赤铁矿重混凝土的配合比设计和施工控制

赤铁矿重混凝土的配合比设计和施工控制

黄志明

中核华辰建筑工程有限公司  712000

摘 要：赤铁矿重混凝土是以赤铁矿石为粗骨料，赤铁矿砂为细骨料，和水泥、水、外加剂按一定比例搅拌而成的混凝土。由于加入赤铁矿的重混凝土容重较大，密实均匀，对电离辐射具有屏蔽能力，不易被放射线穿透，能有效地对电离辐射进行生物防护，被广泛应用于核电站当中。当前核电站里面部分厂房将装载有放射性工艺设备房间的墙板，采用了防辐射作用的赤铁矿重混凝土，防止核电站运行时所产生的放射线泄漏至房间外。赤铁矿重混凝土根据使用部位的要求不同，可进行不同强度、不同容重的配合比设计。赤铁矿混凝土不但要满足承重需求，还具备生物防护的特性。由于容重较大，坍落度损失较快，施工难度较大，为了满足质量要求，重混凝土从配合比设计到施工成型需要经过精细的计算、模拟实验和严格进行过程控制。本文以福清核电核辅助厂房为背影，详细介绍赤铁矿重混凝土的配合比设计及施工应用。

关键词：赤铁矿;重混凝土;配合比设计;施工控制

福建XX核电1~4#机组核辅助厂房部分房间安装具有放射性工艺的设备，为了达到生物防护的目的，设计要求生物防护结构墙板采用赤铁矿重混凝土，由施工单位根据建设单位提供的技术规格书要求设计相应的赤铁矿重混凝土配合比，经过批准后方可使用。由于板和剪力墙不但要满足规定承重强度的需要，还要满足生物防护的需要，所以，赤铁矿重混凝土的强度和密实度都是关键指标。下面详细介绍混凝土配合比的设计及施工工艺。

1.配合比设计

1.1配合比设计重要指标及设计依据

1.1.1配合比设计重要指标:

根据技术规格书-1.13《混凝土工程 生物防护用重混凝土》要求，用于核电厂核辅助厂房的赤铁矿重混凝土，其圆柱体标称抗压强度不得小于35MPa，水泥最小用量为300Kg/㎥,且不超过375Kg/㎥，减少开裂现象。在混凝土浇筑过程中在现场完成的坍落度试验应在6-8cm范围内，混凝土密度不小于3450kg/㎥,为保证所要求的密度，初试混凝土两天后的密度应不小于3550kg/㎥。

1.1.2配合比设计的依据：

1）、技术规格书-1.13《混凝土工程 生物防护用重混凝土》；

2）、技术规格书-1.06《混凝土工程》；

3）、JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》及其它相关规范；

1.2材料的选择

1.2.1骨料

用于制造骨料的块料应该是自然状态的、新鲜的、且不含任何土质颗料的铁矿石，赤铁矿石（粗骨料）、赤铁矿砂（细骨料）的平均密度不得小于4.6，赤铁矿砂的级配按照II区中砂设置，赤铁矿石采用5~25连续级配，赤铁矿砂和赤铁矿石的级配曲线应满足技术规格书-1.13《混凝土工程 生物防护用重混凝土》中4.2.2.3的要求，骨料的其它指标应满足相关规范要求。

1.2.2水泥

水泥采用核电专用水泥PO42.5。为了增加混凝土的粘聚性，保证拌合的混凝土不会出现骨料下沉情况，技术规格书规定每立方混凝土水泥用量不低于300kg,且为了降低水泥的水化热和混凝土的收缩率，限制每立方混凝土水泥的用量不得高于375kg。

1.2.3其它材料

水采用自来水，外加剂采用ZWL-A-II型泵送剂。

1.3配合比设计

1.3.1基本配合比的确定

首先通过理论计算和前期大量的试配调整工作,确定基本配合比如下表1：

表1：每立方米混凝土材料用量,单位kg/㎥.

