牺牲混凝土在高温作用下的损伤及机理分析_李杰青
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收稿日期： 2012-11-19． 作者简介： 李杰青（ 1984—） ，男，硕士生； 蒋金洋（ 联系人） ，男，博士，副教授，jinyangjiang@ 163． com． 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51078081） 、东南大学基本科研业务业务费重大科学研究引导基金资助项目． 引文格式： 李杰青，孙伟，蒋金洋，等． 牺牲混凝土在高温作用下的损伤及机理分析［J］． 东南大学学报： 自然科学版，2013，43（ 3） ： 599-603．
表 1 聚丙烯纤维的物性指标
类型 束状单丝
长度 /mm 6
直径 / μm 18
体积质量 / （ g·cm － 3 ） 0． 91
熔点 /℃ 160
燃点 /℃ 590
弹性模量 / MPa ＞ 3 500
表 2 牺牲混凝土配合比
kg / m3
编号 T3-1 T3-2
水泥 388 388
粉煤灰 135 135
此外，当牺牲混凝土与高达 2 000 ℃ 的堆芯熔 融物接触时，混凝土内部的水分蒸发成汽，同时碳 酸盐分解生成 CO2 气体，会增大孔隙内压力； 当压 力梯度产生的诱导应力超过混凝土强度时，会造成
1． 1 原材料及混凝土配合比 试验中水泥采用广州市珠江水泥有限公司生
产的 PⅡ42． 5 水泥，粉煤灰采用珠海明惠有限公司 生产的Ⅰ级粉煤灰，硅灰采用上海天恺硅粉材料有 限公司生产的 w （ SiO2 ） 大于 95% 的硅灰． 骨料选 用直径为 0 ～ 8 mm 的石英砂以及直径为 0 ～ 8 mm 的赤铁矿石． 减水剂选用西卡公司生产的聚羧酸型 高效减水剂，通过调整其掺量获得适宜的坍落度． 纤维采用江苏博特新材料有限公司生产的聚丙烯 （ PP） 纤维，其物性指标见表 1． 根据牺牲混凝土的 工作性能、力学性能试验，确定核电牺牲混凝土配 合比，结果见表 2．
Damage and mechanism analysis
of sacrificial concrete under high temperature
Li Jieqing1 Sun Wei1 Jiang Jinyang1 Jin Zuquan2 Zhang Qiaofen3 Li Zheng3 Yu Yingjun1
为了研究牺牲混凝土在高温下的损伤作用机
理，采用 CT 扫描仪对高温处理前后尺寸为 40 mm × 40 mm × 160 mm 的试件进行扫描，对比孔结构 和孔隙率变化． CT 扫描仪能分辨的最小孔径为 10 μm． 同时，采用 XRD 分析牺牲混凝土在高温熔融 后的产物．
2 结果与讨论
2． 1 物理力学性能 测试牺牲混凝土的初始和半小时坍落度，结果
（ 1 School of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China） （ 2 School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China） （ 3 China Construction Second Engineering Bureau Ltd． ，Beijing 100054，China）
根据设计要求，EPR 堆芯中锆元素的质量约 为 3． 0 × 104 kg，其中单质锆的质量分数约为 50% ，
混凝土的剥落甚至爆裂［6］． 芬兰奥尔基洛托在建 的 EPR 核岛堆坑区所使用的牺牲混凝土中加入了 一定量的高分子纤维，用于提高混凝土在高温下的 抗爆裂性能［4］．
为获得牺牲混凝土在高温下的损伤劣化过程， 本文研究了牺牲混凝土在高温作用下的力学性能 演化和形貌变化，并利用 CT 扫描等微观测试技术 获得了牺牲混凝土在高温下的微结构损伤及产物 演变情况．
Abstract： In order to study the key properties，properties evolution and evolution mechanism of sacrificial concrete （ SC） under high temperatures，free w ater content and chemical composition of SC w ere investigated by w eight loss under 105 ℃ and X ray fluorescence （ XRF） analysis． Then，the effect of polypropylene fiber on the strength，pore structure and micro-morphology of SC under high temperatures w ere studied by compressive strength，computed tomography scan （ CT ） and scanning electron microscopy （ SEM ） ． The experimental results show that the proposed sacrificial concrete has great fluidity and mechanical property． The mass fraction of free w ater content is only 4． 