核电站安全壳预应力孔道灌浆

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恰希玛核电站核反应堆厂房安全壳采用了法国FREYSSINET公司K系列后张预应力体系。由于地处沙漠边缘，且预应力施工正值高温季节，昼夜温度均在30℃以上，不能执行本工程主要参考标准法国《90万干瓦压水堆核电站土建设计和建造规则》(RCC—G)中灌浆时对环境温度小于30℃的要求。因此必须针对高温条件进行浆体配合比试验，并模拟现场条件进行孔道灌浆试验，选择满足技术要求的浆体配合比和相应的灌浆工艺，并在实际施工过程中严格控制。
    1、浆体室内配合比试验 
    本工程的预应力施工在综合了法国RCC—G(80版)、美国《混凝土反应堆容器和安全壳规范》ACI一359(89版)和有关中国标准的基础上，制定了《PC工程预应力混凝土安全壳施工规定》。预应力孔道灌浆用水泥浆体的试配，主要针对浆体的流动度、泌水率、凝结时间、化学成分及强度等展开。 
    1．1 水泥浆体原材料选择 
    水泥选择核岛主体混凝土使用的按英国标准生产的枫叶牌525号硅酸盐水泥；水是符合饮用水标准的地下水。相应的水泥和水的化学成分分析符合技术条件的要求。 
    经过对相同配合比、出机温度、贮存条件的多种不同外加剂的水泥浆体的流动度、泌水率和凝结时间等浆体性能方面的分析比较，最后缓凝浆选用FOSROC公司生产的缓凝型减水剂COMPLAST423，膨胀浆选用CONBEX—100为膨胀剂。 
    1. 2 温度对水泥浆体性能的影响 
    环境温度分别为2l℃、36℃时，水泥浆体不同出机温度对出机流动度和存放6h后的流动度影响的试验情况显示，相同环境温度下，出机温度不同，对浆体的流动度影响很小；但在贮存6h以后，浆体出机温度不同，其流动度的变化就很大，出机温度越高流动度下降越快(秒数增加)，但出机温度20℃时浆体的流动度损失较小。而浆体的出机温度可以通过降低水泥温度，使用冷却水来解决。
    据此，选定浆体出机温度20℃，将其置于20、35、40、45℃的环境下贮存并观测其流动度随时间发展的变化。结果表明，环境温度在20一40℃时，相同贮存时间的浆体，温度越高，流动度也高，当温度为45℃时，流动度有所下降，6h为12．8s，但幅度并不大，仍可使用。即在高温条件下，只要控制出机温度在20℃以内，就可以正常进行孔道灌浆施工。
    1．3 从标准浆和缓凝浆试验得到的规律
    在做了大量的配合比试验基础上，我们得到如下规律：①水灰比愈大，流动度愈大，同时泌水率也愈大；②减水剂掺量增加，流动度明显地增大(秒数减少)，同时泌水率也增大；③只要浆体的出机温度控制在20℃以下，对使用过程中的环境温度可以不必控制得太严格，施工时的环境温度可以放宽至40℃；④水泥浆的水灰比与水泥细度有密切关系，为保证一定的流动度，越细的水泥所需的水灰比愈大；⑤在配合比和浆体出机温度已定的情况下，影响水泥浆泌水率的最主要因素是贮存时间，贮存时间愈长，泌水率愈大，所需的泌水吸干的时间也愈长；⑧各种材料在搅拌时的掺加次序严重影响水泥的泌水率。
    1．4 膨胀浆配合比试验 
    为找出影响膨胀浆的流动度、膨胀率和泌水率的因素及其规律，做了大量试验，简要摘录如下： 
    (1)水灰比直接影响流动度、膨胀率和泌水率，水灰比增加，泌水率和流动度加大，而膨胀率明显减少。在膨胀剂掺量一定时，水灰比是决定流动度的最重要因素，因此与缓凝浆不同，只要求其流动度在一定范围内即可。
    (2)温度高的水泥浆由于水泥和膨胀剂的反应速度快，故其膨胀率也最大，正因为初期反应剧烈，在反应后期相对减缓，所以在水泥浆贮存0．5h，再测定其膨胀率时，温度高的水泥浆膨胀最低。
    (3)膨胀率和泌水率随时间发展的规律为膨胀浆从制备到lh左右，膨胀率增长较快，lh后膨胀率逐渐减慢，至3h已极慢，如果浆体贮存0。5h后再测，其规律也如此，只是膨胀减少，泌水增大。 
    (4)膨胀浆的流动度随时间发展的关系为膨胀浆的流动度的下降在初期较快，接近30min时明显减慢，只要尽量做到在0．5h内将浆体用完，其技术性能完全符合要求。
