蛇纹石混凝土在田湾核电站的实验与应用

王开华，钱伏华

（中国核工业建设集团公司，北京　100037）

蛇纹石混凝土在田湾核电站的实验与应用

王开华，钱伏华

（中国核工业建设集团公司，北京100037）

蛇纹石混凝土的配置，骨料的选择是非常重要的。文章从蛇纹石混凝土原材料选择、配合比的试验和调整等方面，详细阐述了特殊的物理性能和工程的应用，为蛇纹石混凝土的推广和应用提供了翔实的资料。

蛇纹石混凝土；中子流；干保护

1　蛇纹石混凝土特点

氢是最轻的元素，氢在水中含量很多，某些混凝土中含有很多结合水。此外混凝土又具有容重大、易施工和强度高、耐久性好等特点，因此广泛应用于射线防护结构。

蛇纹石混凝土是一种容重大、化学结合水含量高，广泛用于长期在高温（最高达450 ℃）条件下工作的生物屏蔽结构的抗辐射材料。它是一种将黏结材料（硅酸盐水泥和水）和蛇纹石骨料（砂和碎石）的混合物硬化后得到的人工石料。

2　蛇纹石混凝土的配制

2.1材料要求

（1）胶凝材料

水泥应为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号不应低于325号。

（2）蛇纹石骨料

蛇纹岩属于变质岩，通常是由超基性（富镁质）岩石经气液交替作用而形成，主要由各种蛇纹石组成，包括：叶蛇纹石、纤维蛇纹石和利蛇纹石等，致密块状隐晶质结构、片状至弱片状构造，常呈暗率至黄绿等颜色。蛇纹石含有一定量的化合水，通常分子式可写成3M g O·2S i O2·H2O，理论成分为：M g O占43.64%，SiO2占43.36%，结晶水占13.00%。

用于蛇纹石混凝土的骨料中不能含有杂物，洗净碎石中的粉尘、盐分、黏土颗粒和游离石棉纤维含量不宜超过2%；黏土块含量不宜超过0.25%。砂中游离石棉纤维的含量不宜超过0.5%。蛇纹石骨料中的成分需满足MgO不小于30.0%；SiO2不小于35.0%；结晶水含量不小于10.0%。蛇纹石骨料的比重不小于2.5 g/cm3；蛇纹石碎石的松散容重不小于1 460 k g/m3，紧密容重不小于1 670 k g/m3；蛇纹石砂的松散容重不小于1 280 k g/m3，紧密容重不小于1 560 kg/m3。

2.2混凝土配合比初步试验

（1）原材料试验

1）本试验采用安徽某水泥厂生产的P·Ⅱ525硅酸盐水泥，其各项物理力学指标均满足国标要求。

2）试验采用的蛇纹石骨料由广西某非金属矿粉厂提供。粗骨料为3～40 m m连续级配碎石，细骨料为0.25～1.25 m m级配砂（由0.25～0.63 m m和0.50～1.25 m m两种粒级以1∶5质量比混配而成），砂石各项指标满足俄罗斯标准要求。

（2）配合比试验

蛇纹石防护混凝土配合比设计基本上和普通混凝土一样，只是要优先考虑容重和化学结晶水的含量要求。在初步配合比试验阶段，参考田湾核电站干保护技术规格书要求，在满足容重和化学结合水率的前提下，根据现场施工要求和原材料情况试验，在反复试验的基础上确定了施工配合比。

对上述配合比进行验证试验，在满足坍落度40～60 mm条件下，该配合比混凝土实测容重为2 390 kg/m3，烘干后干容重为2 290 kg/m3。实测容重满足不低于2 320 kg/m3要求。

（3）蛇纹石混凝土配合比可行性试验

对选定配合比，在搅拌站搅拌进行可行性试验。实测混凝土坍落度为55 mm，混凝土湿容重为2 400 kg/m3，混凝土和易性、黏聚性和保水性均较好，混凝土物理力学性能完全满足施工技术要求。

3　蛇纹石混凝土耐高温试验

3.1水分损失试验

蛇纹石混凝土最大特点是高温后其内部结合水不易分解。由于核反应堆中是一个放热过程，其围护结构温度较高，在300 ℃以上温度时，如果蛇纹石内部结合水损失过多，则对中子流的屏蔽作用会大大减弱。因此，蛇纹石混凝土内部结合水的高温稳定性能，对蛇纹石混凝土防护效果就非常重要。