4% ，w hile those of SiO2 and Fe2 O3 are 48． 8% and 30． 0% ，respectively，w hich meets property requirements of SC used for the third generation of nuclear pow er plant． With the increase of temperature，Fe2 O3 in sacrificial concrete is gradually reduced into Fe3 O4 ，and concrete surface becomes loose gradually； meanw hile，the number of fine and w ide cracks increase，and the porosity of SC increases by 31． 3% to 42． 8% maximally． The compressive strength under 900 ℃ is reduced to 27． 1% to 33． 0% of original strength． Although the addition of polypropylene fiber reduces fluidity and strength of SC，it causes 5% to 8% increase of high temperature residual compressive strength． Furthermore，spalling under high temperature does not occur in SC specimen containing fiber． Key words： sacrificial concrete； polypropylene fiber； free w ater； porosity； strength； spalling resist-
［doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2013． 03． 028］
http： / / journal． seu． edu． cn
600
东南大学学报（ 自然科学版）
第 43 卷
牺牲混凝土是欧洲压水反应堆（ EPR） 的重要 组成部分［1］． 当严重核电事故发生时，堆坑区不断 地积累堆芯熔融物，牺牲混凝土受热熔化后与熔融 物混合，降低了熔融物的固相和液相温度，且其中 的 Fe2 O3 能够氧化熔融物中的锆，SiO2 可以在高 温下形成玻璃态基体，包容住具有放射性的裂变产 物，防止其扩散至外界环境中，从而避免发生类似 日本福岛第一核电站中 1# ～ 4# 机组因锆与水反应 引起的氢气爆炸［2-3］．
牺牲混凝土的高温性能试验方法如下： 将成型 的试件先标养 28 d，再空养 21 d，将养护好的试件 置于高温炉中，以 10 ℃ / min 的速率升温至目标温 度（ 400，600，800，900，1 000 ℃ ） ，恒温一定时间后 将试件取出，自然冷却至室温． 测试混凝土在高温 处理前后的容重与抗压强度．
第 43 卷第 3 期 2013 年 5 月
东南大学学报（ 自然科学版）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （ Natural Science Edition）
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2013． 03． 028
Vol． 43 No． 3 M ay 2013
1 试验
而堆坑牺牲混凝土层直径为 6． 0 m，厚度为0． 5 m， 比重约为 2 620 kg / m ． 3［1，4］ 因此，堆坑处需要3． 7 × 104 kg 的牺牲混凝土确保能够氧化 1． 5 × 104 kg 的 锆． 根据单质锆与 Fe2 O3 ，SiO2 的化学反应式［5］计 算可知，牺牲混凝土中 Fe2 O3 和 SiO2 的质量分数 总和应不低于 53． 4% ，才能确保堆芯熔融物中的 单质锆能够被全部氧化． 因此，牺牲混凝土的化学 成分 （ 尤 其 是 Fe2 O3 和 SiO2 ） 需 要 满 足 一 定 要 求［5］．