根据技术规格书要求，需对基本配合比进行三次平行试验和八次推演试验，同时以此数据研究物料产生变化对配合比的影响。

1.3.2三次基本配合比平行试验：

平行试验报告数据汇总如下表2：

表2：三次平行试验报告数据汇总

基准混凝土配合比中9个试件28天抗压强度的算术平均值σ28=53.4Mpa;

经计算，σ28>σn+（CE-Cmin）和σ28>1.1σn，强度满足要求。

式中：σn——标定强度要求值;

      CE——用于配制试验的水泥28天抗压强度；

      Cmin——该强度等级水泥的28天抗压强度最低保证值。

三次基本配合比的平行试验 2d平均湿容重为 3740kg/㎥>3550 kg/㎥、28d平均湿容重为3730kg/㎥>3450 kg/㎥,满足要求。

1.3.3八次推演试验：

1）、减少基本配合中比砂率的10%两次，试验编号：AA-01\AA-02;

2）、增加基本配合中比砂率的10%两次，试验编号：BB-01\BB-02;

3）、减少基本配合中水泥用量25KG两次，试验编号：CC-01\YY-02;

4）、增加基本配合中水泥用量25KG两次，试验编号：DD-01\YY-02;

八次推演试验报告数据汇总如下表3:

表3:八次推演试验报告数据汇总

八次推演混凝土配合比的每个试件的28天抗压强度值，在σ28±15%围范内，满足要求。单次2d、28D湿容重均超过3700kg/㎥>3550 kg/㎥，满足要求。

1.3.4混凝土中总碱含量和总氯离子含量的计算

混凝土中碱和氯离子含量是由混凝土各种原材料带入的，其中骨料为赤铁矿砂、赤铁矿砂石经试验测得均为非碱活性材料,因此混凝土中的总碱、氯离子含量来由混凝土各种材料的含量相加算出。

碱含量计算：经试验测得，水泥的碱含量为0.6%;泵送剂的碱含量为4.29%;水的碱含量为0.066g/㎥,因此每立方米混凝土中总碱含量为：

366*0.6%+5.49*4.299%+170*0.0066%=2.4kg

根据CECS53:93《混凝土碱含量限制标准》中表4.1.2的要求,特殊钢筋混凝土工程中,每立方米混凝土中碱含量不得大于3.0kg的规定，满足要求。

氯离子含量计算：水泥的氯离子含量为0.04%;泵送剂的氯离子含量为0.032%;水的氯离子含量为0.0113%（113mg/L）,赤铁矿的氯离子含量为0.002%;因此每立方米混凝土中总氯离子含量为：

366*0.04%+5.49*0.032%+170×0.0113%+1580*0.002%+1580*0.002%=230g

根据技术规格书1.06《混凝土工程》要求,混凝土中氯离子总含量不得大于350g/㎥，满足要求。

1.3.5坍落度实验

技术规格书要求混凝土入模坍落度为60mm~80mm，是为了防止混凝土在振捣过程中出现离析现象。试配过程中，初始坍落度130mm~135mm混凝土拌合物坍落度损失较为明显，拌合物30分钟混凝土的坍落度平均损失达到60mm~70mm。而综合考虑搅拌站卸料、运输、等待、吊转至混凝土入模时间，平均时间为30分钟，所以考虑出机初始坍落度设计为130mm~135mm。坍落度是施工性指标，受外加剂和外部环境影响较大，可用增减外加剂进行调整，严禁增减拌合水，只要严格控制水胶比、控制浇筑质量，混凝土质量不受影响，应特别注意，外加剂的调整只能由实验室进行调整。若现场施工中发现混凝土坍落度偏大，可以适当停放，待坍落度符合要求时进行落筑；而坍落度偏小时，应立即浇筑（或经试验室人员控制，辅助配比适当水泥浆），并加强振捣，保证施工质量。

