超低溫儲罐基礎大體積混凝土施工質(zhì)量控制研究

馬小瑞

(陜西建工集團有限公司，陜西 西安 710077)

隨著我國基礎設施建設和城市建筑群的快速發(fā)展，大型建筑物和構筑物不斷增多，大體積混凝土逐漸成為大型建筑結構的重要組成部分，在港口建筑物、高層建筑基礎、大型儲藏罐基礎及橋梁等結構中均有廣泛應用[1-2].然而，伴隨著著大體積混凝土的應用推廣，其施工質(zhì)量控制問題已經(jīng)成為無法避免的技術難題[3-5].

目前，各專家學者對大體積混凝土施工質(zhì)量控制進行了大量研究.葉雯等[6]基于足尺混凝土試件室內(nèi)試驗，建立合理的施工工藝，顯著降低了混凝土施工過程中的溫度和應力.劉京紅等[7-8]通過嚴格控制大體積混凝土內(nèi)部溫度、降低混凝土內(nèi)外溫差、延緩凝結時間等，有效控制了混凝土的開裂.杜巨樂等[9-11]通過控制砂石質(zhì)量和級配，選用低水化熱水泥、外加劑和基礎保溫措施，有效控制了大體積混凝土內(nèi)外溫差，較好地控制了混凝土裂縫的出現(xiàn).于立波等[12]針對鴨嘴河煙崗水電站大體積混凝土冬季施工，基于溫度計算結果，選取合理的溫控措施，保證了混凝土的施工質(zhì)量.蘇有文等[13]修正了混凝土水化熱計算公式中的系數(shù)，并基于有限元分析模型，預測了大體積混凝土施工過程中的溫變過程和應力分布.路璐等[14]依據(jù)大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因，從設計、施工、監(jiān)測和裂縫修補等方面闡述了裂縫控制的方法及其實用性.龔劍等[15]介紹了《混凝土結構工程施工規(guī)范》GB50666-2011中大體積混凝土裂縫控制的相關內(nèi)容，指出條文應用中應注意的若干問題.韋永斌等[16]基于數(shù)學方法，建立了混凝土相關熱學參數(shù)的物理模型，實現(xiàn)了LNG低溫混凝土溫度場的計算分析.何慶才[17]就張家口地區(qū)低溫大體積混凝土施工，采用推移式分層澆筑、綜合蓄熱養(yǎng)護方法進行施工控制，取得較好的施工效果.李方剛等[18]從理論和工程的角度對煙臺天馬中心項目進行綜合分析，給出了較為理想的大體積混凝土施工方案及對應的技術措施.王曉偉等[19]通過對混凝土澆筑量、底板澆筑流淌面的三維模型和現(xiàn)場BIM模擬等的研究，分析了筏板大體積混凝土施工中的控制問題.

超低溫LNG儲罐工程已經(jīng)在國內(nèi)大量建造使用，內(nèi)存有-197 ℃液化天然氣，一旦發(fā)生泄漏，由于在超低溫環(huán)境下，混凝土基礎的力學性能將發(fā)生變化[20].低溫環(huán)境對儲罐基礎鋼筋混凝土材料性能的影響不容忽視，更要考慮凍融循環(huán)對鋼筋混凝土性能的損傷.并且與空氣接觸的天然氣卻極易燃燒，一旦發(fā)生火災，火勢難以控制，會造成難以想象的后果[21].因此超低溫LNG儲罐基礎大體積混凝土施工質(zhì)量控制顯得尤為重要.

綜上研究進展，發(fā)現(xiàn)關于超低溫儲罐基礎大體積混凝土施工研究鮮有報道，如何確保該類結構，大體積混凝土的施工質(zhì)量，確保結構安全，滿足設計要求和相關規(guī)范標準成為需要解決的問題.本文依托陜西某液化天然氣應急儲備調(diào)峰項目，進行了超低溫環(huán)境下儲罐基礎大體積混凝土施工質(zhì)量控制的相關研究工作，以期為該類結構大體積混凝土的施工質(zhì)量控制提供參考借鑒.

