淺談LNG儲罐基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫控制質(zhì)量監(jiān)督措施

禇天

中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司（湖北 武漢 430050）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，清潔能源的需求快速增長，LNG能源儲運(yùn)上升到國家能源安全戰(zhàn)略，LNG儲運(yùn)工程迎來高速發(fā)展，也促使了儲罐工程向著大型化的方向發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的應(yīng)用給LNG儲罐的大型化提供了堅實的基礎(chǔ)，同時給工程施工質(zhì)量的控制帶來了更高的要求。隨著我國“質(zhì)量強(qiáng)國戰(zhàn)略”的全面實施，保障工程結(jié)構(gòu)安全，研究和論證新型施工工藝的可靠性，完善工程質(zhì)量監(jiān)督措施手段，提升超大型液化天然氣（LNG）接收站儲罐工程基礎(chǔ)質(zhì)量管理就顯得尤為重要[1]。

1 某LNG儲運(yùn)項目工程概況

該工程由2臺3×104m3LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐及配套工程組成（圖1），樁基礎(chǔ)由圓柱體鋼筋混凝土承臺板和現(xiàn)場澆筑的承重樁組成，儲罐基礎(chǔ)為高架空樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，每個儲罐含188根樁，樁徑1.0 m，樁深22m。承臺直徑51m，邊緣厚度1.2 m，中心厚度1.0 m（圖2）。

圖1 某LNG接收站鳥瞰圖

圖2 LNG儲罐剖面示意圖

1.1 主要工程量

該工程基礎(chǔ)承臺主要工程量見表1。

表1 基礎(chǔ)承臺主要工程量（單罐）

1.2 主要材料及技術(shù)要求

儲罐基礎(chǔ)承臺采用C50P6F50混凝土，水灰比≤0.5 ，水泥用量≥300kg/m3，骨料尺寸≤32mm，混凝土質(zhì)量遵循GB50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》要求。

儲罐基礎(chǔ)承臺使用的鋼筋分普通鋼筋和低溫鋼筋，普通鋼筋選用HRB400III級鋼，低溫鋼筋采用熱軋高屈服強(qiáng)度鋼筋，屈服強(qiáng)度特征值500N/mm2,同一連接區(qū)的鋼筋搭接接頭不大于總鋼筋截面積的50%，鋼筋綁扎搭接接頭連接區(qū)域的長度為1.3倍搭接長度。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線用19束及10束T15.7（截面150 mm2）低松弛鋼絞線制成，錨具采用FREYSSINET型號19C15及12C15；張拉設(shè)備采用FREYSSINET型號CC500或類似設(shè)備。

混凝土表面施工允許誤差值為：承臺底面任意3m距離兩點標(biāo)高偏差為±30mm，承臺頂面任意兩點間標(biāo)高偏差±20mm；承臺邊緣外圓度±R/1000 mm；承臺外緣垂直度±h/100mm。

承臺頂面鋼筋保護(hù)層厚度為50mm，承臺底面鋼筋保護(hù)層厚度為100mm，側(cè)面保護(hù)層厚度為50 mm。施工縫應(yīng)打毛，清理干凈，不得存在浮石。除設(shè)計另有要求，所有外部水平面最小找坡1%。

2 技術(shù)準(zhǔn)備

GB50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》對大體積混凝土的定義：“混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土”。

大體積混凝土中水泥的水化放熱反應(yīng)和大體積混凝土自身具備的保溫性能使其內(nèi)部升溫較其表層幅度大、速率高；當(dāng)混凝土升溫抵達(dá)峰值后，降溫過程內(nèi)部降溫又比其表面幅度小、速率慢[2]。在這一過程階段中，混凝土各部分熱脹冷縮及其內(nèi)部、外部約束力共同作用下，內(nèi)部應(yīng)力極度復(fù)雜，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土所承受的拉應(yīng)力極限值時，混凝土出現(xiàn)裂縫[3]。

2.1 LNG儲罐基礎(chǔ)承臺混凝土熱工計算

2.1.1 最大絕熱溫升

T h=（mc+K×F）Q/c×ρ=（355+0.25×100）×375/(0.97 ×2400)=61.21 ℃

式中：T h為砼的絕熱升溫；℃；mc為混凝土中水泥（含膨脹劑）用量，kg/m3；F為混凝土火星參合料用量，kg/m3；K為參合料折減系數(shù)，取0.25 ；Q為水泥28d水化熱，kJ/kg；c為混凝土比熱、取0.97[（kJ/（kg·K）]；ρ為混凝土的齡期，d。

2.1.2 混凝土中心計算溫度

T（1t）=Tj+Tk×ξ（t）=30+61.2 ×0.42 =55.7 ℃

式中：T（1t）為t齡期混凝土中心計算溫度，℃；Tj為混凝土澆筑溫度，℃，取上限30℃；ξ（t）為t齡期降溫系數(shù)。

2.1.3 混凝土表層計算溫度

2.1.3.1 保溫材料厚度

δ=0.5h×λx（T2-Tq）Kb/λ（Tmax-T2）=0.5 ×1.2 ×0.06 ×（40-25）×1.3 /2.33 ×（61.21 -40）=0.0014 m

