浅谈LNG储罐基础大体积混凝土裂缝控制质量监督措施

禇天

中海油安全技术服务有限公司（湖北 武汉 430050）

随着我国经济的发展，清洁能源的需求快速增长，LNG能源储运上升到国家能源安全战略，LNG储运工程迎来高速发展，也促使了储罐工程向着大型化的方向发展，新材料、新结构、新技术的应用给LNG储罐的大型化提供了坚实的基础，同时给工程施工质量的控制带来了更高的要求。随着我国“质量强国战略”的全面实施，保障工程结构安全，研究和论证新型施工工艺的可靠性，完善工程质量监督措施手段，提升超大型液化天然气（LNG）接收站储罐工程基础质量管理就显得尤为重要[1]。

1 某LNG储运项目工程概况

该工程由2台3×104m3LNG预应力混凝土全容罐及配套工程组成（图1），桩基础由圆柱体钢筋混凝土承台板和现场浇筑的承重桩组成，储罐基础为高架空桩基础结构，每个储罐含188根桩，桩径1.0 m，桩深22m。承台直径51m，边缘厚度1.2 m，中心厚度1.0 m（图2）。

图1 某LNG接收站鸟瞰图

图2 LNG储罐剖面示意图

1.1 主要工程量

该工程基础承台主要工程量见表1。

表1 基础承台主要工程量（单罐）

1.2 主要材料及技术要求

储罐基础承台采用C50P6F50混凝土，水灰比≤0.5 ，水泥用量≥300kg/m3，骨料尺寸≤32mm，混凝土质量遵循GB50164—2011《混凝土质量控制标准》要求。

储罐基础承台使用的钢筋分普通钢筋和低温钢筋，普通钢筋选用HRB400III级钢，低温钢筋采用热轧高屈服强度钢筋，屈服强度特征值500N/mm2,同一连接区的钢筋搭接接头不大于总钢筋截面积的50%，钢筋绑扎搭接接头连接区域的长度为1.3倍搭接长度。

预应力钢绞线用19束及10束T15.7（截面150 mm2）低松弛钢绞线制成，锚具采用FREYSSINET型号19C15及12C15；张拉设备采用FREYSSINET型号CC500或类似设备。

混凝土表面施工允许误差值为：承台底面任意3m距离两点标高偏差为±30mm，承台顶面任意两点间标高偏差±20mm；承台边缘外圆度±R/1000 mm；承台外缘垂直度±h/100mm。

承台顶面钢筋保护层厚度为50mm，承台底面钢筋保护层厚度为100mm，侧面保护层厚度为50 mm。施工缝应打毛，清理干净，不得存在浮石。除设计另有要求，所有外部水平面最小找坡1%。

2 技术准备

GB50496—2018《大体积混凝土施工标准》对大体积混凝土的定义：“混凝土结构物实体最小尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土”。

大体积混凝土中水泥的水化放热反应和大体积混凝土自身具备的保温性能使其内部升温较其表层幅度大、速率高；当混凝土升温抵达峰值后，降温过程内部降温又比其表面幅度小、速率慢[2]。在这一过程阶段中，混凝土各部分热胀冷缩及其内部、外部约束力共同作用下，内部应力极度复杂，当温度应力超过混凝土所承受的拉应力极限值时，混凝土出现裂缝[3]。

2.1 LNG储罐基础承台混凝土热工计算

2.1.1 最大绝热温升

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

式中：T h为砼的绝热升温；℃；mc为混凝土中水泥（含膨胀剂）用量，kg/m3；F为混凝土火星参合料用量，kg/m3；K为参合料折减系数，取0.25 ；Q为水泥28d水化热，kJ/kg；c为混凝土比热、取0.97[（kJ/（kg·K）]；ρ为混凝土的龄期，d。

2.1.2 混凝土中心计算温度

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

式中：T（1t）为t龄期混凝土中心计算温度，℃；Tj为混凝土浇筑温度，℃，取上限30℃；ξ（t）为t龄期降温系数。

2.1.3 混凝土表层计算温度

2.1.3.1 保温材料厚度

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为保温材料厚度m；λx为所选保温材料导热系数，W/（m·K）；λ为混凝土导热系数，取2.3 W/（m·K）；T2为混凝土表面温度，取40℃；Tq为施工期大气平均温度，25℃；Tmax为混凝土最高温度计算值，61.21 ℃；Kb为传热系数修正值1.3 ～2.0 。