硅灰 20 20
石英砂
赤铁矿石
水
1 060
980
181
1 060
980
181
减水剂 7． 6 7． 6
聚丙烯纤维 1． 5
ห้องสมุดไป่ตู้
1． 2 试验方法 牺牲混凝土机械搅拌 5 min 后成型，带模养护
24 h 后拆模，试件标准养护 28 d． 将尺寸为 40 mm × 40 mm × 160 mm 的试件放于 105 ℃ 恒温烘箱 中，每天测试一次试件重量，从而获得牺牲混凝土 含水率演变规律． 采用 X 射线荧光（ XRF） 分析仪 测试粉末样品的元素组成，并结合加热后牺牲混凝 土的容重变化，计算牺牲混凝土化学组成．
牺牲混凝土在高温作用下的损伤及机理分析
李杰青1
孙 伟1
蒋金洋1 金祖权2 张巧芬3
（ 1 东南大学材料科学与工程学院，南京 211189） （ 2 青岛理工大学土木工程学院，青岛 266033）
（ 3 中国建筑第二工程局有限公司，北京 100054）
李 政3
于英俊1
摘要： 为了研究牺牲混凝土的关键性能以及高温下性能演变与演变机理，采用 105 ℃ 失重指标 和 X 射线荧光分析仪测试牺牲混凝土的自由水含量和化学组成，并采用抗压强度指标、计算机 断层扫描仪和扫描电镜研究了聚丙烯纤维对高温作用下牺牲混凝土强度、孔结构和微观形貌的 影响． 试验结果表明，制备的牺牲混凝土具有良好的流动性和力学性能，自由水的质量分数仅为 4． 4% ，而 SiO2 和 Fe2 O3 的质量分数则分别达到 48． 8% 和 30． 0% ，满足第三代核电站的基本要 求． 随温度升高，牺牲混凝土中的 Fe2 O3 逐步还原为 Fe3 O4 ，混凝土表面逐渐疏松，同时微细裂缝 和宽大裂缝增多，孔隙率最多增加了 31． 3% ～ 42． 8% ，而 900 ℃ 时牺牲混凝土抗压强度则降低 为初始强度的 27． 1% ～ 33． 0% ． 聚丙烯纤维的掺加降低了牺牲混凝土的流动性和强度，但其高 温残余抗压强度提高了 5% ～ 8% ，且试件在高温下不爆裂． 关键词： 牺牲混凝土； 聚丙烯纤维； 自由水； 孔隙率； 强度； 抗爆裂性能 中图分类号： TU528 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 0505（ 2013） 03-0599-05
见表 3． 显然，2 种配比牺牲混凝土的初始坍落度和 半小时坍落度都大于 180 mm，满足施工要求． 鉴于
收稿日期： 2012-11-19． 作者简介： 李杰青（ 1984—） ，男，硕士生； 蒋金洋（ 联系人） ，男，博士，副教授，jinyangjiang@ 163． com． 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51078081） 、东南大学基本科研业务业务费重大科学研究引导基金资助项目． 引文格式： 李杰青，孙伟，蒋金洋，等． 牺牲混凝土在高温作用下的损伤及机理分析［J］． 东南大学学报： 自然科学版，2013，43（ 3） ： 599-603．
表 1 聚丙烯纤维的物性指标
类型 束状单丝
长度 /mm 6
直径 / μm 18
体积质量 / （ g·cm － 3 ） 0． 91
熔点 /℃ 160
燃点 /℃ 590
弹性模量 / MPa ＞ 3 500
表 2 牺牲混凝土配合比
kg / m3
编号 T3-1 T3-2
水泥 388 388
粉煤灰 135 135
此外，当牺牲混凝土与高达 2 000 ℃ 的堆芯熔 融物接触时，混凝土内部的水分蒸发成汽，同时碳 酸盐分解生成 CO2 气体，会增大孔隙内压力； 当压 力梯度产生的诱导应力超过混凝土强度时，会造成
1． 1 原材料及混凝土配合比 试验中水泥采用广州市珠江水泥有限公司生
产的 PⅡ42． 5 水泥，粉煤灰采用珠海明惠有限公司 生产的Ⅰ级粉煤灰，硅灰采用上海天恺硅粉材料有 限公司生产的 w （ SiO2 ） 大于 95% 的硅灰． 骨料选 用直径为 0 ～ 8 mm 的石英砂以及直径为 0 ～ 8 mm 的赤铁矿石． 减水剂选用西卡公司生产的聚羧酸型 高效减水剂，通过调整其掺量获得适宜的坍落度． 纤维采用江苏博特新材料有限公司生产的聚丙烯 （ PP） 纤维，其物性指标见表 1． 根据牺牲混凝土的 工作性能、力学性能试验，确定核电牺牲混凝土配 合比，结果见表 2．
Damage and mechanism analysis
of sacrificial concrete under high temperature
Li Jieqing1 Sun Wei1 Jiang Jinyang1 Jin Zuquan2 Zhang Qiaofen3 Li Zheng3 Yu Yingjun1
为了研究牺牲混凝土在高温下的损伤作用机
