大型低溫儲(chǔ)罐墻體裂縫產(chǎn)生原因及控制措施

鐘 曦

(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100024)

1 概述

隨著我國(guó)能源短缺的形勢(shì)越來越緊張，我國(guó)液化天然氣進(jìn)口量逐年增大，目前已經(jīng)迎來了液化天然氣接收站建設(shè)的高潮期。而作為液化天然氣儲(chǔ)存的載體，大型低溫儲(chǔ)罐的重要性也逐漸凸顯出來。目前我國(guó)已建或在建的16萬m3大型液化天然氣儲(chǔ)罐采用的均是雙容罐，即由材質(zhì)為含9%鎳的鎳鋼板的內(nèi)罐與材質(zhì)為預(yù)應(yīng)力混凝土的外罐雙層罐體組成。

在多個(gè)外罐混凝土墻體的澆筑過程中，我們發(fā)現(xiàn)混凝土墻體有較嚴(yán)重的裂縫問題產(chǎn)生，應(yīng)該引起工程人員的特別重視。

本文就某工程大型低溫儲(chǔ)罐外罐混凝土墻體中出現(xiàn)裂縫的成因、控制措施以及修補(bǔ)方法作一些分析。

2 一般混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因

1)材料原因。材料原因引起的裂縫種類包括:干縮裂縫、中性化伴隨鋼筋腐蝕產(chǎn)生裂縫、氯化物使鋼筋腐蝕產(chǎn)生裂縫、堿集料反應(yīng)產(chǎn)生裂縫、水泥水化熱產(chǎn)生裂縫。

2)施工原因?；炷僚浜嫌新然?，摻合材料的不均勻、攪拌時(shí)間不足或長(zhǎng)時(shí)間攪拌、泵送時(shí)配合比發(fā)生變化。不正確的澆筑順序、澆筑速度太快、振搗不密實(shí)、初凝前振動(dòng)或加荷載、初期凍害、施工縫口處理不當(dāng)、鋼筋踩踏混亂及保護(hù)層厚度不夠、過早拆模?；炷猎缙谟盟B(yǎng)護(hù)時(shí)間不足，使混凝土表面脫水而產(chǎn)生干縮裂縫;或初期受凍，使混凝土表面變得脆弱。

3)設(shè)計(jì)原因。建筑物的平面規(guī)模過大或長(zhǎng)度過長(zhǎng)、沉降縫或伸縮縫設(shè)置不當(dāng)、平面形狀不規(guī)則、受力構(gòu)件中跨度大、截面小、鋼筋配置不合理或配筋少等，都有可能使混凝土產(chǎn)生裂縫。

4)溫差及不均勻沉降。建筑物上同一時(shí)間任意兩點(diǎn)的溫差較大或同一點(diǎn)上瞬時(shí)溫差變化較大，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生過大應(yīng)力，大于混凝土抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫?；A(chǔ)沉降不均勻也是造成混凝土開裂的原因之一。

3 某儲(chǔ)罐墻體裂縫情況描述

實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)底層墻體裂縫數(shù)量較多且寬，而上層墻體裂縫數(shù)量逐層減少?，F(xiàn)就底層墻體的裂縫情況作詳細(xì)描述。

儲(chǔ)罐內(nèi)徑80m，圓柱形墻體。沿底層墻體截面共出現(xiàn)218道豎向裂縫，未出現(xiàn)水平裂縫。墻體內(nèi)表面和外表面均出現(xiàn)了裂縫，裂縫始于墻底，高度700mm～3000mm。墻體內(nèi)表面裂縫間距大約3m～4m，外表面裂縫間距大約1m～2m。外表面裂縫較內(nèi)表面裂縫更密的原因是外表面受到更大的墻體約束力，而內(nèi)表面有更大的自由度，并且內(nèi)表面的預(yù)埋碳鋼襯里板也可以釋放一些墻體約束應(yīng)力。

墻體周長(zhǎng)包括臨時(shí)洞口附近均出現(xiàn)裂縫。一個(gè)突出的現(xiàn)象是在豎向預(yù)應(yīng)力波紋管附近，墻體內(nèi)、外表面均有裂縫出現(xiàn)，這是因?yàn)椴y管的存在減小了墻體混凝土截面面積，從而造成收縮率與其他墻體部分不一致而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

使用如圖1所示裂縫寬度比對(duì)器對(duì)底層墻體裂縫進(jìn)行比對(duì)，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)84%的裂縫寬度小于0.15mm，12%的裂縫寬度介于0.15mm ～0.2mm，4%的裂縫寬度介于0.2mm ～0.3mm。

4 規(guī)范規(guī)定允許裂縫寬度

目前我國(guó)尚沒有完全適用于大型LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)規(guī)范，現(xiàn)有儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)均是以歐洲、美國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范為主，并參照我國(guó)相關(guān)國(guó)標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)(見表1)。

