淺談LNG儲罐基礎大體積混凝土裂縫控制質量監督措施

禇天

中海油安全技術服務有限公司（湖北 武漢 430050）

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

1 某LNG儲運項目工程概況

該工程由2臺3×104m3LNG預應力混凝土全容罐及配套工程組成（圖1），樁基礎由圓柱體鋼筋混凝土承臺板和現場澆筑的承重樁組成，儲罐基礎為高架空樁基礎結構，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

該工程基礎承臺主要工程量見表1。

表1 基礎承臺主要工程量（單罐）

1.2 主要材料及技術要求

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

儲罐基礎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度鋼筋，屈服強度特征值500N/mm2,同一連接區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域的長度為1.3倍搭接長度。

預應力鋼絞線用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；張拉設備采用FREYSSINET型號CC500或類似設備。

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

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

2 技術準備

GB50496—2018《大體積混凝土施工標準》對大體積混凝土的定義：“混凝土結構物實體最小尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預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致有害裂縫產生的混凝土”。

大體積混凝土中水泥的水化放熱反應和大體積混凝土自身具備的保溫性能使其內部升溫較其表層幅度大、速率高；當混凝土升溫抵達峰值后，降溫過程內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部、外部約束力共同作用下，內部應力極度復雜，當溫度應力超過混凝土所承受的拉應力極限值時，混凝土出現裂縫[3]。

2.1 LNG儲罐基礎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，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。

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為所選保溫材料導熱系數，W/（m·K）；λ為混凝土導熱系數，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

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，W/（m2·K）；δi為各保溫材料厚度），m；λi為各保溫材料導熱系數，W/（m·K）；βq為空氣層的傳熱系數，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，取2/3；λ為混凝土導熱系數，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儲罐基礎承臺混凝土入模溫度計算

2.2.1 混凝土施工材料及環境要素

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輸，運輸時間約為5min，澆筑振搗時間12min，平均環境溫度29℃、水降溫至20℃，砂石溫度27℃，水泥溫度為55℃，攪拌棚溫度30℃。

根據混凝土施工材料、環境等要素前置條件，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溫度，℃；Ti為攪拌機棚內溫度，℃。

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為混凝土拌合物運輸時間，min；n為混凝土拌合物轉運次數，次；Ta為混凝土拌合物運輸環境溫度，℃；a為溫度損失系數，混凝土攪拌車運輸取0.25。

2.2.5 混凝土澆筑成型計算

根據計算，承臺每立方混凝土接觸的模板質量為18.1 kg，鋼筋質量為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為每立方混凝土質量，kg、配套模板質量，kg、配套鋼筋質量，kg；Tf、TS為模板、鋼筋溫度，℃，按環境溫度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 ℃，未產生有害溫度差。

擬定的混凝土配合比及環境因素控制工藝能實現出機溫度不大于30℃、入模溫度不大于30℃。

3 質量監督控制措施

3.1 原材料控制質量監督

嚴把原材料進場檢驗關，重點關注中、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、強度等級、包裝或散裝倉號、出廠日期等，核查熟料+石膏組分、細度等情況，檢查燒失量、三氧化硫、氧化鎂和氯離子質量分數是否符合標準要求，抽查檢驗報告，抽查是否受潮或混入雜物。

嚴控抽樣檢驗質量關，重點針對水泥、外加劑等需要抽樣檢驗的原材料進行符合性質量抽查和資料審查。質量抽查主要包括同源檢驗和平行檢驗，水泥、外加劑按標準要求每批抽樣送檢的同時，工程質量監督機構同步選擇同批號或同袋原材料進行同源檢驗；提前設置抽檢比例，對廠家或供貨主體進行原材料平行檢驗。

嚴控混凝土配合比關，混凝土配合比是控制混凝土水化熱的關鍵[4]，一是要做好事前控制，在大體積混凝土作業施工前中要審查混凝土配合比設計；二是要做好事中監管，不定期抽查執行情況。

重點關注砂石料、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溫度控制產生不利影響?；炷翑嚢柽^程中，審查施工單位是否采取有效的降溫措施，如冷水攪拌、加冰等，抽查混凝土出機溫度是否超過30℃。

3.2 混凝土施工質量監督重點

1）做好技術準備積累，根據審批的施工方案，通過計算驗證和研判施工技術的可行性，對于新技術、新材料在大體積混凝土施工作業的應用，可嘗試通過有限元法進行計算機模擬[5]。

2）加強施工指導性文件交底情況審查，采取問詢方式判斷一線施工作業人員是否掌握大體積混凝土施工工序、澆筑、振搗、養護、溫控等環節技術要求。

3）監督施工過程是否按方案執行，抽測入模溫度、實時監控溫度梯度變化。

4）現場監督混凝土分層澆筑情況，嚴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生[6]。監督檢查施工單位是否執行既定施工、分段進行施工作業。

5）復查混凝土試塊試驗情況，跟蹤混凝土試塊的制作、養護和質量檢查等環節質量責任主體的質量行為是否合規。

4 結束語

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