式中：δ為保溫材料厚度m；λx為所選保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取2.3 W/（m·K）；T2為混凝土表面溫度，取40℃；Tq為施工期大氣平均溫度，25℃；Tmax為混凝土最高溫度計算值，61.21 ℃；Kb為傳熱系數(shù)修正值1.3 ～2.0 。

2.1.3.2 混凝土表面模板及保溫層的傳熱系數(shù)

β=1/[∑δi/λi+1/βq]=1/(0.014 /0.04 +1/23)=2.54 W/（m2·K）

式中：β為混凝土表面模板及保溫層等的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；δi為各保溫材料厚度），m；λi為各保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；βq為空氣層的傳熱系數(shù)，取23W/（m2·K）。

2.1.3.3 混凝土虛厚度

式中：h′為混凝土虛厚度，m；K為折減系數(shù)，取2/3；λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33 W/（m·K）。

2.1.3.4 混凝土計算厚度

H=h+2h′=1.2 +2×0.661 =2.422 m

式中：H為混凝土計算厚度，m；h為混凝土實際厚度m。

2.1.3.5 混凝土表層溫度T2（t）=Tq+4×h′（H-h′）[T1（t）-Tq]/H2=25+4×0.661 （2.422 -0.611 ）×（55.7 -25）/2.4222 =48.2 ℃

式中：T2（t）為混凝土表面溫度，℃；Tq為施工期大氣平均溫度，℃；h′為混凝土虛厚度，m；H為混凝土計算厚度，m；T2（t）為混凝土中心溫度，℃。

2.1.4 混凝土內(nèi)平均溫度

Tm(t)=[T1(t)-T2(t)]/2=（55.7 -48.2 ）/2=51.95 ℃

式中：T1(t)為混凝土中心溫度，℃；T2(t)為混凝土表面溫度，℃。

2.2 LNG儲罐基礎(chǔ)承臺混凝土入模溫度計算

2.2.1 混凝土施工材料及環(huán)境要素

C50P6F50混凝土配合比為：水150kg、42.5 號硅酸鹽水泥335kg、砂757kg、石子1045kg。骨料含水量擬為：砂3%、石子2%。

施工時采用混凝土攪拌車運(yùn)輸，運(yùn)輸時間約為5min，澆筑振搗時間12min，平均環(huán)境溫度29℃、水降溫至20℃，砂石溫度27℃，水泥溫度為55℃，攪拌棚溫度30℃。

根據(jù)混凝土施工材料、環(huán)境等要素前置條件，計算混凝土成型后的溫度情況。

2.2.2 混凝土拌合物溫度計算

T0=[0.92 （mceTce+msaTsa+mgTg）+4.2Tw（mw-wsamsa-wgmg）+C1（wsamsaTsa+wgmgTg）-C2（wsamsa+wgmg）]÷[4.2 mw+0.9 （mce+msa+mg）]={[0.92 （355×55+757×2+1045×27）+4.2 ×20×(150-0.03 ×75)- 0.02 ×1045]÷[4.2 ×150+0.9 ×(355+75)+ 1045]}+{[4.2 ×(0.03 ×757×27+0.02 × 1045×27)]÷[4.2 ×150+0.9 ×(355+75) +1045]}=29.79 ℃

式中：T0為混凝土拌合物溫度，℃；mw為水用量，kg；mce為水泥用量，kg；msa為砂子用量，kg；mg為石子用量,kg；Tw為水的溫度,℃；Tce為水泥的溫度,℃；Tsa為砂子的溫度,℃；Tg為石子的溫度,℃；wsa為砂子的含水量,%；wg為石子的含水量，%；C1為水比熱容,kJ/（kg·K）；C2為冰的溶解熱,kJ/kg。2.2.3 混凝土拌合物出機(jī)溫度計算

T1=T0-0.16 （T0-Ti）=29.79 -0.16 （29.79 -30）=29.82 ℃

式中：T0為混凝土拌合物溫度，℃；T1為混凝土拌合物出機(jī)溫度，℃；Ti為攪拌機(jī)棚內(nèi)溫度，℃。

2.2.4 混凝土澆筑溫度計算

T2=T1-（att+0.032 n）（T1-Ta）=28.74 ℃

式中：T2為混凝土澆筑溫度，℃；tt為混凝土拌合物運(yùn)輸時間，min；n為混凝土拌合物轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，次；Ta為混凝土拌合物運(yùn)輸環(huán)境溫度，℃；a為溫度損失系數(shù)，混凝土攪拌車運(yùn)輸取0.25。

