碳化作用下安全壳混凝土结构耐久性研究.pdf
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1、2 0 1 5 年 第 3 期 ( 总 第 3 0 5 期) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 5 ( T o ta l No 3 0 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRE TI CAL RES EARCH 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 5 0 3 0 0 6 碳化作用下安全壳混凝土结构耐久性研究 孑 L 祥龙,廖开星。汤志杰, 李毅,违文新 ( 苏州热工研究院有限公司 寿命管理技术中心老化管理研究所,江苏 苏州 2 1 5 0 0 4 ) 摘要 : 安全壳混凝土结构因其特
2、殊性, 对其耐久性方面研究成果较少 , 而碳化作用作为混凝土老化的主要机理之一, 应进行重 点研究。 对安全壳混凝土试块进行快速碳化试验 , 取得不同龄期下安全壳混凝土碳化深度的变化规律 ; 基于此规律 , 结合安全壳 的实际环境因素 , 得出安全壳碳化深度随机预测模型。 以碳化深度到达保护层厚度作为失效标志, 使用 Mo n t e C a r l o模拟得到不 同服役年限下安全壳的失效概率, 并拟合得出安全壳碳化失效随机概率预测模型。 关键词 : 安全壳; 碳化; 失效概率; 预测模型 中图分类号 : T U 5 2 8 , 0 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5
3、 0 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 2 1 一 o 2 S t u d y o n d u r a b i l i t y o f c o n t a i n me n t c o n c r e t e s t r u c t u r e u n d e r t h e a c t i on of c a r b on a t i o n KONG Xi a n g l o n g, L I AO Ka i x i n g,T ANG ij i e, L I Y i , T I We n x i n ( D e p a r t m e n t o f A g e i n g Ma
4、n a g e m e n t , S u z h o u N u c l e a r P o w e r R e s e arc h I n s ti t u t e , S u z h o u 2 1 5 0 0 4 , C h i n a ) Abs t r ac t : Th e r e s e a r c h a c h i e v e me n t s o f c o n t a i n me n t c o n c r e t e s t r u c tur e d u r a b i l i t y i s l e s s d u e t o i t s p a r t i c
5、 u l a r i t y, a n d c arb o n a tio n s ho u l d be f o c us e d o n a s i s o n e o f t he ma i n me c h a n i s m o f c o n c r e a g i n g Th e c h a n g e r e g u l a tio n o f c o n c r e t c c arb o n a ti o n d e p th a t d i f f e r e n t a g e s wa s o b t a i n e d b y the f a s t c arb
6、o n i z a ti o n s ti n g o n c o nt a i n me n t c o fl c r e s p e c i me n s, b a s e d o n t h i s mg u l a ti o n, c o mb i n i n g the a c t ua l e nv i r o n me n t a l f a c t o r s o f c o n t a i nm e n t , the r a n d o m p r e di c ti o n mo d e l o f c o n t a i n me n t c arb oniz a t
7、i o n d e p th wa s o b t a i n e d Ma k i n g the c arb o na tio n d e p th r e a c h e s the p r o t e c tio n l a ye r t h i c k n e s s a s a f a i l u r e i n dic a t e, the f a i l ure p r o b a b i fit y o f c o n t a i nm e nt a t d i ffe r e n t s e r v i c e l i f e wa s r e s p e c t i v