试验过程是将蛇纹石混凝土试件放入150 ℃的烘箱中，烘至恒重，使其中的自由水完全挥发，然后将烘过后称重了的试件立即置于300 ℃的烘箱中，烘至恒重（见表1）。

从表1可以看出，试样从150 ℃至300 ℃时，重质量损失率为0.1%，说明在300 ℃高温下，蛇纹石混凝土内部结合水基本不分解。另外，蛇纹石混凝土试样从饱和面干状态烘至300 ℃时，其28天抗压强度为41.9 MPa，也大大满足10～15 MPa的要求。

3.2混凝土结晶水含量试验

蛇纹石混凝土就是因其结晶水含量高才能在核电工程上得到应用，我们通过测定几种混凝土结晶水含量来比较几种混凝土的不同（见表2）。

从比较结果可看出：蛇纹石混凝土在450 ℃温度下，化学结晶水基本不分解。由于蛇纹石中结晶水含量高，蛇纹石混凝土内结晶水含量也远远高于磁铁矿混凝土和普通混凝土（蛇纹石混凝土中结晶水含量达200 kg/m3以上）。可见对于有防中子要求的屏蔽混凝土，蛇纹石混凝土是最佳的。

表1　试验数据Table 1　The test data

表2　几种试验用混凝土配合比Table 2　Several kinds of concrete mixing proportion

系列1——蛇纹石混凝土温度结晶水变化曲线；系列2——磁铁矿混凝土温度结晶水变化曲线；系列3——普通混凝土1温度结晶水变化曲线；系列4——普通混凝土2温度结晶水变化曲线；系列5——蛇纹石温度结晶水变化曲线

4　蛇纹石混凝土施工要求

蛇纹石混凝土搅拌时间，应比普通混凝土时间延长。其投料顺序及搅拌时间宜设置为：加骨料搅拌10 s→加水泥搅拌15 s→加1/3水搅拌30 s→加剩余水搅拌60 s→出料。计量精度：水泥和水为±1%，骨料为±2%。

浇筑混凝土时应保证混凝土的均匀性并防止离析。蛇纹石混凝土应分层浇筑，每层最大厚度应不超过150～200 mm，采用振捣棒振捣。振捣过程中应密切注意混凝土表面，以混凝土面不再显著下沉且有较少气泡冒出为宜，振捣时间为20～40 s，振捣点间距400 mm左右，当空腔面积较小时，可适当缩短振捣时间，加密振捣点，应杜绝过分振捣以免离析。每层混凝土捣实之后，浇筑下一层，直到完成整个空腔的浇筑。顶层混凝土应抹面和压光。

蛇纹石混凝土浇筑之后，在最初的24 h，混凝土的硬化温度应保证不低于15 ℃。混凝土终凝后表面应覆盖一层保湿材料，每昼夜应浇水3次养护，养护时间不少于7天。

如果在冬季现场浇筑蛇纹石混凝土，应使用加温围护。

5　蛇纹石混凝土在核岛使用情况

田湾核电站干保护为一个围绕在反应堆堆芯周围的厚壁蛇纹石混凝土筒体。干保护内蛇纹石混凝土起到防止辐射和热屏蔽作用。

浇筑蛇纹石混凝土的干保护框架为一个顶部开口的永久性固定框架。混凝土通过上开口浇筑到干保护中。干保护在操作前应进行热处理，以消除混凝土中的自由水，确保离子室性能的可靠性和精确性。蛇纹石混凝土施工前，先将加热元件安装到筒体腔内，浇筑混凝土10天后开始按规定程序加热蛇纹石混凝土，加热最高温度不得超过450 ℃，加热工作一般需持续1个月左右，直至混凝土中的自由水完全挥发为止。

核电现场搅拌站为1号核岛搅拌蛇纹石混凝土近100 m3，所施工的蛇纹石混凝土各项指标均满足施工要求。干保护在浇筑与热处理之后满足所有设计要求，并且可以确保田湾核电站蒸汽供应系统的可靠运行。

［1］ 杨佰科，等.混凝土实用新技术手册［M］.吉林：吉林科学技术出版社，1998.（YANG Bai-ke， et. al. Manual of practical new technology for the concrete ［M］. Jilin：Jilin Science and Technology Press， 1998.）

Serpentine Concrete in the Experiment and Application of Tianwan Nuclear Power Station

WANG Kai-hua，QIAN Fu-hua
（China Nuclear Engineering and Construction Corporation，Beijing100037，China）

The choice of the configuration of the serpentine concrete aggregate is very important. From selection of serpentine concrete raw materials， and test and adjustment of mixture ratio， the paper elaborates in detail the special physical properties and engineering application， and provides detailed information for the promotion and application of the serpentine concrete.

serpentine concrete； neutron flow； dry protection

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0038-04

TL37

A

1674-1617（2015）01-0038-04

2014-11-30

王开华（1946—），男，安徽安庆市人，博士，研究员级高工，国家注册安全工程师，一级建造师。