自密实混凝土性能及其在核电工程中的应用.pdf

2 0 1 4 年 第 8期 (总 第 2 9 8 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI CAL TE CHN0L OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 8 0 4 1 自密实混凝土性能及其在核电工程中的应用 付传清 1 I2 。金 贤玉 2 1金南国 。龚灵力 。 ( 1 浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ；2 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 3 1 0 0 5 8 ) 摘要 ： 为了解决核电工程混凝土结构钢筋密集带来的施工困难 ， 拓宽 自密实混凝土( s c c) 的应用范围， 根据某核电工程的设计 强度要求 ， 配制了附加矿物外加剂的 S C C 。 通过室内长龄期试验 ， 测定了 S C C与对 比振捣混凝土试件 的长期力学性能和抗裂性能 ； 进行了现场试验， 通过预埋传感器测定了试验基础混凝土的温度场和应变场分布。 结果表明 ： S C C的长期力学性能和抗裂性能较 好 ， 可以达到对比振捣混凝土水平 ； S C C工作性能及力学性能可以较好满足核电工程的使用要求， 现场浇筑的混凝土密实性良好 ； 现场测得 S C C的温度场和应变场数据可为 S C C在核电工程混凝土中的应用提供参考。 合理配制的 S C C可以在保证材料性能的前 提下 ， 解决钢筋密集难以浇筑混凝土的问题， 大幅提高施工效率 ， 具有较好的应用前景。 关键词： S C C；核电工程 ；力学性能 ；抗裂性能 ；温度场 ；应变场 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 3 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 1 4 8 0 5 P r o p e r t i e s o f s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e a n d i t s a p p l i c a t i o n i n n u c l e a r p o we r p r o j e ct FUChu a n q i n g1 , 2 J 1 N X a n y u2 , J I N Na n g uo ， GONGLi n gl i ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g in e e ri n g a n dA r c h i t e c t u r e ， Z h a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d Arc h i t e c t u r e ， Z h e j i a n g U n i v e r s i ty， H a n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ， C h i n a ) Abs t r act： I n o r d e r t o s ol v e t h e p r o b l e m o fp o u r i ng c o n c r e t e i n n u c l e a r p o we r p l a n t wi t h i n t e n s i v e s t e e l ， b r oa d e n t he a p pl i c a t i o n s c o p e of SCC， a k i n d o f SCC wi t h a d d i t i o na l mi n e r a l a d mi x t u r e wa s p r e p a r e d a c c o r d i ng t o t h e d e s i g n r e q u i r e me nts Th r ou g h t h e i n d o or l on g t e r m t e s t ， t h e me c h a ni c a l p r o pe rti e s a n d c r a c k r e s i s t an c e c hara c t e riz e o f SCC a nd v i br a t e d c o n c r e t e we r e d e t e rm i ne d By