李珊 陈建超 邹少俊 张仔红 郑鹏
中国核工业二四建设有限公司福清核电项目部
摘要：“华龙一号”核电是我国具有完全自主知识产权的三代核电技术新堆型，采用双壳结构，内壳为预应力钢筋混凝土结构。由于采用后张法施工，预应力施工容错率低，尤其灌浆后不可逆。本文通过鉴定试验、验收试验、全尺寸灌浆试验，对“华龙一号”核电预应力制浆技术进行研究，针对全尺寸灌浆试验时产生的质量问题进行分析，解决因浆体原因造成的质量问题。
关键词： 预应力 倒U形钢束 全尺寸试验
引言
福清核电5号机组为“华龙一号”首堆，安全壳在土建施工项目中核安全等级最高，有粘结后张法预应力技术是安全壳施工的关键技术之一。水泥浆的作用是使钢绞线与混凝土构件形成整体，并形成整体锚固，使钢绞线处于混凝土的碱性环境中，隔绝空气，防止氧化、锈蚀。因此，浆体的质量及灌浆技术在预应力施工中至关重要。
1 工程概况
安全壳预应力系统分为经筒体、穹顶并锚固于底板上的倒U形钢束和锚固在扶壁柱上呈360°环向布置的水平钢束，其中倒U形钢束共94束，筒体水平钢束共106束。
预应力张拉完成后，需在管道内灌注水泥浆，水平管道每根需灌注水泥浆1.8m3，倒U型管道每根需灌注水泥浆2.2m3。现场采用分离制浆技术，即在后台制浆车间进行制浆，然后用罐车运输至施工现场进行灌浆。
2 水泥浆材料
2.1 水泥
水泥采用辽宁抚顺水泥股份有限公司生产的PI 42.5级硅酸盐水泥，且必须符合相关国家规定及以下附加要求：氯离子最大含量为0.02%。
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2.2 拌合水
浆体拌合水和降温用冰均采用淡水厂所生产的水。
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2.3 安全壳预应力水泥浆灌浆剂（缓凝型）、膨胀剂
缓凝剂采用浙江五龙新材股份有限公司生产的灌浆剂（缓凝型）。膨胀剂采用经过水泥浆鉴定试验、水泥浆验收试验合格的西卡（中国）建筑材料有限公司生产的Intraplast-Z型膨胀剂。
2.4 水泥浆有害成分
水泥浆体中氯离子的含量不得超过水泥浆重量的0.015%，硫酸根离子含量不得超过0.025%（水泥成分中的硫酸盐以硫的三氧化物不需考虑）,水泥浆中有硫化物的硫离子含量不超过0.0002%。
3 制浆设备
预应力全自动制浆设备由搅拌釜、水计量箱、外加剂计量箱、水泥计量斗、水泥灌组成，水及外加剂计量箱与水泥计量斗分别与搅拌釜相连。通过计量箱及计量斗上的重量感应器可以自动控制上料重量，达到设计重量后自动停止上料，通过位于操作室内的总操作台控制投料及搅拌，最后出浆。
4 水泥浆配合比
为保证浆体搅拌充分、均匀，结合现场制浆设备的实际情况，验收试验是在鉴定试验基础上对搅拌时间进行了调整。经过多次大样搅拌，对浆体工作性能进行测试，测试结果表明在搅拌时间调整后，大样搅拌生产的水泥浆与鉴定试验的水泥浆工作性能基本一致，符合技术规格书要求。
4.1 缓凝水泥浆配合比
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4.2 膨胀水泥浆配合比
膨胀水泥浆主要是用于大弧度拱形二次灌浆。大弧度拱形中缓凝浆存在渗析积累，又无法通过补浆弥补，可能形成空隙超过技术标准5mm的孔洞，通过使用膨胀浆二次灌浆的办法解决这个问题。
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5 制浆工艺
5.1 缓凝水泥浆制浆过程为：
1）清理干净搅拌桶和称量容器，通过控制系统按照配合比用量称取水、水泥和缓凝剂；
2）测量水温和水泥温度，打开控制阀将水和缓凝剂放入搅拌桶内；
3）启动搅拌机，调整转速至600转/min左右，将水泥投放进搅拌桶内；
4）待水泥投放完毕并搅散后，调整搅拌机转速至1400转/min左右，搅拌3min；