综上所述，将赤铁矿重混凝土的出机坍落度控制在130mm~135mm，有利于现场混凝土施工质量控制。

1.3.6配合比确定

通过实验验证，基本配合比确定为正式配合比，上报监理或建设单位经审批后方可投入使用。

2.施工准备

2.1人员准备

技术人员根据施工特点编制施工方案和技术交底，合理计算运输所需车辆及搅拌机卸料至入模的中间时间用于控制坍落度满足要求；按最不利墙体进行分析，结合重混凝土的初凝时间为5.5～6小时，计算搅拌站供应能力是否能够满足现场的浇筑需要。混凝土班组人员准备到位，并配有钢筋工、木工、架子工用于专门跟踪检查混凝土浇筑过程中钢筋、模板、架子是否存在问题，及时发现及时调整。由于赤铁矿混凝土容重大，坍落度较小，且浇筑量不大，在设置混凝土浇筑方案的时候，一般采用塔吊配合料斗进行浇筑，可有效预防经常堵泵的问题。

2.2现场施工条件准备

基层清理干净，隐蔽验收通过；施工用水电接通，照明条件良好，运输通道畅通；混凝土养护材料按计划进场并堆放齐全；现场施工机具就位并调试完毕待用。需要注意的是，考虑到重混凝土密度较大，混凝土的侧压力也较大，一般是普通混凝土的1.4倍左右，所以不能按常规混凝土进行模板支设及加固，支撑体系的布置应进行受力计算，浇筑混凝土前必须仔细检查支撑体系，必要情况下，需对模板进行二次加固。

2.3混凝土搅拌

现场所使用到的计量仪器必须全部经过标定合格后方能使用，混凝土原材料必须严格按照配合比进行配料，其称量误差必须控制在允许范围之内，赤铁矿重混凝土搅拌流程示意如下图1：

图1：赤铁矿重混凝土搅拌流程示意图

考虑到重混凝土的特殊性，在搅拌重混凝土时试验室应派专人到现场搅拌站进行指导。在搅拌混凝土前，先加水空转数分钟，使搅拌机筒壁充分湿润后将积水清干净。加料顺序及搅拌时间必须按照搅拌流程顺序进行操作，且应使水泥能够包裹所有骨料，判断的标准是混凝土是否均匀。由于重混凝土的密度较大，搅拌机的装料率应为普通混凝土所规定的装料率的三分之二。为了有效控制混凝土质量及坍落度损失值，搅拌站必须和现场值班人员保持密切联系，尽量减少混凝土出机后待浇筑的时间，且避免采用翻斗车运输。

3.混凝土浇筑

3.1混凝土运输

由于赤铁矿重混凝土容重较大，运输过程颠簸容易使混凝土产生离析，因此运输前应对进场道路进行修整。装料前，运输罐车应进行筒壁湿润并清洗干净。混凝土到达现场开始浇筑前，应测试混凝土坍落度是否符合要求，严禁在浇筑过程中私自向混凝土内加水。满足要求后将混凝土倒进预先准备好的料斗里面，再用塔吊将料斗吊至浇筑位置布料。

3.2混凝土浇筑

塔吊运来的混凝土倒在施工平台上，人工用铁锹进行二次搅拌后利用溜槽注入墙内，为防止出现离析，下料高度应控制在1.5m以内，也可采用塔吊吊混凝土料斗直接进行布料。楼板混凝土浇筑采用斜面分层整体推进的浇筑方法，每层厚度不超过30cm，墙体全面分层，每层厚度不超过30cm。在浇筑混凝土过程中质检人员要在现场全程跟踪检查，避免在浇筑混凝土时出现质量问题。

生物防护的一个重要特性就是需要保证赤铁矿重混凝土的均匀性，所以施工过程振捣工艺要求较高。混凝土振捣应采用高频振捣棒（φ60，12000转/min）进行振捣，在进行上层混凝土振捣时，必须插入下层刚浇筑完的混凝土内，深度不小于5cm，当混凝土表面开始出现翻浆时应立即停止振捣，不可多振，避免出现离析或骨料下沉然，同时也不可漏振。

