大型低溫儲罐墻體裂縫產生原因及控制措施

鐘 曦

(中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100024)

1 概述

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

在多個外罐混凝土墻體的澆筑過程中，我們發現混凝土墻體有較嚴重的裂縫問題產生，應該引起工程人員的特別重視。

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

2 一般混凝土裂縫產生的主要原因

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生裂縫、氯化物使鋼筋腐蝕產生裂縫、堿集料反應產生裂縫、水泥水化熱產生裂縫。

2)施工原因。混凝土配合有氯化物，摻合材料的不均勻、攪拌時間不足或長時間攪拌、泵送時配合比發生變化。不正確的澆筑順序、澆筑速度太快、振搗不密實、初凝前振動或加荷載、初期凍害、施工縫口處理不當、鋼筋踩踏混亂及保護層厚度不夠、過早拆模。混凝土早期用水養護時間不足，使混凝土表面脫水而產生干縮裂縫;或初期受凍，使混凝土表面變得脆弱。

3)設計原因。建筑物的平面規模過大或長度過長、沉降縫或伸縮縫設置不當、平面形狀不規則、受力構件中跨度大、截面小、鋼筋配置不合理或配筋少等，都有可能使混凝土產生裂縫。

4)溫差及不均勻沉降。建筑物上同一時間任意兩點的溫差較大或同一點上瞬時溫差變化較大，使混凝土內部產生過大應力，大于混凝土抗拉強度而產生裂縫。基礎沉降不均勻也是造成混凝土開裂的原因之一。

3 某儲罐墻體裂縫情況描述

實際施工過程中發現底層墻體裂縫數量較多且寬，而上層墻體裂縫數量逐層減少。現就底層墻體的裂縫情況作詳細描述。

儲罐內徑80m，圓柱形墻體。沿底層墻體截面共出現218道豎向裂縫，未出現水平裂縫。墻體內表面和外表面均出現了裂縫，裂縫始于墻底，高度700mm～3000mm。墻體內表面裂縫間距大約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，而內表面有更大的自由度，并且內表面的預埋碳鋼襯里板也可以釋放一些墻體約束應力。

墻體周長包括臨時洞口附近均出現裂縫。一個突出的現象是在豎向預應力波紋管附近，墻體內、外表面均有裂縫出現，這是因為波紋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致裂縫的產生。

使用如圖1所示裂縫寬度比對器對底層墻體裂縫進行比對，測試結果發現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 規范規定允許裂縫寬度

目前我國尚沒有完全適用于大型LNG儲罐的設計規范，現有儲罐設計均是以歐洲、美國相關設計規范為主，并參照我國相關國標進行設計(見表1)。

表1 國標

根據歐標DIN1045表18，19(見表2，表3)，本工程儲罐環境類別屬于海濱環境(XS1)，對應結構等級為C級，允許裂縫寬度最大值為0.2mm。

表2 DIN1045(一)

綜上可知，預應力混凝土結構規范允許最大裂縫寬度為0.2mm。而本儲罐底層墻體有大約4%的裂縫寬度超過0.2mm，不滿足規范要求，會對儲罐墻體的耐久性造成不利影響，需要對其進行修補。

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

表3 DIN1045(二)

2)本工程儲罐直徑很大，達到80m。根據一般混凝土工程經驗，高度為1m的混凝土構件每6m長度要設置一道收縮縫。本工程儲罐每層墻體高度為3.72m，周長達到250m左右，按照一般混凝土工程經驗應該設置12道收縮縫，但是因為儲罐氣密性及整體性的要求不允許在墻體中設置收縮縫，這也是導致混凝土墻體產生裂縫的原因之一。

3)儲罐設計中為了增強儲罐的整體性，將混凝土墻體與承臺底板之間的連接設計為剛性連接，設計中將底板起始鋼筋深入墻體。這導致底層墻體受承臺底板的剛性約束，從而產生過大的邊界約束應力，使底層墻體裂縫明顯增多。隨著混凝土墻體澆筑層數的增加，墻體自重壓力增大，從而部分抵消承臺底板起始筋的約束拉應力，裂縫將逐漸閉合。混凝土外罐結構施工完成后將進行預應力的張拉，這會進一步閉合裂縫。對于上層墻體，隨著邊界約束的逐層減小，約束拉應力也將逐層減小，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計;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間;澆筑混凝土時要有專人振搗，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 墻體裂縫修補方案

根據裂縫大小情況，有以下三種修補方案:

1)對于寬度小于0.15mm的裂縫，無需修補。2)對寬度介于0.15mm～0.2mm的裂縫，采用表面修補法。先用自來水清洗裂縫并用壓力空氣進行干燥，然后用軟刷將水泥砂漿對裂縫進行涂抹。3)對于寬度介于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行干燥，最后壓力注入環氧樹脂水泥砂漿。

8 結語

混凝土裂縫問題是項技術難題，長期困擾工程界。特別是對于16萬m3的大型低溫儲罐，采取的是整體澆筑而未設置任何伸縮縫與后澆帶，混凝土裂縫的問題尤其嚴重，這對儲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致混凝土產生裂縫的主要原因，控制這些裂縫除了需要廣大工程建設人員在設計與施工方面采取相應措施外，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。

[1]張連中，何國富，寧仟俊.大型儲罐樁板基礎的地基沉降分析[J].醫藥工程設計，2008，29(1):54-57.

[2]賀 強，徐 英.儲罐基礎工程中地基承載力的取值研究[J].新疆石油科技，2004，2(14):51-52.

[3]GB50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[4]郝延強，趙 然，肖高田.雙壁金屬低溫儲罐保冷混凝土基礎施工技術[J].石油工程建設，2009(2):42-44.

[5]賈慶山.儲罐基礎工程手冊[M].北京:中國石化出版社，2002.

[6]吳 浩，盧云祥.上海LNG儲罐外罐的建造方案研究[J].中國水運，2008(1):30-31.