    2、浆体的接收性试验 
    在完成试验室各种试验并得出浆体配合比后，模拟现场施工，验证生产出的浆体是否具有试验室相同的特性，并对其配合比进行修正、确认。 
    2．1 缓凝水泥浆 
    缓凝水泥浆由涡轮式搅拌机生产，该机功率4．5kW，转速1450r／min，附1个J7型搅拌器(功率1．5kW，转速1450r／min)。取样测得出机流动度9．7s，出机温度18．2℃，3h泌水率为0．6％，并在24h内泌水被吸干。
    2．2 标准水泥浆 
    标准水泥浆搅拌设备和制浆工艺同缓凝浆，出机流动度9．2s，出机温度19．6℃，3h泌水率为0．3％，并在24h内泌水被吸干。 
    2．3 膨胀水泥浆 
    膨胀水泥浆使用1个J7型搅拌器在直径600mm、高900mm的罐中生产。试验过程中发现浆体粘底，拌合不匀，流动度损失较快。为此对配合比进行了调整，增加了缓凝型减水剂COMPlAST423，修改了搅拌程序。经对修改后生产出的浆体性能进行系统测试，结果是满意的。
    2. 4 接收试验结论 
    经现场搅拌的接收试验检验，得到如下3点结论：①确定了标准浆、缓凝浆和膨胀浆3种浆体的配合比，它们的性能良好，满足要求，且与试验室的一致；②确认标准浆、缓凝浆的出机流动度可在9一l3s之间，突破RCC—G中l3—19s的限制，膨胀浆突破18—24s的限制；②建议3种浆体的使用范围为标准浆用于起拱不大于1．2m的水平孔道，缓凝浆用于所有预应力孔道，膨胀浆用于弯顶和起拱大于1.2m需二次灌浆部位。
    3、全比例模拟孔道灌浆试验
    3．1 孔道选择
    为能真实地反映出灌浆后孔道内浆体的充实程度和制定出切实可行的灌浆工艺，选择5根最具代表性且灌浆难度相对较大的孔道作全比例模拟灌浆试验：①H85号水平孔道，位于设备闸门下方，向下弯曲3．5m，是水平管中向下弯曲最大的一根；②H88号水平孔道，位于设备闸门上方，上供3．5m，是向上拱高最大的水平管，需在拱起处二次灌浆；②DBl8、l9号穹顶孔道，是拱高最大(7．52m)的穹顶孔道；④垂直孔道，因受条件限制，只搭设了12m高的架子，孔道高度为10m。 
    3．2 主要灌浆设备 
    ①法国产灌浆泵PHl25，最大压力11MPa，泵送量14m3／h，用于泵送缓凝浆；②法国产灌浆泵P200l，最大压力3MPa，泵送量3m3／h，用于泵送膨胀浆；②空压机6m3／min，用于密封性试验及吹风。
    3．3 孔道密封性检查 
    在孔道内穿完钢绞线，并切割完后(不张拉)，安装灌浆帽和各灌浆口的球形阀，进行孔道密封性检查。关闭所有阀门以压缩空气对孔道加压，持压1min，检查灌浆帽、阀门等各处是否密封，同时观察压力表，如降压速度小于0．1MPa／min，该孔道的密封性符合要求，可以进行灌浆。
    3．4 孔道灌浆 
    (1)H88号水平孔道灌浆 采用缓凝水泥浆，灌浆方向从最接近拱起端向另一端进行。灌浆泵出口处浆体流动度达到9—13s时，连接进口端，注意控制灌浆速度，当出口端出现匀质浆体，流动度达到9一l3s时，关闭出口端。升高泵压，持压30s，检查压力稳定性。待缓凝浆灌入若干小时后，用压缩空气对拱起段反复进行吹风，以吹掉该段的全部浆体和水，保持畅通。 
    在缓凝浆硬化后对拱起段灌注膨胀浆。进浆口处浆体流动度在11—24s时，将浆体灌入孔道，直到出浆口处流出匀质浆体，流动度达到11—24s时关闭出口端，保持压力数秒，打开出口端，让孔道内水-浆悬浮液自由地从出口端流出。再次泵浆，直到出口端有匀质浆体流出，此动作可重复1—2次。将两端的灌浆管延伸高出孔道的最高点，保持两端出口处于开放状态，让浆体能自由膨胀和泌水自由流出。
    (2）H85号水平孔道灌浆 采用标准水泥浆，灌浆由最低点向两端分别进行。先由最低点向最接近出口端灌浆，此时关闭另—端，当出口端流出匀质浆体，流动度达到9—13s时，关闭该端，打开另一端，直到该处也流出匀质且流动度9—13s的浆体。为防止在先灌段浆体返流，再次打开先灌段出门阀。泵浆，使该处再次流出匀质浆体。