e mb e d d i n g s e ns o r s i n f o u n da t i o n c o n c r e t e i n t he fie l d t e s t ， t h e t e mp e r a t u r e a n d s t r a i n di s t r i bu t i on s we r e g i v e n Th e t e s t r e s u l t s i nd i c a t e d t h a t t h e pr o p e r t i e s of S CC c a n r e a c hthel e v e l ofv i b r a t e d c o n c r e t e W o r k a b ili t ya ndme c h a n i c a l pr o pe rti e s o fSCC C an s a t i s f yt hede s i gn r e q u i r e me n t s of nu c l e a r p r o j e c t T h e S C C p o u r e d i n t h e fi e l d t e s t i s d e n s e e n o u g h T h e t e m p e r a t u r e and s t r a i n d a t a i n the c o n c r e t e f o und a t i o n C an p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r SCC a p pl i c a t i o n i n n u c l e ar p owe r p l ant c o nc r e t e Th e r e a s o n a bl e p r e p are d S CC c a n e n s ur e the ma t e ria l pr o pe r t i e s ， s ol v e the p o u r i ng p r o bl e m wi t hi n t e n s i ve s t e e lan d s u b s t a n t i a l l yi n c r e a s ethe e ffi c i e nc yof c o ns t ruc t i o n， a n dh a s g o oda p pl i c a t i o np r o s pe c t s K e y wo r d s ： S C C； n u c l e arp r o j e c t ； me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； c r a c k r e s i s t a n c e ； t e m p e r a t u r e fi e l d ； s tr a i n fi e l d 0 引言 自 l 9 8 6 年 日 本东京大学冈村甫教授提 出 自密实混凝 土 ( 简称 S C C ) 的概念 以来 l1 ， S C C因其 拌合物 的“ 自密实 性” 而得到了不 断地发展 2 1 。 S C C无需振捣 ， 相对于普通振 捣混凝土 ， 能够提高施工效率并缩短工期 ， 改善施 工环境 及安全性 ， 且有利于节省电能和人力 。 因 S C C本身的特殊 性 ， 可大量掺加多种矿物外加剂 ， 有利于资源 的综合利用 和生态环境保护 ， 是混凝 土工艺史上的一项重要革新翻 。 关 于 S C C配制方法 的研究 已经有了一些成果 ， 但是在结 合工程应用方面的研究仍存在不足 。 核 电工程与一般工业 、 民用建筑 工程相 比， 具 有一定 地特殊性 ， 具体表现为 ： 钢筋 密度大 、 结构复 杂 ， 采 用普通 振捣混凝土难 以或根本无法通过稠密的钢筋 间隙， 不易振 捣 密实 ， 施工存 在较 大困难 。 本试验 以某大型核电工程现 收稿 日期：2 0 l 4 - 0 2 _ J 0 4 1 48 场需求为背景 ， 通过试验室和现场试验 ， 进行 S C C在核电 工程混凝 土 中的应用研究 。 以工程应用为驱动 ， 进一 步研 究 S C C的物理力学性能 ，提取现场一手试验数据为 S C C 在核电工程混凝土中的应用提供参考。 1 原材料与 配合 比 试验用水泥 、 砂 、 石子 、 粉煤灰均采用核电工程现场原 材料 。 由于掺加矿 粉能较好地 提高混凝 土抗氯 离子渗 透 性17 - 8 ， 根据工程需求 ， 在现场原材料 的基 础上增加了矿粉 作为矿物掺合料 。 