2.2.5 混凝土澆筑成型計算

根據(jù)計算，承臺每立方混凝土接觸的模板質(zhì)量為18.1 kg，鋼筋質(zhì)量為83kg，考慮模板和鋼筋的吸熱影響，混凝土澆筑成型完成時的溫度為：

式中：TЗ為混凝土澆筑成型溫度，℃；CC、Cf、CS為混凝土、模板、鋼筋的比熱容kJ/（kg·K），混凝土取1kJ/（kg·K）、鋼筋取0.48 kJ/（kg·K）、模板取2.51 kJ/（kg·K）；mC、mf、mS為每立方混凝土質(zhì)量，kg、配套模板質(zhì)量，kg、配套鋼筋質(zhì)量，kg；Tf、TS為模板、鋼筋溫度，℃，按環(huán)境溫度29℃計算。

混凝土中心溫度T1(t)為55.7 ℃，混凝土表面溫度T2(t)為48.2 ℃，未產(chǎn)生有害溫度差。

擬定的混凝土配合比及環(huán)境因素控制工藝能實現(xiàn)出機(jī)溫度不大于30℃、入模溫度不大于30℃。

3 質(zhì)量監(jiān)督控制措施

3.1 原材料控制質(zhì)量監(jiān)督

嚴(yán)把原材料進(jìn)場檢驗關(guān)，重點關(guān)注中、低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥的選用情況，審查水泥品種、代號、強(qiáng)度等級、包裝或散裝倉號、出廠日期等，核查熟料+石膏組分、細(xì)度等情況，檢查燒失量、三氧化硫、氧化鎂和氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，抽查檢驗報告，抽查是否受潮或混入雜物。

嚴(yán)控抽樣檢驗質(zhì)量關(guān)，重點針對水泥、外加劑等需要抽樣檢驗的原材料進(jìn)行符合性質(zhì)量抽查和資料審查。質(zhì)量抽查主要包括同源檢驗和平行檢驗，水泥、外加劑按標(biāo)準(zhǔn)要求每批抽樣送檢的同時，工程質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)同步選擇同批號或同袋原材料進(jìn)行同源檢驗；提前設(shè)置抽檢比例，對廠家或供貨主體進(jìn)行原材料平行檢驗。

嚴(yán)控混凝土配合比關(guān)，混凝土配合比是控制混凝土水化熱的關(guān)鍵[4]，一是要做好事前控制，在大體積混凝土作業(yè)施工前中要審查混凝土配合比設(shè)計；二是要做好事中監(jiān)管，不定期抽查執(zhí)行情況。

重點關(guān)注砂石料、水泥等原材料的存儲和使用，遮陽、防雨措施不到位將對出機(jī)溫度控制產(chǎn)生不利影響?；炷翑嚢柽^程中，審查施工單位是否采取有效的降溫措施，如冷水?dāng)嚢?、加冰等，抽查混凝土出機(jī)溫度是否超過30℃。

3.2 混凝土施工質(zhì)量監(jiān)督重點

1）做好技術(shù)準(zhǔn)備積累，根據(jù)審批的施工方案，通過計算驗證和研判施工技術(shù)的可行性，對于新技術(shù)、新材料在大體積混凝土施工作業(yè)的應(yīng)用，可嘗試通過有限元法進(jìn)行計算機(jī)模擬[5]。

2）加強(qiáng)施工指導(dǎo)性文件交底情況審查，采取問詢方式判斷一線施工作業(yè)人員是否掌握大體積混凝土施工工序、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)、溫控等環(huán)節(jié)技術(shù)要求。

3）監(jiān)督施工過程是否按方案執(zhí)行，抽測入模溫度、實時監(jiān)控溫度梯度變化。

4）現(xiàn)場監(jiān)督混凝土分層澆筑情況，嚴(yán)格控制混凝土澆筑厚度400～500mm的要求，控制好層道間隔時間，防止混凝土冷縫的產(chǎn)生[6]。監(jiān)督檢查施工單位是否執(zhí)行既定施工、分段進(jìn)行施工作業(yè)。

5）復(fù)查混凝土試塊試驗情況，跟蹤混凝土試塊的制作、養(yǎng)護(hù)和質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)質(zhì)量責(zé)任主體的質(zhì)量行為是否合規(guī)。

4 結(jié)束語

通過上述質(zhì)量監(jiān)督控制措施，建立了以技術(shù)可靠性監(jiān)督為基礎(chǔ)，質(zhì)保體系運(yùn)行為核心，原材料質(zhì)量控制為重點，施工過程控制為輔助的工程質(zhì)量監(jiān)督模式，在3×104m3LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐LNG儲罐基礎(chǔ)施工質(zhì)量控制方面取得了良好實效，為后續(xù)20×104～27×104m3超大型LNG儲罐大體積混凝土的質(zhì)量控制夯實了基礎(chǔ)，也為石油化工工程動靜設(shè)備、管道、電氣、儀表等專業(yè)的工程質(zhì)量管理提供了借鑒。