1 工程概況

陜西某液化天然氣應急儲備調(diào)峰項目含30 000 m3存儲罐的土建工程，包括直徑48 m 的LNG存儲罐C40鋼筋混凝土基礎、C30集液池及防火堤.儲罐內(nèi)部儲存-197 ℃超低溫狀況下的液態(tài)天然氣，儲罐內(nèi)壁由一層特殊耐腐化的304不銹鋼板構成，其外由400 mm厚的泡沫玻璃保冷磚作為絕冷保溫材料，最外面為碳鋼材料制成的外殼，罐體通過預埋內(nèi)外罐錨帶，固定放置在圓形鋼筋混凝土基礎上.該項目于2016年6月開工，當年9月完工.由于項目涉及儲存-197 ℃液化天然氣，屬于超低溫液化可燃氣體，設計要求施工前進行儲罐基礎、集液池及防火堤在預計低溫(-197 ℃)條件下的混凝土抗壓強度及混凝土收縮系數(shù)試驗，并制定合適的施工質(zhì)量控制措施.

2 儲罐基礎施工創(chuàng)新工藝

儲罐內(nèi)部儲存-197 ℃超低溫狀況下的液態(tài)天然氣，儲罐內(nèi)壁由一層特殊耐腐化的304不銹鋼板構成，其外由400 mm厚的泡沫玻璃保冷磚作為絕冷保溫材料，最外面為碳鋼材料制成的外殼，罐體通過預埋內(nèi)外罐錨帶，固定放置在圓形鋼筋混凝土筏板上.罐體本身需要承擔儲存液態(tài)天然氣的自重，并承受-197 ℃與室外常溫的溫差，溫差值達到200多攝氏度.因此對儲罐本身的材料和安裝有極高的要求.

儲罐下部的鋼筋混凝土基礎，其實際工程情況與埋在土中的普通混凝土基礎相比，除了承受上部荷載外，全年溫度變化范圍在-20～40 ℃，如遇雨雪冰凍的侵害，需要具備足夠的抗凍性能；在常規(guī)使用條件下，不可能接觸到-162 ℃的超低溫冷凍狀態(tài).但是一旦儲罐泄漏時，超低溫液化天然氣流出后直接與混凝土基礎接觸，會對混凝土基礎造成瞬間受凍傷害.因此，為防止意外情況發(fā)生時對設備造成傷害，需要對基礎進行特殊技術處理，對施工工藝要求較高.

考慮工程超低溫特殊性以及其它實際情況，經(jīng)施工單位組織專家論證會，與設計單位協(xié)商，對鋼筋混凝土筏板基礎施工制定出以下施工方案及工藝要求.

2.1 混凝土配合比及施工控制創(chuàng)新工藝

(1) 按大體積混凝土相關要求，同時考慮到混凝土基礎可能受到的特殊低溫情況，以及當?shù)丨h(huán)境影響，冬季最低溫度可能達到-20 ℃，確定混凝土抗凍融等級為F200，坍落度為140～160 mm，標養(yǎng)R60達到C40，即混凝土強度平均值應為fcu=1.15×40=46 MPa.因此委托有資質(zhì)的試驗室進行配合比設計，采用混凝土60 d的強度作為配比設計依據(jù)，結合凍融試驗及常規(guī)材性試驗結果，最終選擇C40混凝土配合比具體參數(shù)見表1.

(2) LNG儲罐鋼筋混凝土基礎Φ48 m，厚1.4 m，屬大體積混凝土，為保證儲罐等上部構筑物穩(wěn)定，避免出現(xiàn)不勻均沉降，因而應保證基礎整體性，不出現(xiàn)開裂，使儲罐受力均勻.嚴格控制大體積混凝土的力學強度達到設計要求，通過調(diào)整配合比，控制施工階段混凝土內(nèi)部溫升不大于50 ℃[22]，表里溫差小于25 ℃，降溫速率小于2 ℃/d.混凝土表面與環(huán)境溫差不大于20 ℃.

2.2 防超低溫傷害創(chuàng)新工藝

(1) 為防止超低溫天然氣發(fā)生泄漏時對儲罐基礎造成傷害，在儲罐外罐底板下加設300 mm厚輕質(zhì)混凝土隔離層，其中上層為100 mm厚泡沫混凝土，下層為200 mm厚陶?；炷?，避免超低溫天然氣與基礎接觸.

(2) 為避免超低溫天然氣泄漏時對周圍地面造成傷害，在儲罐基礎外圍與防火堤之間的硬化地面混凝土采用不發(fā)火混凝土，其主要骨料為白云石，分格縫材質(zhì)采用陶土分格縫.

2.3 預埋構件創(chuàng)新工藝

(1) 混凝土基礎內(nèi)預埋構部件較多，典型如：內(nèi)罐錨固件、外罐錨固件、后期檢測基礎內(nèi)部溫度的測溫加熱感應裝置、檢測罐體及基礎傾斜及不均勻沉降的測斜裝置.施工過程中對于預埋構件定位應足夠準確，以保證上部設備精準安裝，避免破壞混凝土以滿足設備安裝要求.