    (3)DB18、19号穹顶孔道灌浆 采用缓凝水泥浆，灌浆顺序为从一端到另一端。二次灌浆方法同H88号水平孔道。
    (4)竖向孔道灌浆 采用缓凝水泥浆，自下往上压力灌浆。当上端流出勾质、流动度9—13s的浆体时继续泵压，直到顶部重力罐溢浆口有浆体流出。孔道内的泌水往上排入重力罐中，同时重力罐中的浆体对孔道内进行补充，12h后或重力罐内浆体开始变硬时，取下灌浆罐。
    3．5 灌浆结果分析 
    水平和穹顶孔道每5m剖一截面，在二次灌浆区则加密剖面并开设200mm长的观察窗。垂直孔道在顶部承压板往下500mm内每100mm开一剖面，再往下每2．5m剖一截面。水平孔道剖33个截面，所有空隙高度均小于5mm，在二次灌浆区的月牙空隙较明显，但小于5mm，其余部位的空隙小于3mm；穹顶孔道剖22个截面，在拱顶处有2mm左右的空隙；垂直孔道剖7个截面，包括上部端盖在内均为100％充填。
    5根孔道共剖62个截面，其中100％充填42个，占67．7％；A＝3mm以下17个，占27．4％；A＝5mm以下3个，占4．9％。
    参照法国电力公司EDF对大亚湾核电站预应力孔道灌浆的技术条件，月牙形空隙不超过5mm即为合格。据此，本次试验的孔道灌浆充填度为100％，按合格予以验收。
    4、预应力孔适灌浆施工 
    4．1 浆体工程量 
    由于标准水泥浆仅用于水平或微弯的孔道，且与缓凝浆的区别仅在于外加剂掺量的不同，为便于操作，减少施工时出错，在实际施工过程中，所有孔道(共485束)一次灌浆均 使用缓凝浆，二次灌浆为膨胀浆，共灌注孔道长度约3．3万m、245m3水泥浆。 
    4．2原材料控制
    对浆体原材料进场除进行正常的验收外，必须进行每种成分的CL ˉ和NO3ˉ的分析以确定浆体中的含量，特别注意水泥有无假凝现象及水泥细度的检查，贮存时间以不超过3 个月为宜。 
    4．3 温度控制 
    预应力施工经历了819、lo三个月的高温季节，其日间最高温度曾达46℃，因此，这段时间的灌浆施工均安排在夜间气温较低时进行。为保险起见，尽量安排灌浆时的环境温度不超过35℃，并严格控制浆体的出机温度不超过20℃，这是保证灌浆质量的关键。为此，专设水泥(袋装)存放仓库，并加装空调以降低水泥温度；设临时贮冰库和贮水罐，使搅拌水温度不超过4℃。同时尽量缩短浆体的贮存时间，使灌浆时的浆体温度不超过38℃。
    4．4 结论 
    根据全比例模拟试验的结果，制定了一系列预应力孔道灌浆工作程序。对所有参加灌浆施工的人员进行技术培训，模拟操作，考核合格后持证上岗。严格执行工作程序，加强施工过程的监督控制，特别是浆体出机温度不超过20℃，灌浆口和出浆口的流动度不超过规定范围，缓凝浆在制浆完1．5h内、膨胀浆在0．5h内灌注完毕，泵送时的压力控制和灌浆速度控制等，保证了预应力孔道灌浆的施工质量。
    5、体会 
    5．1 有关浆体的技术指标 
    法国RCC—G(80版)、美国ACI一359(89版)对预应力孔道灌浆用浆体的技术要求比较具体、全面，相对而言，我国《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204—92)中对此无具体指标要求。比如，除考虑了施工的可操作性、浆体强度、环境条件外，还考虑了浆体中有害成分对钢绞线的腐蚀问题，但法国RCC—G对此显得比较笼统，而美国ACI—359(89版)对浆体中有害成分比较明确，特别是针对核电站安全壳预应力孔道灌浆，作为补充的R．G导则1．107“安全壳预应力束水泥浆的质量规定”中更是明确：C1ˉ≦100×l0ˉ6或200×l0ˉ6(如果pH≥12)，NO3ˉ≦l00×l0ˉ6、SO42ˉ≦250×l0ˉ6、S2ˉ≦2×l0ˉ6。
    5．2 影响浆体性能的因素
    为找出影响浆体性能的因素及规律，在试验室内做了1200多组2000多次试验，周期很长，由于影响因素多，而且必须考虑其单独和各种因素叠加后对浆体性能产生的影响，故试验必须留有充足的时间，并应制订全面详细的试验方案。
    5．3 浆体接收性试验 
    水泥浆体室内配合比确定后，必须在现场环境—厂，按实际生产方式进行接收性试验。