參數(shù)對(duì)混凝土耐久性能影響規(guī)律，氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)狀態(tài)如圖2所示。

圖2 氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)狀態(tài)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 工作性能和硬化密度試驗(yàn)

混凝土工作性能和硬化混凝土密度的試驗(yàn)結(jié)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(shù)相同的情況下，水膠比從0.42增加至0.45時(shí)，混凝土達(dá)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(shí)混凝土拌合物均具有良好的和易性。

（2）當(dāng)摻合料用量從30%增加至40%時(shí)，混凝土的流動(dòng)性明顯增加，甚至出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象，為達(dá)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(jí)粉煤灰等高品質(zhì)礦物摻合料本身具有滾珠效應(yīng)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(fā)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(zhǎng)。

（3）綜合來(lái)看，混凝土的拌合物和易性對(duì)摻合料摻量較為敏感，過(guò)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(yàn)結(jié)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(biāo)≥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(dāng)摻合料摻量達(dá)40%時(shí)，混凝土拌合物的密度不滿足指標(biāo)要求。

（2）混凝土的硬化混凝土表觀密度均滿足性能指標(biāo)要求。

3.2 物理力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土28 d軸心抗壓強(qiáng)度和28 d靜力受壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)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(qiáng)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(duì)28 d靜力受壓彈性模量影響不大。水膠比為0.42和0.45時(shí)，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(qiáng)度和靜力受壓彈性模量均有小幅下降。

（3）綜合來(lái)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(wěn)定。

3.3 高溫力學(xué)性能

3.3.1 基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土28 d抗壓強(qiáng)度及105℃烘干強(qiáng)度力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)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(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）水膠比是決定混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，不管是混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度或是105℃烘干強(qiáng)度都隨著水膠比的降低而小幅增加。當(dāng)水膠比從0.42增加至0.45時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)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(guò)高。

（2）水膠比為0.42的混凝土，其他配合比參數(shù)相同的情況下，當(dāng)摻合料摻量從30%增加到45%時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度略有下降，105℃24 h烘干后，其抗壓強(qiáng)度略有增加，未呈現(xiàn)明顯的強(qiáng)度隨著摻合料用量增加而降低的趨勢(shì)。但30%和40%摻合料摻量的混凝土經(jīng)過(guò)105℃24 h烘干后，其抗壓強(qiáng)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(yīng)在28d齡期時(shí)尚未得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致水泥用量下降的情況下混凝土強(qiáng)度也隨之下降，在干熱養(yǎng)護(hù)條件下，礦物摻合料的活性得到激發(fā)，火山灰反應(yīng)加速，生成的二次水化產(chǎn)物填充毛細(xì)孔使混凝土更加致密，抗壓強(qiáng)度得到提升。

（3）從基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果看，混凝土的水膠比和礦物摻合料摻量不宜過(guò)高。

3.3.2 高溫殘余強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)配合比的高溫殘余強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4和圖3～圖6所示。

圖3 水膠比對(duì)混凝土高溫殘余強(qiáng)度的影響

圖6 不同摻合料摻量混凝土的高溫強(qiáng)度變化

表4 高溫殘余強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 摻合料對(duì)混凝土高溫殘余強(qiáng)度的影響

圖5 不同水膠比混凝土的高溫強(qiáng)度變化

從設(shè)計(jì)配合比的高溫殘余強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析可以看出：

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

（2）無(wú)論水膠比大小，在300℃高溫40h后混凝土的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了增加的現(xiàn)象，這主要是由于300℃以內(nèi)，水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)損傷性分解，礦物摻合料在高溫下活性反而得到激發(fā)，與Ca（OH）的火山灰反應(yīng)速率加快，混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度得到提升，從耐高溫性能角度來(lái)看，水膠比不宜過(guò)高。

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

（4）總體來(lái)看，較低水膠比和較低摻合料摻量對(duì)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(biāo)測(cè)試結(jié)果

3.4 關(guān)鍵耐久性能試驗(yàn)

設(shè)計(jì)配合比的耐久性能試驗(yàn)結(jié)果如表5、6所示。

表5 混凝土的抗?jié)B性能和碳化性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

從28d RCM法氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）優(yōu)選配合比混凝土的28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水膠比的增加而增大。當(dāng)水膠比為0.42時(shí)，混凝土的28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為6.7×10m/s；當(dāng)水膠比為0.45時(shí)，混凝土的28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為8.5×10m/s，增加幅度為26.8%。這主要是由于水膠比較大時(shí)，用水量增加，在水泥漿體中引入的毛細(xì)孔增加，這些毛細(xì)孔為氯離子的遷移提供了通道。從性能指標(biāo)要求的IIID環(huán)境作用下氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤7.0×10m/s的要求來(lái)看，應(yīng)選用0.42水膠比較為合適。

（2）摻合料摻量為30%～40%時(shí)，混凝土的28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨摻合料摻量的增加而明顯下降。當(dāng)摻合料摻量為30%時(shí)，混凝土28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為6.7×10m/s；當(dāng)摻合料摻量為40%時(shí)，混凝土28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為3.7×10m/s，下降幅度約為45%。但對(duì)于低強(qiáng)度混凝土來(lái)說(shuō)，摻合料的摻量并不是越高越好，應(yīng)綜合摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性指標(biāo)的影響來(lái)選擇合適的摻合料摻量。

從抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)配合比的混凝土抗?jié)B等級(jí)均大于P9等級(jí)，滿足性能指標(biāo)抗?jié)B等級(jí)不低于P8的要求。設(shè)計(jì)配合比混凝土的氮?dú)鉂B透性能遠(yuǎn)低于性能指標(biāo)中氮?dú)鉂B透率≤5.0×10m的要求。綜合來(lái)看，設(shè)計(jì)配合比的混凝土具有良好的抗?jié)B透耐久性。

從28d抗碳化性能試驗(yàn)結(jié)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(méi)有明顯變化?；炷恋奶蓟疃染?.0mm左右，滿足碳化深度＜10mm的要求。

從收縮試驗(yàn)結(jié)果可以看出，0.42和0.45水膠比下，混凝土沒(méi)有明顯的早期收縮，自收縮率僅為17×10和84×10。這主要是因?yàn)槠胀ɑ炷恋乃z比較高，提供給水泥水化的自由水量較多。設(shè)計(jì)配比的混凝土的干燥收縮隨著齡期的增長(zhǎng)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(biāo)中≤600×10m/m的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)重水堆乏燃料密集貯存用混凝土的配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及關(guān)鍵參數(shù)對(duì)性能的影響分析，得出以下結(jié)論：

（1）混凝土和易性對(duì)摻合料摻量較為敏感，過(guò)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(duì)混凝土的耐高溫性能是有利的。

（3）水膠比和摻合料摻量對(duì)混凝土的氯離子滲透系數(shù)影響較大，對(duì)混凝土的收縮性能和抗?jié)B透性能并無(wú)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(hào)為YB-2）的配合比設(shè)計(jì)。