(2) 外罐錨帶、內(nèi)罐錨帶和臨時支撐平面位置控制，采用全站儀和水平儀進行監(jiān)控，確保預埋件的施工精度.混凝土澆筑時振動棒避開已定位好的預埋件.在混凝土澆筑前，外罐錨帶、內(nèi)罐錨帶和臨時支撐的外露部分用塑料薄膜包扎好(如圖1所示)，以免影響后續(xù)設備安裝.

表1 C40混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of C40 concrete

圖1 外罐錨帶預埋部分成品保護Fig.1 Protection of anchored embedded part

3 施工過程混凝土質(zhì)量控制

在施工前，根據(jù)專家論證要求，對大體積混凝土方案進行優(yōu)化，通過計算確定大體積混凝土的溫升峰值、表里溫差及降溫速率，并進行施工方案專項技術交底.

3.1 混凝土的澆筑與振搗控制

混凝土坍落度做到每車必試，如遇不符合要求的，直接退貨，嚴禁使用.采用“分段定點，同步進行，一個坡度，分層澆筑，循序漸進，一次到頂”的斜面澆筑方法，一次澆筑到位(如圖2所示).澆筑時，以后澆帶為分割線，劃分為四個區(qū)域，同時澆筑， 整體連續(xù)澆筑厚度為300～500 mm，在保證混凝土不出現(xiàn)冷縫的條件下，適當放慢澆筑速度，便于散熱.

保證在下層混凝土初凝前，上層混凝土能覆蓋，振搗采用快插慢拔，插入下層混凝土中50 mm左右，插點振搗時間為20～30 s.采用二次振搗工藝消除混凝土表面裂縫，二次振搗時間控制在澆筑后的1～2 h，混凝土初凝之前，振搗深度不宜大于200 mm.

圖2 混凝土基礎分段定點澆筑(單位：mm)Fig.2 Segment pouring of concrete base/mm

3.2 混凝土表面質(zhì)量控制

當混凝土澆筑到靠近尾聲時，將混凝土泌水排到模板邊集水坑內(nèi)，然后用泵將浮漿抽出，混凝土的泌水及時處理，避免粗骨料下沉，混凝土表面水泥漿過厚，致使混凝土表面產(chǎn)生收縮裂縫.

罐體安裝對基礎表面整體平整度的要求為：以任意點為圓心，在5 m半徑內(nèi)平整度允許偏差不超過3 mm，故基礎表面混凝土初凝后，以紅外儀為檢測儀器，采用磨光機對基礎表面進行多次收光處理，及時恢復收縮裂縫，避免產(chǎn)生永久裂縫，同時保證罐體底板安裝平整度，以滿足混凝土基礎承載均勻的要求.

3.3 混凝土的溫度控制

大體積混凝土澆筑前，應根據(jù)混凝土熱工計算結果和溫度控制要求，編制測溫方案，在混凝土澆筑時，準確預埋溫度傳感器并進行編號.

(1) 溫度傳感器在安裝前，先在水下1 m處經(jīng)過浸泡24 h不損壞；傳感器安裝位置準確，固定牢固，并與結構鋼筋及固定架金屬體絕熱.傳感器和傳輸導線必須有防護措施，防止施工過程中損壞傳感器和導線.

(2) 測溫點布置：由于設備基礎為厚度均勻的圓形基礎，故測位按1/4圓進行平面布置，沿徑向按間距6 000 mm均勻分布，根據(jù)混凝土厚度，每個測位布置3個測點，分別位于混凝土的表層、中心及底層部位(如圖3所示).混凝土表層溫度測點布置在距混凝土表面50 mm處；底層的溫度測點布置在混凝土基礎底面以上50 mm處.

圖3 測溫點平面布置圖(單位：mm)Fig.3 Plane layout of temperature measurement/mm

(3) 溫度監(jiān)測要求：在大體積混凝土施工過程中應監(jiān)測混凝土的入模溫度、表里溫差、降溫速率及環(huán)境溫度.測量記錄頻次應該滿足以下要求：混凝土的入模溫度的測量頻次每臺班不應少于2次；混凝土澆筑后，每間隔15～60 min，測量記錄溫度一次.