配制混凝土所采用原材料如下 ： 水泥采用上海万安企业 总公 司生产的万安 P I I 4 2 5 级 水泥 ， 密度为 3 1 4 0 k g m 3 ， 碱含量 0 4 2 ； 粉煤灰为上海市新 号 I I 级商品粉煤灰 ，密度 2 2 1 0 k g r n s ；矿粉选用浙江合力 H L型复合矿物外加剂， 密度为 2 8 8 0 k g m 3 ； 石子采用核电工 程现场采 石场生产 的粒径 为 5 1 6 mm连续 粒级 的碎 石 ； 砂为闽江中砂 ， 细度模数 2 8 5 ； 减水剂采用聚羧酸系高效减 水剂 P C A， 含固量为 3 7 ， 密度为 1 2 7 0 k g m 。 ； 水采用 自来水。 根据设计要求 ， 配制 强度为 C 3 5的 S C C与现场 已经 采用的同强度等级振捣混凝土进行对比。 其中， Z M3 5 为 C 3 5 的 S C C； J Z 3 5 为 C 3 5 对 比振捣混凝土 ， 配合 比见表 1 。 表 1 混凝土配合比 立 方体抗 压强 度及 劈裂 抗拉 强度 试验试 件 尺寸 为 1 0 0 mm x l O 0 mm x l O 0 m m， 轴心抗压强度和弯拉强度试件尺 寸分别为 ： 1 0 0 mmx l O 0 m mx 3 0 0 mm和 1 0 0 m mx l O 0 m m 4 0 0 m m， 试验过程按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力 学性能试验方法标准 进行 。 2 长龄 期力 学性能试验结果及分析 混凝土的力学性 能指标是结构设计 的基本依据 。 鉴于 核 电工程对结构安全性和混凝土材料 的稳定性要求较高 ， 将 S C C应用于实际工程前 ， 进行 了 S C C与对比混凝土长龄 期力学性能试 验 ， 龄期长达 5 6 0 d 。 抗压强度 、 劈拉强度 、 轴 心抗压强度和弯拉强度的长龄期试验结果如 图 1 、 4所示 。 从 图 1 、 4 可 以看 出 ， S C C与对 比混凝 土抗压强度 、 劈 拉 强度 、 轴心抗 压强度和弯拉强度发展规律一致 ， 均表现 t d 图 1 抗压强度随龄期增长规律 t d t d 图 3 轴心抗压强度随龄期增长规律 t d 图 4 弯拉强度随龄期增长规律 为前期发展快 ， 后期变慢 ， 最后趋 于平缓。 强度发展可划分 为高速发展期 、 平稳期 、 平稳过渡期 、 成熟期四个强度发展 阶段。 两种混凝土的龄期和强度发展区域划分也基本对应。 试验结果表明 ， Z M3 5 的 2 8 d 抗 压强度( 4 2 5 MP a ) 略 低于对 比混凝土抗压强度 ( 4 4 6 MP a ) ， 但满足设计强度要 求。 S C C的水灰比与对 比混凝土基本相同 ， 但水泥用量相 比 较少 ， 因此早期强度偏 低 ， Z M3 5的 1 d 龄期抗压强度仅 为 J Z 3 5 的 4 9 1 。 在 3 、 7 d 龄期时 ， S C C抗压强度超过同强度 等 级的对 比混凝土 。 虽然 7 、 1 8 0 d龄期时 S C C抗压强度又低 于对比混凝土( 相差 5 左右 ) ， 但是龄期达到 1 8 0 d 后 ， S C C 抗压强度开始达到甚 至超过 同强度等级的对 比混凝土。 混 凝土抗压强度随龄期增长规律如图 1 所示 。 图 2 为混凝 土劈拉强度随龄期 的发展规律 。在 1 、 3 d 龄期时 ， Z M3 5 混凝土比 J Z 3 5 混凝土劈裂抗拉强度低分别 低 2 3 和 1 8 ； 2 8 d 龄期 后 ， Z M3 5 混 凝土 的劈 拉强度 与 J Z 3 5相差不超过 3 。 Z M3 5与 J Z 3 5 混凝土 的轴心抗压强 度随龄期 的发 展 变化规律 ， 如图 3 所示。 轴心抗压强度直 至 1 2 0 d时才正式 进入成熟期 。 S C C与对 比混凝土之间轴心抗压强度相差较 小 ， 3 d与 5 6 0 d 时 ， Z M3 5 轴心抗 压强度稍高于 J Z 3 5 轴 心 抗压强度 。 其他龄期时 ， Z M3 5 轴心抗压强度却略小于 J Z 3 5 轴心抗压强度 。 S C C弯拉强度 随龄期的增长规律如图 4所 示。 S C C弯拉强度优于同强度等级的对比混凝土， 尤其 7 d 时， Z M3 5 弯拉强度比J Z 3 5 高2 5 3 ， 其他龄期时相差较小， 均不超过 4 。 3 抗裂性能试验结果及分析 混凝 土早期 自由收缩试验 目前 尚无统一的标准试验 方法 。 试验采用浙江大学建材试验室 自行研制的 自由收缩 测量装置 ， 试件尺寸 为 1 0 0 mm l O 0 mmx 5 0 0 mm， 用 电测 千分表测定收缩值 ， 装置如 图 5 所示 。 