5）制浆完成，取样测试浆体初始温度（小于32℃）及初始流动度（9～13 秒）；
6）取样检验合格后放入罐车运送至现场灌浆。
5.2 缓凝水泥浆制浆过程为：
1）清理干净搅拌桶和称量容器，通过控制系统按照配合比用量称取水、水泥和缓凝剂；
2）测量水温和水泥温度，打开控制阀将水和缓凝剂放入搅拌桶内；
3）启动搅拌机，调整转速至1000转/min左右，将水泥计量斗内水泥分批次（少量、多次）投放进搅拌桶内，在此过程中逐步降低转速至600转/min左右。
4）待水泥投放完毕后保持搅拌机转速600转/min左右，搅拌3min；
5）将称量好的缓凝剂加入搅拌桶内，提高转速至1400转/min左右，搅拌2min；
6）把膨胀剂加入搅拌桶内，在1400转/min左右的转速下搅拌2min；
7）制浆完成，取样测试浆体初始温度（小于32℃）及初始流动度（14～26 秒）；
8）取样检验合格后放入罐车运送至现场灌浆。
6 灌浆
灌浆密实是确保预应力体系耐久性的重要环节，也是预应力施工过程中控制的重点及难点。影响预应力浆体成型质量的最主要两个因素是：一是浆体本身的性能及质量，二是灌浆工艺，由全尺寸灌浆试验切片结果进行确定。
灌浆工艺虽然采取了重力补浆的形式，但在穹顶管弯弧到达一定高度后，下部累积的泌水无法到达补浆的位置，待24小时后，泌水再次被浆体吸收，泌水处局部容易形成孔穴、麻面等缺陷。
6.1 缓凝浆成型质量问题
6.1.1 缓凝浆开窗检查
灌浆完成并硬化后在导管上每隔2m开一窗口对浆体表面进行检查，发现在穹顶段A3、B3孔向下约13m的范围内,浆体表面有未硬化的白色物质，且表面有泌水线痕迹，同时存在开裂现象。
6.1.2 原因分析
硅酸盐水泥熟料中含量最大的硅酸三钙（C3S）在常温下水化反应生成水化硅酸钙和氢氧化钙，氢氧化钙随泌水浮到浆体上表面与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙和水，泌水被浆体吸收后，留下白色的碳酸钙物质。
6.1.3 解决措施
（1）提高水泥浆的流动度，增大浆体稠度，减小浆体在孔道内的空隙，可减慢氢氧化钙的析出速度。
（2）减少缓凝剂的掺量和缓凝时间，可减慢氢氧化钙的析出。
（3）最好的办法是掺加粉煤灰等活性材料，该活性材料含有氧化硅，能与水泥中的氢氧化钙发生二次反应（也称火山灰反应）生成不容性硅酸钙凝胶，可将氢氧化钙固定，无法迁移。
6.2 膨胀浆灌注质量问题
6.2.1 膨胀浆开窗检查
对膨胀浆表面进行检查，发现浆体表面有较多的气泡孔、裂缝。主要浮于A3-A0和A0-B3中间段区域，但是满足设计要求的空穴深度在5mm范围内，因表观质量较差，所以重新调整浆体性能。
6.2.2 原因分析
膨胀剂采用西卡（中国）建筑材料有限公司生产的Intraplast-Z型膨胀剂。此膨胀剂的膨胀是由均匀密集分布的含有惰性氢气引起的，膨胀浆内部凝结存在很微小的封闭气体，属于正常情况。气泡随泌水漂浮到表面形成浮浆气泡眼。
由于配制的膨胀浆在45min内膨胀达到高峰，3h膨胀结束，使灌注到孔道内的膨胀浆基本上已过膨胀高峰期，产生大量的气泡并浮于浆体表面形成麻面。
6.2.3 解决措施
为增加膨胀浆发生膨胀的时间和减少表面气泡，通过调整膨胀浆的搅拌工艺进行解决。
（1） 膨胀浆制浆过程：首先添加水和水泥进行低速搅拌，然后添加缓凝剂（浙江五龙生产的缓凝型外加剂，含减水成分）进行高速搅拌，使水被水泥颗粒充分吸收，最后添加膨胀剂进行搅拌出浆，用罐车运至现场放入储浆罐静止30min可消除表面气泡，搅拌30s后在1h内完成灌浆。
在制浆过程中，首先添加水和水泥，使水与水泥充分接触，以减少自由水，当膨胀剂加入时，仅有小部分的自由水与膨胀剂的颗粒发生反应，产生小部分的气泡，且有部分浮于浆体表面，静止30min后，浆体表面的气泡破掉，且有水泌出，再次搅拌30s，使浆体中的水及泌出的水与膨胀剂再次充分接触，此时开始发生大量的膨胀，搅拌后必需在一个小时内完成灌浆，3h膨胀结束浆体报废。即增加了膨胀浆从出浆至灌浆的时间，且完全可以在后台统一制浆，同时也消除了表面的浮浆气泡。