表1 國(guó)標(biāo)

根據(jù)歐標(biāo)DIN1045表18，19(見表2，表3)，本工程儲(chǔ)罐環(huán)境類別屬于海濱環(huán)境(XS1)，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)等級(jí)為C級(jí)，允許裂縫寬度最大值為0.2mm。

表2 DIN1045(一)

綜上可知，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范允許最大裂縫寬度為0.2mm。而本儲(chǔ)罐底層墻體有大約4%的裂縫寬度超過0.2mm，不滿足規(guī)范要求，會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐墻體的耐久性造成不利影響，需要對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)。

5 底層墻體裂縫過多的原因

底層墻體較上層墻體裂縫過多有以下一些主要原因:

1)本工程儲(chǔ)罐墻體混凝土使用的是強(qiáng)度較高的C50，由于其較大的收縮性以及較低的蠕變值，較一般強(qiáng)度較低的C35，C40混凝土更容易產(chǎn)生裂縫。干燥、混凝土自身收縮、熱效應(yīng)均會(huì)引起混凝土的收縮裂縫。邊界條件的約束也會(huì)引起混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生。當(dāng)各種因素引起的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫就形成了。

表3 DIN1045(二)

2)本工程儲(chǔ)罐直徑很大，達(dá)到80m。根據(jù)一般混凝土工程經(jīng)驗(yàn)，高度為1m的混凝土構(gòu)件每6m長(zhǎng)度要設(shè)置一道收縮縫。本工程儲(chǔ)罐每層墻體高度為3.72m，周長(zhǎng)達(dá)到250m左右，按照一般混凝土工程經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該設(shè)置12道收縮縫，但是因?yàn)閮?chǔ)罐氣密性及整體性的要求不允許在墻體中設(shè)置收縮縫，這也是導(dǎo)致混凝土墻體產(chǎn)生裂縫的原因之一。

3)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中為了增強(qiáng)儲(chǔ)罐的整體性，將混凝土墻體與承臺(tái)底板之間的連接設(shè)計(jì)為剛性連接，設(shè)計(jì)中將底板起始鋼筋深入墻體。這導(dǎo)致底層墻體受承臺(tái)底板的剛性約束，從而產(chǎn)生過大的邊界約束應(yīng)力，使底層墻體裂縫明顯增多。隨著混凝土墻體澆筑層數(shù)的增加，墻體自重壓力增大，從而部分抵消承臺(tái)底板起始筋的約束拉應(yīng)力，裂縫將逐漸閉合。混凝土外罐結(jié)構(gòu)施工完成后將進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的張拉，這會(huì)進(jìn)一步閉合裂縫。對(duì)于上層墻體，隨著邊界約束的逐層減小，約束拉應(yīng)力也將逐層減小，所以上層墻體的裂縫將逐層減少。

6 減少裂縫的措施

做好混凝土的配合比設(shè)計(jì);控制好混凝土的坍落度;控制混凝土從卸料到澆筑完成的時(shí)間;澆筑混凝土?xí)r要有專人振搗，防止漏振和過振;混凝土澆筑后立即蓋上薄膜及棉毯以保持適宜的溫度和濕度，防止混凝土表面脫水而產(chǎn)生干縮裂縫。墻體鋼筋直徑不宜過大，宜采取小直徑、密布置的布筋方式，可有效的減小裂縫寬度。

7 墻體裂縫修補(bǔ)方案

根據(jù)裂縫大小情況，有以下三種修補(bǔ)方案:

1)對(duì)于寬度小于0.15mm的裂縫，無需修補(bǔ)。2)對(duì)寬度介于0.15mm～0.2mm的裂縫，采用表面修補(bǔ)法。先用自來水清洗裂縫并用壓力空氣進(jìn)行干燥，然后用軟刷將水泥砂漿對(duì)裂縫進(jìn)行涂抹。3)對(duì)于寬度介于0.2mm～0.3mm的裂縫，采用灌漿法。將裂縫范圍混凝土鑿開至裂縫深度，然后用自來水清洗并用壓力空氣進(jìn)行干燥，最后壓力注入環(huán)氧樹脂水泥砂漿。

8 結(jié)語

混凝土裂縫問題是項(xiàng)技術(shù)難題，長(zhǎng)期困擾工程界。特別是對(duì)于16萬m3的大型低溫儲(chǔ)罐，采取的是整體澆筑而未設(shè)置任何伸縮縫與后澆帶，混凝土裂縫的問題尤其嚴(yán)重，這對(duì)儲(chǔ)罐的耐久性提出了更高的要求。

目前收縮變形和溫度變形是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因，控制這些裂縫除了需要廣大工程建設(shè)人員在設(shè)計(jì)與施工方面采取相應(yīng)措施外，也需要科研人員盡快地研制出能減少水泥收縮和水化熱的高效材料，從而將裂縫問題降低到最小。

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