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C60
石灰石
高强
混凝土
配制
技术
年 月下第 卷 第 期施工技术(中英文):石灰石粉高强混凝土配制技术向 群(中国核工业华兴建设有限公司,江苏 南京)摘要 以巴基斯坦卡拉奇核电厂二期工程为依托,进行不同掺量的石灰石粉混凝土配制试验、经济性对比分析及现场施工模拟试验等,最终配制出满足当地施工环境下的 石灰石粉高强混凝土,该混凝土也是国内外首次单掺石灰石粉配制的 高强混凝土。目前卡拉奇核电项目已浇筑 万 的 石灰石粉混凝土,强度满足设计要求、外观质量良好,证明了所配制 石灰石粉高强混凝土的实用性及可靠性。关键词 混凝土;石灰石粉;掺合料;和易性;强度;试验中图分类号 文献标识码 文章编号()(,):,:;作者简介 向 群,高级工程师,:收稿日期 引言 巴基斯坦卡拉奇核电厂二期工程采用中国自主三代核电“华龙一号”核电机组,设计的混凝土最高强度等级为。巴基斯坦工业水平相对落后,当地缺少粉煤灰、硅粉等掺合料,在没有掺合料的情况下,采用纯水泥配制 混凝土的水泥用量达 以上,高水泥用量增大了混凝土裂缝的控制难度,存在较高的质量风险。若从中国国内进口掺合料将增加经济成本,且海运的防潮、存储及运输周期存在不确定性,会影响整个工程项目的进展。同属巴基斯坦境内已建的恰希玛核电 项目通过在混凝土配合比中添加石灰石粉降低水泥用量、改善混凝土的和易性,经过实际施工验证具有较好的效果,但恰希玛核电配制的混凝土最高强度等级为,且按 强度进行配合比设计,而卡拉奇“华龙一号”核电要求 混凝土按 强度进行混凝土配合比设计。两者混凝土强度等级差别较大,配制难度也不同,同时国内外还没有采用石灰石粉配制 高强混凝土的先例,能否通过掺加石灰石粉配制出满足要求的 高强混凝土存在不确定性。今后我国将陆续出口巴基斯坦“华龙一号”核电机组,因此,如何实现混凝土配合比的经济性的同时,又能满足混凝土施工质量,是亟需解决的问题。工程概况 卡拉奇核电厂二期工程位于巴基斯坦信德省卡拉奇市()西部阿拉伯海北岸边,采用中国 施工技术(中英文)第 卷自三代核电“华龙一号”核电机组,是我国出口到海外的“华龙一号”首堆工程,整个工程的混凝土总量约为 万,最高强度等级为,其中 混凝土 总 量 为 万、单 次 浇 筑 最 大 量 约,混凝土使用部位为核岛的内外安全壳、壳结构等结构部位,该部位均为核电厂的核心关键部位。混凝土原材料的性能和质量 巴基斯坦全国范围的水泥厂仅能生产 级硅酸盐水泥,水泥的 平均抗压强度只有 左右,强度富余度较低,当地水泥实际检测 水化热为 ,高于国内水泥的水化热(国内核电一般控制水泥 水化热不大于 ),混凝土前期的水化热较大,对裂缝的控制不利。石灰石粉由大理石等石材研磨而成,巴基斯坦当地石料资源丰富,且有大量的石灰石粉加工厂,石灰石粉掺入到混凝土中可提高拌合物的流动性,改善混凝土的空隙结构,但石灰石粉是非活性掺合料,掺量需通过配合比试验进行对比分析确定。混凝土所用的砂石骨料为项目砂石厂自制砂石,机制砂比河砂的吸水率大,混凝土配制用水量会增加,导致胶凝材料用量增加。混凝土质量风险 “华龙一号”核岛 混凝土使用部位结构尺寸大,其中外壳和 壳厚 ,且卡拉奇的平均气温达 以上,最高温度达,高环境温度再加上高水泥用量,对混凝土施工与养护都非常不利,混凝土裂缝控制难度大,存在较高的质量风险。表 不同水灰比下的 抗压强度 配合比编号水灰比试拌配合比()水水泥中砂碎石级配 外加剂出机坍落度 和易性 抗压强度 较差 较差 一般 混凝土的经济成本 项目前期进行了初步测算,若将粉煤灰或硅粉掺合料从中国国内进口到巴基斯坦,按照“华龙一号”台机组 混凝土总量近 万,至少需花费 万元左右,会大大增加混凝土的经济成本,提高造价。石灰石粉高强混凝土配制及试验 石灰石粉高强混凝土配制 在巴基斯坦恰希玛核电站 石灰石粉混凝土使用经验的基础上,通过在 混凝土中掺加不同数量的石灰石粉进行相关配合比试验,检验混凝土的和易性和强度是否满足要求。