（2） 膨胀浆的温度控制：浆体在现场静止过程中，温度也是重要控制指标之一。出浆温度应控制在20℃以内，运输罐车采用保温处理，储浆罐周边应用冰或冰水进行降温，必要时储浆罐上面做保温措施，在浆体静止结束后水泥浆温度应控制在28℃以内（设计要求：在搅拌和泵送期间水泥浆的温度应小于32℃）。
（3） 膨胀浆仅用于倒U形钢束穹顶顶部及水平钢束大拱度顶部，用浆量不足整根孔道的1/10，且5、6号机组使用的制浆设备一次制浆量可达1m3 。钢束采取流水施工，每次灌浆间隔时间不超过7天，因此每次灌注膨胀浆的钢束量约在20束左右，浆体静止时间不会影响现场灌浆进度。
6.3 影响灌浆质量的其他因素
6.3.1 环境温度的影响
环境温度是直接影响水泥浆灌浆质量的因素之一。福清市属于南亚热带气候，夏季环境温度高，太阳光线强且照射时间长，白天的温度基本处于35℃左右，导管内的温度更是达到40℃以上，不满足设计文件中规定的灌浆温度不超过35℃的要求。环境温度过高导致水泥浆升温较快，浆体反应加快，影响浆体灌浆质量。
解决措施：灌浆改为夜间进行，夜间温度一般处于25-28℃。
由于全尺寸试验导管在白天处于太阳暴晒状态（实体工程中导管处于混凝土内部，未经太阳暴晒温度较低，夜间孔道内的温度与环境温度相差不大），导管内的温度仍处于高温状态，可对导管外表面覆盖保水材料并淋水进行降温。
6.3.2 浆体泌水严重问题
灌浆过程中，浆体通过灌浆泵进入导管内，泌水会增大，补浆未能将泌水全部置换出来，在浆体表面形成流水线或孔洞。
原因分析：浆体温度过高，使浆体反应过快，泌水速度加快，增多；浆体本身泌水较大，虽未超过设计值（2%），但将要到达设计值，整根孔道的灌浆量增大，集聚的泌水量增大。
解决措施：控制浆体温度，在拌制浆体过程中尽量将浆体控制在要求温度的下限值，运输过程中罐车进行保温处理，现场储浆罐周边应用冰或冰水降温；降低导管内温度，防止水泥浆升温过快，影响浆体性能；减少水泥浆中外加剂的减水及缓凝成分，使水泥浆中的自由水含量减少并加快水泥浆凝结，从而减少水泥浆泌水。
6.3.3 灌浆过程中流动度损失的问题
出浆口处的浆体流动度比到达现场测得流动度小了约2s左右，浆体初始流动度约在11s，出口处浆体流动度多在9s左右，导致浆体有白色物质析出、泌水过大、出浆口的流动度不满足要求。
原因分析：导管在经过白天太阳暴晒，晚上温差较大或淋水后的温差引起的冷凝水；或用于钢绞线保护的水溶性油溶解到浆体中，使浆体流动度变大；或浆体储存时间过长，泌水增大。
解决措施：灌浆前用压缩空气吹掉管道内的冷凝水及多余的水溶性油；浆体储存时间不宜超过两个小时，应每隔半小时对储浆罐内的水泥浆搅拌一次，并测温一次，如果浆体温度超过设计的要求，应报废。
7 结论
福清5号机组是“华龙一号”核电首堆，在类似核电中倒U形钢束是首次进行全尺寸灌浆试验，参考数据较少。经过全尺寸灌浆试验失败的原因分析、经验总结，同时吸取福清核电1-4号机组灌浆经验，重新调整水泥浆泌水、流动度、缓凝时间等，优化制浆工艺，浆体出浆温度控制在18-22℃，出浆流动度缓凝浆控制在12-12.5s左右，膨胀浆控制在14-15s左右，减少缓凝浆泌水，延长膨胀浆的膨胀时间。在第二次灌浆试验（正式试验）中，缓凝浆中的白色析出物几乎没有，表观质量良好；膨胀浆中仍有微小气泡孔，但是由膨胀剂本身膨胀原因引起的，不可能消除所有气泡，气泡孔均在1-2mm，满足验收标准的要求。
参考文献:
[1] 1188JT0601 福建福清核电厂5、6号机组技术规格书《安全壳预应力系统钢绞线》
[2] 1188JT0604 福建福清核电厂5、6号机组技术规格书《安全壳预应力系统后张拉和灌浆》