理，采用 CT 扫描仪对高温处理前后尺寸为 40 mm × 40 mm × 160 mm 的试件进行扫描，对比孔结构 和孔隙率变化． CT 扫描仪能分辨的最小孔径为 10 μm． 同时，采用 XRD 分析牺牲混凝土在高温熔融 后的产物．
2 结果与讨论
2． 1 物理力学性能 测试牺牲混凝土的初始和半小时坍落度，结果
（ 1 School of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China） （ 2 School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China） （ 3 China Construction Second Engineering Bureau Ltd． ，Beijing 100054，China）
根据设计要求，EPR 堆芯中锆元素的质量约 为 3． 0 × 104 kg，其中单质锆的质量分数约为 50% ，
混凝土的剥落甚至爆裂［6］． 芬兰奥尔基洛托在建 的 EPR 核岛堆坑区所使用的牺牲混凝土中加入了 一定量的高分子纤维，用于提高混凝土在高温下的 抗爆裂性能［4］．
为获得牺牲混凝土在高温下的损伤劣化过程， 本文研究了牺牲混凝土在高温作用下的力学性能 演化和形貌变化，并利用 CT 扫描等微观测试技术 获得了牺牲混凝土在高温下的微结构损伤及产物 演变情况．
Abstract： In order to study the key properties，properties evolution and evolution mechanism of sacrificial concrete （ SC） under high temperatures，free w ater content and chemical composition of SC w ere investigated by w eight loss under 105 ℃ and X ray fluorescence （ XRF） analysis． Then，the effect of polypropylene fiber on the strength，pore structure and micro-morphology of SC under high temperatures w ere studied by compressive strength，computed tomography scan （ CT ） and scanning electron microscopy （ SEM ） ． The experimental results show that the proposed sacrificial concrete has great fluidity and mechanical property． The mass fraction of free w ater content is only 4． 4% ，w hile those of SiO2 and Fe2 O3 are 48． 8% and 30． 0% ，respectively，w hich meets property requirements of SC used for the third generation of nuclear pow er plant． With the increase of temperature，Fe2 O3 in sacrificial concrete is gradually reduced into Fe3 O4 ，and concrete surface becomes loose gradually； meanw hile，the number of fine and w ide cracks increase，and the porosity of SC increases by 31． 3% to 42． 8% maximally． The compressive strength under 900 ℃ is reduced to 27． 1% to 33． 0% of original strength． Although the addition of polypropylene fiber reduces fluidity and strength of SC，it causes 5% to 8% increase of high temperature residual compressive strength． Furthermore，spalling under high temperature does not occur in SC specimen containing fiber． Key words： sacrificial concrete； polypropylene fiber； free w ater； porosity； strength； spalling resist-
［doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2013． 03． 028］
http： / / journal． seu． edu． cn
600
东南大学学报（ 自然科学版）
第 43 卷
牺牲混凝土是欧洲压水反应堆（ EPR） 的重要 组成部分［1］． 当严重核电事故发生时，堆坑区不断 地积累堆芯熔融物，牺牲混凝土受热熔化后与熔融 物混合，降低了熔融物的固相和液相温度，且其中 的 Fe2 O3 能够氧化熔融物中的锆，SiO2 可以在高 温下形成玻璃态基体，包容住具有放射性的裂变产 物，防止其扩散至外界环境中，从而避免发生类似 日本福岛第一核电站中 1# ～ 4# 机组因锆与水反应 引起的氢气爆炸［2-3］．
牺牲混凝土的高温性能试验方法如下： 将成型 的试件先标养 28 d，再空养 21 d，将养护好的试件 置于高温炉中，以 10 ℃ / min 的速率升温至目标温 度（ 400，600，800，900，1 000 ℃ ） ，恒温一定时间后 将试件取出，自然冷却至室温． 测试混凝土在高温 处理前后的容重与抗压强度．
第 43 卷第 3 期 2013 年 5 月
东南大学学报（ 自然科学版）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （ Natural Science Edition）
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2013． 03． 028
Vol． 43 No． 3 M ay 2013
1 试验
而堆坑牺牲混凝土层直径为 6． 0 m，厚度为0． 5 m， 比重约为 2 620 kg / m ． 3［1，4］ 因此，堆坑处需要3． 7 × 104 kg 的牺牲混凝土确保能够氧化 1． 5 × 104 kg 的 锆． 根据单质锆与 Fe2 O3 ，SiO2 的化学反应式［5］计 算可知，牺牲混凝土中 Fe2 O3 和 SiO2 的质量分数 总和应不低于 53． 4% ，才能确保堆芯熔融物中的 单质锆能够被全部氧化． 因此，牺牲混凝土的化学 成分 （ 尤 其 是 Fe2 O3 和 SiO2 ） 需 要 满 足 一 定 要 求［5］．
硅灰 20 20
石英砂
赤铁矿石
水
1 060
980
181
1 060
980
181
减水剂 7． 6 7． 6
聚丙烯纤维 1． 5
ห้องสมุดไป่ตู้
1． 2 试验方法 牺牲混凝土机械搅拌 5 min 后成型，带模养护
24 h 后拆模，试件标准养护 28 d． 将尺寸为 40 mm × 40 mm × 160 mm 的试件放于 105 ℃ 恒温烘箱 中，每天测试一次试件重量，从而获得牺牲混凝土 含水率演变规律． 采用 X 射线荧光（ XRF） 分析仪 测试粉末样品的元素组成，并结合加热后牺牲混凝 土的容重变化，计算牺牲混凝土化学组成．
牺牲混凝土在高温作用下的损伤及机理分析
李杰青1
孙 伟1
蒋金洋1 金祖权2 张巧芬3
（ 1 东南大学材料科学与工程学院，南京 211189） （ 2 青岛理工大学土木工程学院，青岛 266033）
（ 3 中国建筑第二工程局有限公司，北京 100054）
李 政3
于英俊1
摘要： 为了研究牺牲混凝土的关键性能以及高温下性能演变与演变机理，采用 105 ℃ 失重指标 和 X 射线荧光分析仪测试牺牲混凝土的自由水含量和化学组成，并采用抗压强度指标、计算机 断层扫描仪和扫描电镜研究了聚丙烯纤维对高温作用下牺牲混凝土强度、孔结构和微观形貌的 影响． 试验结果表明，制备的牺牲混凝土具有良好的流动性和力学性能，自由水的质量分数仅为 4． 4% ，而 SiO2 和 Fe2 O3 的质量分数则分别达到 48． 8% 和 30． 0% ，满足第三代核电站的基本要 求． 随温度升高，牺牲混凝土中的 Fe2 O3 逐步还原为 Fe3 O4 ，混凝土表面逐渐疏松，同时微细裂缝 和宽大裂缝增多，孔隙率最多增加了 31． 3% ～ 42． 8% ，而 900 ℃ 时牺牲混凝土抗压强度则降低 为初始强度的 27． 1% ～ 33． 0% ． 聚丙烯纤维的掺加降低了牺牲混凝土的流动性和强度，但其高 温残余抗压强度提高了 5% ～ 8% ，且试件在高温下不爆裂． 关键词： 牺牲混凝土； 聚丙烯纤维； 自由水； 孔隙率； 强度； 抗爆裂性能 中图分类号： TU528 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 0505（ 2013） 03-0599-05
见表 3． 显然，2 种配比牺牲混凝土的初始坍落度和 半小时坍落度都大于 180 mm，满足施工要求． 鉴于