重混凝土浇筑过程中应进行密度检查，由于每道墙体浇筑方量较小，混凝土开罐时进行密度检测即可。具体检测方法：将混凝土样品注入边长15cm的立方体试盒内，样品的振捣方法应与结构混凝土相同。

3.3施工缝留置

为保证生物防护的全面性，当重混凝土与普通混凝土相交时，施工缝需留置在普通混凝土里。如果在重混凝土浇筑过程中遇突发情况或不可避免需要留设施工缝时，应将施工缝留设呈阶梯型，且其台阶高度为5cm。

3.4混凝土的养护

混凝土浇筑完具备上人条件后应立即进行养护。板在其表面覆盖一至两层麻袋，墙体则挂无纺布，派专人浇水养护使墙体或板始终保持在湿润状态。为了防止过快失水出现裂缝，现场需带模养护，养护时间不少于10天。

3.5孔洞修补

墙体拆模后所留下的对拉螺栓孔洞，必须处理成毛面后用去粗骨料的重混凝土填补。墙体表面如果出现局部蜂窝麻面时可用高标号水泥砂浆修补。如果出现大面积且较大的蜂窝（指深度超过2cm）时，必须剔除松散混凝土颗粒，基层清理干净后用同配合比重混凝土或去粗骨料的重混凝土填补密实。

3.6混凝土试块

混凝土留置两种试块：一种为标准养护试块，养护期不得少于28d，试块委托实验室按照规范要求每100m³取一组试块并养护；另一种为现场同条件养护试块，一般分别制作3天、7天、28天试块。

4.施工注意事项

4.1重混模拟实验

由于实验室搅拌设备与现场搅拌机通常情况下不一样，现场可以根据实际搅拌效果适当调整搅拌时间，但是整个搅拌时间不宜少于3分钟。为确保赤铁矿重混凝土结构的密实性，在首次浇筑重混凝土前，应根据施工现场实际情况模拟最不利浇筑部位支设试验段，采用与现场实际浇筑相同施工工艺做试验,以检查重混凝土的生产、运输、浇筑等相关协调控制、施工措施是否可行。后期为了检查重混凝土浇筑的密实度，可直接将模拟墙进行开凿，直观验证混凝土浇筑的密实度。

4.2坍落度控制

根据重混凝土的特性,现场搅拌一般采用小型搅拌机进行搅拌,搅拌后的混凝土需经过水平运输和垂直运输才能到达浇筑地点。若坍落度太大, 容易造成混凝土不均匀和不密实，导致失去了作为生物防护用重混凝土防辐射的基本功能。若坍落度太小,经过长时间的停留,坍落度损失后将导致现场无法正常施工，容易引发质量问题。所以施工过程中的紧密协调是保证坍落度能有效控制的关键。

5.结论

（一）以该配合比设计的赤铁矿重混凝土，经过试验室试验、现场模拟实验及按照严格程序控制进行结构部位的墙板浇筑，外观、强度和密实度均达到设计要求，施工质量得到有效控制，成型效果良好。当前XX核电厂部分机组已经投入商运，赤铁矿重混凝土能有效实现生物防护的需要，防辐射检测符合要求。

（二）随着原子能工业的发展和放射性同位素在工业、农业、医疗及科研试验室方面的应用越来越多，如医院放疗室、加速器机房、放射化学装置等均存在较大的辐射。而赤铁矿重混凝土能有效屏蔽α、β、χ、γ等射线，既可达到承重结构要求，又能满足生物防护用途，且原材料供应简单，施工工艺不难，配套设备要求简易，市场应用前景广泛。

参考文献

[1]技术规格书-1.13《混凝土工程  生物防护用重混凝土》

[2]技术规格书-1.06《混凝土工程》

[3]QCFF-000160-QPSS 《核电工程1、2号机组重混凝土配合比试配报告》

[4]JGJ55-2011,普通混凝土配合比设计规程