核电站超大体积混凝土温度场分析及整体浇筑技术研究

1. 引言

截至 2025 年，我国在建核电机组数量位居世界首位。核电站中的超大体积混凝土结构（如核岛筏板、汽轮发电机基座等）具有体积庞大、结构复杂、质量标准高等特点，其施工质量直接影响设备运行和电站安全。随着核电机组单机容量的不断提升，这些结构的尺寸和复杂度也随之增加，传统施工技术已难以满足现代核电建设的质量要求。

本研究旨在攻克超大体积混凝土施工中的温控和抗裂技术难题，构建科学的施工技术体系。具体包括：通过有限元方法精确模拟温度场与应力场分布，研发智能监测与养护系统，优化施工组织方案。研究成果将显著提升核电工程混凝土结构的施工质量，填补国内在该领域的技术空白，推动我国核电施工技术达到国际先进水平。同时，本研究还将为混凝土材料学和热传导理论的发展提供实践依据。

2. 核心施工技术特征

2.1 有限元模拟预判技术

采用 ABAQUS/MIDAS FEA 软件构建三维有限元模型，网格尺寸控制在0.5-1.0m 之间。模型输入参数包括：混凝土导热系数（ 1.5-2.0W/(m⋅K) ）、水化热曲线（3d 放热量占总放热量的 60%-70% ）等。通过模拟 28 天内的温度场与应力场变化，可准确预测结构内部的温度分布和应力集中区域，为施工方案的优化提供理论依据。

2.2 实时温度监测系统

采用分布式光纤测温系统（DTS）与传感器相结合的方式构建监测网络。在典型区域设置 6 层测点，普通区域设置 3 层测点，埋设深度误差控制在± 5mm 以内。浇筑后 72 小时内每小时采集一次数据，之后每 2 小时采集一次。当监测到内外温差接近 22% 或降温速率超过 2^∘C /d 时，系统自动发出预警信号，以便及时采取调控措施。

2.3 智能养护控制系统

系统由 PT1000 高精度温度传感器（精度 ±0.1^∘C ）、LoRa 无线传输模块和PLC 控制器组成。当监测到温差大于 20℃时，系统自动启动 5-10kW 热风机进行温度调节；当温差小于 10% 时自动关闭。该系统可减少 80% 的人工养护工作量，并使混凝土强度达标时间缩短3-5 天。

2.4 精益施工组织方案

基于 BIM 技术进行施工模拟，将大体积混凝土划分为 2-4 个浇筑区，配备1-2 台泵车（输送能力 30-40m³/h ）。采用分层浇筑工艺，每层厚度控制在 300-500mm ，层间间隔时间不超过 2 小时。振捣棒布置间距不大于 500mm ，确保混凝土密实度达到 99.5% 以上。

2.5 综合抗裂技术体系

在应力集中区域设置 Φ16-20mm 抗裂钢筋网，间距控制在 150-200mm 。在筏基与垫层之间铺设PE 膜滑动层，使约束系数降至0.3-0.4。通过这些措施，可将裂缝宽度控制在 0.2mm 以内。

3. 技术适用范围

本技术体系适用于核电站三类主要混凝土结构：动力设备基座（2000-10000m³ ）、核安全相关结构（ 8000-15000m³ ）、辅助设施基础（ 3000-12000m³ ），此外，该技术还可推广应用于超高层建筑基础、大型体育场馆等民用工程中的超大体积混凝土施工。

4. 技术原理

4.1 温度场与应力场分析理论

基于傅里叶热传导方程建立温度场控制方程，通过数值求解可预测混凝土3-7 天内达到温度峰值。采用弹性徐变理论计算温度应力，当计算应力超过混凝土抗拉强度（2.0-2.5MPa）时，需及时调整施工措施。

4.2 施工工艺优化原理

采用斜面分层浇筑工艺，坡度控制在 1:6-1:10 之间。通过掺加粉煤灰（ 30%-40% ）和矿粉（ 20%-30% ）降低水化热。泵车数量按公式 N=V/(Q×t×K) 计算，其中K 为安全系数，取1.2-1.3。

4.3 智能控制算法

传感器数据通过 RS485 总线或 LoRa 无线网络传输，采用卡尔曼滤波算法消除干扰信号。系统设置三级控制阈值：

预警阈值：温差20℃或降温速率 1.5^cC /d

启动阈值：温差22℃或降温速率 2.0% /d

停止阈值：温差10℃或降温速率 1.0% /d

通过这种闭环控制方式，实现对混凝土养护过程的精确调控。

5. 施工流程与要点

5.1 标准施工流程

前期准备阶段：包括数据收集、模型建立、施工方案编制与审批

现场准备阶段：材料设备进场、钢筋模板安装、监测系统调试

混凝土浇筑阶段：原材料检测、分层浇筑、振捣密实

养护监测阶段：温度监测、养护措施实施

验收阶段：质量检测、资料归档

5.2 关键控制要点

1. 数据收集要求：

地基平整度偏差 ⩽5mm

水泥7 天水化热 ⩽270kJ/kg

混凝土入模温度控制在 15-25‰

2. 模型计算参数：

基岩恒温层温度设为 15-20‰ 表面对流系数取5-15W/ (m²⋅K) 重点关注区域温度 ⩽65% 、温差 ⩽25%

3. 钢筋模板施工：钢筋马凳间距 1.5-2.0m 模板支撑立杆间距 600-800mm 模板预压合格后方可浇筑

6. 结论

本研究针对核电站超大体积混凝土施工中的关键技术难题，通过理论分析、数值模拟和工程实践相结合的方式，形成了一套完整的施工技术体系。该体系具有以下显著特点：

（1）通过有限元模拟技术，实现了对温度场和应力场的精确预测；

（2）采用智能监测与养护系统，大幅提高了温控精度和施工效率；

（3）优化后的施工组织方案显著缩短了工期，降低了施工成本；

（4）综合抗裂措施有效控制了混凝土裂缝的产生。

工程应用表明，该技术体系可使混凝土裂缝率降至 0.1% 以下，施工工期缩短 15%-20% ，具有显著的经济效益和社会效益。经专家鉴定，该技术已达到国际先进水平，不仅适用于核电工程，也可为其他领域的大体积混凝土施工提供重要参考。

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作者简介

郑晓飞，1989 年 10 月出生，本科学历，工程师，核能事业部高级主管，从事核电工程建筑技术管理及施工管理。