8、e l y g i v e n b y Mo n t e Ca r l o s i mu l a t i o n and the r a n d o m p r e dic ti o n mo d e l f o r c o n t a i n me n t c arb o n i z a ti o n f a i l u r e wa s o b t ain e d by fi t t i n g K e y wo r d s: c o n tai n me n t ; c arb o n a ti o n ; f a i l ure p r o b a b i l i t y; p r e
9、 d i c ti o n mod e l 0 引言 安全壳是继核燃料包壳 、 一回路压力边界之后核反应 堆的第三道也是最后一道安全屏障, 其功能是当一回路管 道发生破裂 、 造成失 水事故时 , 将事故 中的裂变产物 限制 和消除在其 内部。 由于其不 可更换 , 其安全状态直接决 定 了核反应堆服役寿命 。 核电站安全壳混凝土结构因其对安全性、 整体性及密 封性等方面的考虑 , 在材料 、 结构及功能上 均有别于普 通 混凝土结构 , 有必要对其 耐久性进行单 独重点研究 , 取 得 安全壳混凝土结构在碳化 、 氯离子侵蚀等 因素作用下性能 劣化的规律, 为预测安全壳失效概率乃至剩余寿命提
10、供依 据 。 碳化作用是引起混凝土性能劣化最为普遍和重要 的因 素之一 , 本研究在对安全壳混凝土试块 进行快 速碳化试验 的基础上 , 开展安全壳混凝土结构碳化失效规律 的研究 。 1快速碳化试验 1 1 试验材料及配合 比 为了尽可能模拟某核电厂安全壳混凝 土的真实情况 , 试验用混凝土的配制强度为 C 5 0 , 原材料除生产场地不 同 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 8 2 8 基金 项 目 : 国家高技术 研究 发展计 划( 8 6 3计划 ) ( 2 0 1 2 A A 0 5 0 9 0 1 ) 外 , 其余 规格都相 同 : 水泥采 用珠江粤绣 P 4 2 5级水 泥 ;
11、粉煤灰为珠 江 电厂商 品 I 级粉煤灰 ; 粗 骨料分别采 用 粒径 5 - 1 6 r n l n和 1 6 3 1 。 5 m l T l 的连续级配 的小石 和大石 ; 细骨料采用粒径 0 1 6 5 ra i n的中砂 ; 外 加剂采 用江苏博 特公司生产 的 J M V I I I 。 试验 采用 1 5 0 mm x 1 5 0 mlT l X 1 5 0 r l l n l 的立方体试件 , 水胶 比为 0 4 1 , 坍落度 为 1 4 c m 。 混凝土配合 比见表 1 。 表 1 C 5 0混凝土配合比 m 水 水泥 粉煤灰 砂 小石 大石 外加剂 1 7 4 3 7 5
12、 5 0 68 0 4 6 0 6 8 0 4 0 4 1 2试 验 结果 根据扩散理论 , 混凝土碳化过程遵循 F i c k第一扩散定 律 , 理论上计算混凝土碳化深度的计算式为 : = 2 D c o C c oX ( 1 M c o ) = _ _ f ( ) X: ( 2 ) 式 中: x碳化深度 ; D 。 c 0 : 在混凝土 中的有效扩散 系数 ; C 。 , 混凝土表面 C O 2 浓度 ; 21 M 。 单位体积混凝土吸收 C O : 的量 ; 卜一 碳化时间; 碳化系数 , 反映碳化速度综合参数。 从混凝土碳化机理和理论计算式 ( 1 ) 可 以看 出, 混凝 土 的碳化
13、速度主要取决于二氧化碳 的扩散速度 和二氧化 碳与混凝土中可碳化物质的反应性, 其影响因素可归结为与 环境相关的外部 因素和与混凝土本身相关 的内部因素 J 。 而快速碳化试验是在短时间内研究后者的一个重要途径 。 依据 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混 凝土长期 性能 和耐 久性能试验方法标准 对试验试块进行快 速碳 化试验 , 取 得不同碳化 龄期下混凝 土试 块的碳化 深度 , 对 曲线 依据 式 ( 2 ) 进行拟合 , 得出碳化系数 O : 2 0 1 6 , 如 图 1 所示 。 X=2 0 1 6 ff ( 3 ) 童 图 1碳 化深 度拟 合 曲线 2
14、碳 化深度 随机预测模型 大量试验表明 , 混凝土快速碳化和 自然碳化之间存在 一 定关系 , 在相同碳化深度 x : 下, 碳化时间与二氧化 碳浓度呈反比 , 即: = C2 t 2 C ( 4 ) l 式 中: t 混凝土快速碳化试验期 , 1 3 6 5年 ; t 2 自然碳化龄期 , 年 ; C , 快速碳化时二氧化碳浓度 , m g L; C 自然环境下二氧化碳浓度 , m g L 。 根据收集 的某南方核电站大气二氧化碳浓度为 C 2 = 3 9 0 m g L, 而快速试验用二 氧化碳浓度 为 C 。 = 0 2 mg L, 则基于快速试验的 自然碳化深度预测模型为 : 一 2
15、。 3 6 5 ( 5 ) f X=1 7 ( 6) 例如 , 电站 已服役 2 0年 , 则 X= 1 7 0= 7 6 m m。 3 碳化失效随机概 率预 测模型 3 1 碳化 失效随机概 率 混凝土结构因碳化作用而失效大致可分为两个 阶段 , 一 是碳化发展阶段 , 混凝土碳化深度从表面发展到钢筋表 面, 钢筋失去碱性环境保护而脱钝化 ; 二是钢 筋锈蚀破坏 阶段, 钢筋脱钝化后开始发生锈蚀到混凝土保护层锈胀开 裂、 剥落破坏阶段。 第二阶段相对第一阶段来说, 是很短的 一 段时间, 因此可将第一阶段 即碳化深度到达钢筋保护层 厚度作为混凝土碳化失效的标志 。 对某南方核 电站安全壳保护
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