卡拉奇核电 混凝土相关要求为:立方体最小抗压强度不小于,最大水胶比为 ,最小胶凝材料用量为 。现场材料中,细骨料为机制中砂;粗骨料为,种规格的机制碎石,以 比例混合后,满足 连续级配碎石要求;水泥 平均抗压强度仅为 左右,强度富余系数较低。确定配合比试验混凝土配制强度 依据 普通混凝土配合比设计规程第 条,配合比试验时的混凝土配制强度应不低于 。初步确定用水量及水灰比 依据普通混凝土配合比设计规程第 条,结合以往经验初步选取砂率,用水量 ,水泥用量(,即水灰比 ),再通过试验确定满足配制强度的水灰比。在没有掺合料的情况下,实验室通过大量的试验分析,梳理汇总出满足强度要求的 个配合比(见表),但只有配合比 的和易性基本能满足。确定最佳砂率 通过改变不同的砂率对比混凝土出机坍落度与和易性,确定混凝土中的最佳砂率,试验结果如表 所示,最佳砂率为。确定石灰石粉用量 在水泥用量、砂率、外加剂掺量等参数不变时,通过添加不同的石灰石粉用量对比混凝土性能和强度,然后选取最佳石灰石粉用量,如表 所示。由表 可知,以石灰石粉作为掺合料能改善混凝土的和易性,但随着石灰石粉掺量的增加,混凝土坍落度开始变小,强度降低较明显,其中配合比 最优,因此选择配合比 作为初步配合比。向 群:石灰石粉高强混凝土配制技术 表 不同砂率下的混凝土拌合物性能 配合比编号砂率试拌配合比()水水泥中砂碎石级配 外加剂出机坍落度 和易性 流动性差 较差 一般 较差表 石灰石粉用量对混凝土性能的影响 配合比编号试拌配合比()水水泥石粉中砂碎石级配 外加剂出机坍落度 和易性 抗压强度 一般 良好 较好 较好 表 混凝土配合比和易性验证 配合比编号试拌配合比()水水泥石粉中砂碎石级配 外加剂出机坍落度和易性 抗压强度 流动性一般,无黏底,无泌水 流动性良好,无黏底,无泌水 流动性良好,稍黏,无泌水 验证试验确定实验室配合比 经过上述试验后,对选定的初步配合比的经济性及混凝土和易性进行验证,从而确定混凝土配合比,试验数据如表 所示。由表 可知,在石灰石粉定量的情况下,随着水泥用量的增加,混凝土逐渐变黏,强度变大,经济性变差。最终对比确定配合比 为卡拉奇项目 石灰石粉高强混凝土。石灰石粉高强混凝土全性能试验 由于 石灰石粉高强混凝土为首次使用,为充分验证混凝土的力学、热工、耐久性等指标,委托国内有资质的混凝土检测机构对 石灰石粉高强混凝土进行全性能试验,如表 所示。试验证明该配合比全性能的各项指标均满足要求,也验证了 石灰石粉高强混凝土的可靠性和科学性。石灰石粉高强混凝土经济性比较 为验证 石灰石粉高强混凝土的经济性,与其他配制方式(不掺、单掺、双掺)的 混凝土成本进行对比,所有配制的 混凝土均满足设计要求。表 混凝土物理力学性能试验 试验项目试验数据参考值试验结果坍落度 符合要求 抗压强度 抗压强度 抗压强度 符合要求 劈裂抗拉强度 劈裂抗拉强度 劈裂抗拉强度 符合要求 静力受压弹性模量 静力受压弹性模量 符合要求 泊松比 混凝土配制分为不掺(纯水泥)、单掺(粉煤灰、石灰石粉、硅粉)和双掺(粉煤灰和硅粉、粉煤灰和石灰石粉、硅粉和石灰石粉)的 混凝土配合比,再根据混凝土中每种原材料的价格计算每 混凝土的综合单价,其中水、水泥、砂石、石灰石粉在巴基斯坦当地采购,外加剂、粉煤灰、硅粉考虑从中国进口,混凝土各种配合比经济性如表 所示。施工技术(中英文)第 卷表 混凝土热学性能试验 试验项目试验数据参考值试验结果 龄期、时的比热 ()符合要求 导热系数()符合要求 导温系数()符合要求 线膨胀系数 ()符合要求 绝热温升值 表 混凝土徐变、干缩率、碳化等耐久性能试验 ,试验项目试验数据 徐变徐变度为 ,徐变系数为 的收缩率 碳化深度 表 混凝土各种配合比经济性比较 项 目用水量()水泥()砂()石()外加剂()石粉()粉煤灰()硅粉()综合单价(元 )单价(元)运费(元)合价(元)配合比 配合比 配合比 配合比 配合比 配合比 由表 可知,粉煤灰和硅粉对混凝土单价影响大,尤其是硅粉对价格影响最大,配合比 掺加硅粉,综合单价最低的配合比 也比不掺活性掺合料的配合比 高 元;配合比 采用单掺粉煤灰,综合单价有所下降,但也比配合比 高近 元,综上,掺加石灰石粉的配合比 经济性最高。