在溫度監(jiān)測過程中，當降溫速率大于2 ℃/d或每4 h降溫大于1.0 ℃，表里溫差大于25 ℃，混凝土表面與環(huán)境溫差大于20 ℃時，測溫監(jiān)測儀會自動報警，現(xiàn)場需要及時增加覆蓋的保濕保溫材料.當混凝土最高溫度與環(huán)境最低溫度之差連續(xù)3 d小于25 ℃時，可停止溫度監(jiān)測.溫度檢測結束后，繪制各測點溫度變化曲線(如圖4所示)，編制溫度監(jiān)測報告.溫度監(jiān)測過程中測溫監(jiān)測儀沒有報警，且分析圖4數(shù)據(jù)可知，施工過程中儲罐基礎混凝土內(nèi)部溫升最大為49 ℃混凝土最大降溫速率為1.3 ℃/d，表里溫差最大為18 ℃，混凝土表面與環(huán)境溫差最大為17 ℃，所有溫度條件均符合要求.溫度監(jiān)測儀與溫度變化曲線共同保障了混凝土溫度監(jiān)測過程準確無誤.

圖4 基礎混凝土測溫曲線Fig.4 Temperature curve of base concrete

3.4 混凝土養(yǎng)護措施

混凝土的養(yǎng)護以保溫保濕為主，在混凝土初凝前，及時進行噴霧養(yǎng)護工作.大體積混凝土澆筑完成后12 h內(nèi)要及時覆蓋保溫層，根據(jù)熱工計算結果，先在混凝土表面覆蓋一層塑料薄膜，然后在混凝土和竹膠板模板表面覆蓋兩層阻燃毛氈，以保證混凝土內(nèi)外溫度差不超過25 ℃(如圖5所示).

圖5 基礎混凝土養(yǎng)護(單位：mm)Fig.5 Pouring of base concrete/mm

大體積混凝土養(yǎng)護時間不得少于14 d，并且經(jīng)常檢查塑料薄膜的完整情況，保持混凝土始終處于濕潤狀態(tài).保溫覆蓋層的拆除應分層逐步進行，當混凝土表面與環(huán)境最大溫差小于20 ℃時，可全部拆除.模板拆除后，及時進行回填土的施工，防止保溫不善，溫差過大而造成裂縫.

4 項目完成后實際效果

4.1 混凝土強度評定

儲罐基礎C40混凝土標準養(yǎng)護共28組，同條件養(yǎng)護共4組，測試結果見表2，經(jīng)統(tǒng)計分析評定強度均滿足設計要求.

4.2 混凝土基礎裂縫控制狀況

儲罐基礎在混凝土澆筑完成后，由專人負責現(xiàn)場觀察裂縫情況，沒有混凝土裂縫出現(xiàn).

4.3 設備安裝狀況

由于在基礎混凝土澆筑時，嚴格控制了內(nèi)外罐錨帶預埋質(zhì)量，確保了LNG儲罐的順利精準安裝，安裝質(zhì)量一次驗收合格.

4.4 設備運行狀況

竣工驗收兩年后，通過回訪，實地察看及與業(yè)主溝通，設備運行正常，基礎表面未發(fā)現(xiàn)裂縫.

表2 強度統(tǒng)計評定情況表Tab.2 Strength statistics and evaluation

5 結論

(1) 超低溫液態(tài)天然氣儲罐外罐底板下加設適當厚度輕質(zhì)混凝土隔離層，可防止儲罐發(fā)生泄漏時，超低溫液化天然氣對混凝土基礎造成瞬間受凍傷害.

(2) 儲罐基礎大體積混凝土施工階段內(nèi)部溫升不大于50 ℃，表里溫差小于25 ℃，降溫速率小于2 ℃/d，混凝土表面與環(huán)境溫差不大于20 ℃.

(3) 基礎混凝土抗凍融等級達到F200，坍落度嚴格控制，澆筑采用“分段定點，同步進行，一個坡度，分層澆筑，循序漸進，一次到頂”的斜面澆筑方法，一次澆筑到位.

(4) 混凝土的養(yǎng)護以保溫保濕為主，初凝前噴霧養(yǎng)護，澆筑完成后12 h內(nèi)覆蓋保溫層，保證混凝土內(nèi)外溫度差不超過25 ℃.保溫覆蓋層應分層逐步拆除，當混凝土表面與環(huán)境最大溫差小于20 ℃時，可全部拆除，并及時回填土.

(5) 大體積混凝土澆筑前，應根據(jù)混凝土熱工計算結果和溫度控制要求，編制測溫方案，監(jiān)測混凝土的入模溫度、表里溫差、降溫速率及環(huán)境溫度.