将 自由收缩测试结 果分成 3 d 前 收缩和 3 d 后收缩两部分 ， 并定 义 3 d 前 收缩 图 5 混凝土早期收缩试验 l 49 上 固定温度 、 应变传感器 ， 定时采集试验基础 内部 的温度 以及应变 。 数据采集从试验基础浇筑后开始 ， 历 时 9 0 d 结 束 。 试验采用丹东佳 泰电器有限责任公 司生产 的 J X B 一 2 T 型振 弦式 混凝 土应变计 以及 配套 的 C T Y 2 0 2 T型振 弦测 试仪。 根据对称性原理 ，取试验基础体积的 1 4进行研 究 ， 图中 H表示混凝 土应变计 ； L 1 、 M1 和 R 1 为混凝 土应 变计 的编号 ， 分别表示左侧 、 中间和右侧 1 号应变计 ， 本次试验 共布置 2 9 个测点 ， 如 图 1 1 所示。 I ，S 0 I 图 1 1 试验基础示意图及应变计布置图 ( 单位 ： o m) 4 4 现场 浇筑 S CC的外观质量 现场混凝土浇筑 2 d 后拆模 ， 拆模后经仔细观察发现 ： 试验基础混凝土 的表面平整度 、 光洁度和入模填充度等较 好 ， 从外观上看基本达到清水混凝土的效果 ( 如图 1 0 ( c ) ) 。 即使加配两层钢筋网的基础侧面 ， 其表面外观也较好 ， 而且 棱角处饱 满完整 。 Z M3 5 在高密度钢筋构件混凝土浇筑过 程中能够表现出很强的流动性及钢筋穿透能力 。 4 5 温度场和应变场测试结果及分析 试验数据在试验基础开始浇筑前完成第一次采集 ， 并 以此作为试验数据 的初始值 ， 试验基础浇筑完毕后即开始 采集数据。 在初始 7 d内每 隔 2 4 h采集一次 ， 以后每天采 集两次。 在采集试验基础 内部温度和应变数据的同时 ， 使用 温湿 度传感 器实时记录试 验基础表面附近环境的温度和 相对湿度。 S C C入模后 ， 各测点初始温度为 3 2。 S C C浇筑人模 后 ， 在初始 1 0 h内 ， 自身水化反应较为平和， 各测 点温度缓 慢攀 升 ； 但 1 0 h后 ， S C C 自身水化反应加剧 ， 放 出大量热 ， 各测点 的温度也开始迅速提升 。 除接近试验基础上表面的 一 层测点外 ， 其他测点 的温度均在 4 0 h 左右时达到最高温 度 ， 各测点温度达到最高温度后开始缓慢回落 ， 直至 5 0 4 h 左右 ， 试验基础 内部温度 已基本稳定 ， 其 中典型温度 曲线 如 图 1 2 所示。 因受环境温度波动 的影响 ， 接近上表面测点 温度波动较大 ， 且后期 的波动程度 比前期大 ， 表 明混凝土 内部温度在微结构密实成型后 ， 将更容易受外界环境影响 ， 混凝土 自身 的导热系数有随龄期增长 的趋势 。 此外 ， 顶层 测点 的温度 曲线 出现 了多个波峰 ( 如 图 1 3所示 ) ， 这主要 是大气环境升温所致 。 除顶层测点外 ， 其他各测点受环境 温度影响小 ， 得到温度 曲线均较平滑 ， 结果表 明， 受外界环 境温度波动影 响的深度大约 1 0 c m左右。 8O 7 O 6O 50 、 40 3 0 2O 1 O 4 0 0h ， 5 0 4l0 h O 1 O 1 O O 1 0 0 0 t ( 1 o g 1 0 ) h 1 U 1 UU l U UU t ( 1 o g 1 O h 图 1 3试验基础顶层测点典型温度 曲线 试验基础各测点应变 变化发展规律 比温度 变化发 展 规律 复杂 。 从 图形上看 ， 试 验基础 的各测 点应 变曲线发展 趋势 与温度 曲线发展趋势相似 ： 除顶层测点外 ， 前期 ( 1 4 d 以前 ) 各测点应变值 基本表 现为压应 变 ， 且压应 变随混凝 土温 度的升 高而升 高 ， 但稍 微滞后 于温度的变化 ， 在 6 8 h 左右 出现最 大压应 变值 。 随后 ， 随温度的降低各测点压应 变又逐渐减小 ， 在 1 4d左右龄期时， 大部分测点由压应变转 变为拉应变 ， 试验基础 内部测点典型应变发展过程如图 1 4 所示 ； 与其他 测点不同的是 ， 初期( 4 0 h左右 ) 顶层测 点应 变大多表现为拉应变 ， 在环境条件影响下 ， 得到的应变发 展曲线 同样 出现波动， 如图 1 5 所示 。 将试验基础 内各测点所达到的最高 温度标注于图 1 6 中。 从各测点最高温度 的分布情况可 以看 出， 越接近试验 基础 中心 的测点 ， 其测得 的最高温度越高 。 其 中试验基础 中心最高温度达到 了 7 9 6， 比入模时的温度高 4 7 6。 试验基础 内各测点得 到的最 大压应变 与最 大拉应变标 注 300 2 5 0 200 1 5 0 1 00 5 0 0 5 0 1 0 1 O O 1 0 0 0 t ( 1 o g 1 0 ) h 图 1 4 试验基础内部测点典型应变曲线 1 51