另外采用粉煤灰或硅粉需在搅拌站增加储存罐,初步统计每个机组增加 个 储存罐,共计 个,共需 万元。台机组安全壳和 壳 混凝土总量近 万,采用掺加石灰石粉作为掺合料比掺加粉煤灰直接材料成本就要减少 万元,另外加上建设粉煤灰贮存罐的费用 万元,共节约费用 万元。石灰石粉高强混凝土现场施工模拟试验 为了验证 石灰石粉高强混凝土的施工性能、配合比是否满足卡拉奇高温条件下施工质量要求、泵送性能可靠性及混凝土成型后外观质量和裂缝控制等情况,进行现场施工模拟试验。本次模拟试验选择在卡拉奇 月份高温季节,环境温度,选用塔式起重机基础下平台()混凝土浇筑代替模拟墙体进行测试,浇筑设备和管线也完全模拟安全壳混凝土浇筑过程,布料机高度为 (浇筑半径)、泵管总长约,其中包括 个 弯头和 个 弯头。对混凝土施工从搅拌、运输、浇筑等全过程进行实际操作模拟试验,现场施工模拟试验布置如图 所示。图 现场施工模拟试验布置 试验过程及分析 对随机 车混凝土的出机坍落度和温度、入泵 向 群:石灰石粉高强混凝土配制技术 坍落度和温度进行测定和记录,其中 车按正常的浇筑速度卸料、另外 车离站时间与开始卸料间隔时间人为控制在 左右。通过现场的数据记录和汇总,组数据中混凝土出机温度均在 以内(混凝土生产中加入 冰),入模温度均在 以内,混凝土的出机坍落度均满足设计要求,具体如表 所示。表 混凝土现场实测坍落度和温度 出机温度入模温度出机坍落度现场坍落度坍落度损失离站时间开始卸料时间 :由表 可知,混凝土从出机到开始卸料控制在 以内,混凝土的坍落度基本没有损失;从出机到开始卸料控制在 以内,混凝土坍落度损失在 以内,整个浇筑过程中混凝土的和易性、流动性良好,具有良好的可泵性,另外经测定 石灰石粉混凝土的可振捣时间为 左右。现场混凝土试块强度 为验证 石灰石粉高强混凝土抗压强度发展趋势,分别成型了 次标准养护和同条件养护试件,每次成型 组(组标养和 组同条件),测定,抗压强度。通过试块的强度数据分析,石灰石粉高强混凝土在前 的强度增长较快,而 后混凝土强度增长减缓。试验结果如表,图 所示。本次模拟试验验证了 石灰石粉高强混凝土在高温条件下的和易性良好,施工性能均能满足要求,混凝土浇筑成型后外观质量良好,同时获取了混凝土坍落度、温度、强度的变化趋势数据及高温条件下的养护方式等相关宝贵数据。表 石灰石粉高强混凝土模拟试验强度 序号标养抗压强度 同条件抗压强度 平均值 图 标养及同条件试件抗压强度与龄期的关系曲线 结语 )目前 石灰石粉高强混凝土在巴基斯坦卡拉奇二三号机组中已浇筑 万,所使用结构部位的混凝土强度满足设计要求,外观质量良好。石灰石粉高强混凝土是国内外首次单掺石灰石粉配制的高强混凝土,在经济上,为卡拉奇项目部避免了从中国国内大量进口粉煤灰掺合料,取得了较好的经济效益,为项目节约成本 万元。)验证了在混凝土中掺加适量的石灰石粉能改善混凝土和易性,达到减少水泥用量的效果,且石灰石粉混凝土的各项性能在高温环境下稳定可靠,但石灰石粉的掺量需根据具体配合比指标来确定,掺量少了起不到效果、掺量多了混凝土和易性变差。参考文献:曹双梅,李建华石灰石粉取代部分水泥在混凝土中的试验研究混凝土与水泥制品,():,():宋少民,刘娟红,徐国强石灰石粉在混凝土中应用的综述与研究混凝土世界,():,():施工技术(中英文)第 卷 李化建,赵国堂,谢永江,等石灰石粉作为混凝土矿物掺合料应用问题的探讨混凝土与水泥制品,():,():赵伟掺石灰石粉的高强混凝土制备试验研究山西建筑,():,():李悦,丁庆军,胡曙光石灰石矿粉在水泥混凝土中的应用武汉理工大学学报,():,():,陈炜一,周予启,阎培渝石灰石粉对胶凝材料水化及混凝土性能的影响研究施工技术(中英文),():,