2.1.3.2 混凝土表面模板及保温层的传热系数

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

式中：β为混凝土表面模板及保温层等的传热系数，W/（m2·K）；δi为各保温材料厚度），m；λi为各保温材料导热系数，W/（m·K）；βq为空气层的传热系数，取23W/（m2·K）。

2.1.3.3 混凝土虚厚度

式中：h′为混凝土虚厚度，m；K为折减系数，取2/3；λ为混凝土导热系数，取2.33 W/（m·K）。

2.1.3.4 混凝土计算厚度

H=h+2h′=1.2 +2×0.661 =2.422 m

式中：H为混凝土计算厚度，m；h为混凝土实际厚度m。

2.1.3.5 混凝土表层温度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）为混凝土表面温度，℃；Tq为施工期大气平均温度，℃；h′为混凝土虚厚度，m；H为混凝土计算厚度，m；T2（t）为混凝土中心温度，℃。

2.1.4 混凝土内平均温度

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

式中：T1(t)为混凝土中心温度，℃；T2(t)为混凝土表面温度，℃。

2.2 LNG储罐基础承台混凝土入模温度计算

2.2.1 混凝土施工材料及环境要素

C50P6F50混凝土配合比为：水150kg、42.5 号硅酸盐水泥335kg、砂757kg、石子1045kg。骨料含水量拟为：砂3%、石子2%。

施工时采用混凝土搅拌车运输，运输时间约为5min，浇筑振捣时间12min，平均环境温度29℃、水降温至20℃，砂石温度27℃，水泥温度为55℃，搅拌棚温度30℃。

根据混凝土施工材料、环境等要素前置条件，计算混凝土成型后的温度情况。

2.2.2 混凝土拌合物温度计算

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为混凝土拌合物温度，℃；mw为水用量，kg；mce为水泥用量，kg；msa为砂子用量，kg；mg为石子用量,kg；Tw为水的温度,℃；Tce为水泥的温度,℃；Tsa为砂子的温度,℃；Tg为石子的温度,℃；wsa为砂子的含水量,%；wg为石子的含水量，%；C1为水比热容,kJ/（kg·K）；C2为冰的溶解热,kJ/kg。2.2.3 混凝土拌合物出机温度计算

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

式中：T0为混凝土拌合物温度，℃；T1为混凝土拌合物出机温度，℃；Ti为搅拌机棚内温度，℃。

2.2.4 混凝土浇筑温度计算

T2=T1-（att+0.032 n）（T1-Ta）=28.74 ℃

式中：T2为混凝土浇筑温度，℃；tt为混凝土拌合物运输时间，min；n为混凝土拌合物转运次数，次；Ta为混凝土拌合物运输环境温度，℃；a为温度损失系数，混凝土搅拌车运输取0.25。

2.2.5 混凝土浇筑成型计算

根据计算，承台每立方混凝土接触的模板质量为18.1 kg，钢筋质量为83kg，考虑模板和钢筋的吸热影响，混凝土浇筑成型完成时的温度为：

式中：TЗ为混凝土浇筑成型温度，℃；CC、Cf、CS为混凝土、模板、钢筋的比热容kJ/（kg·K），混凝土取1kJ/（kg·K）、钢筋取0.48 kJ/（kg·K）、模板取2.51 kJ/（kg·K）；mC、mf、mS为每立方混凝土质量，kg、配套模板质量，kg、配套钢筋质量，kg；Tf、TS为模板、钢筋温度，℃，按环境温度29℃计算。

混凝土中心温度T1(t)为55.7 ℃，混凝土表面温度T2(t)为48.2 ℃，未产生有害温度差。

拟定的混凝土配合比及环境因素控制工艺能实现出机温度不大于30℃、入模温度不大于30℃。

3 质量监督控制措施

3.1 原材料控制质量监督

严把原材料进场检验关，重点关注中、低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥的选用情况，审查水泥品种、代号、强度等级、包装或散装仓号、出厂日期等，核查熟料+石膏组分、细度等情况，检查烧失量、三氧化硫、氧化镁和氯离子质量分数是否符合标准要求，抽查检验报告，抽查是否受潮或混入杂物。

严控抽样检验质量关，重点针对水泥、外加剂等需要抽样检验的原材料进行符合性质量抽查和资料审查。质量抽查主要包括同源检验和平行检验，水泥、外加剂按标准要求每批抽样送检的同时，工程质量监督机构同步选择同批号或同袋原材料进行同源检验；提前设置抽检比例，对厂家或供货主体进行原材料平行检验。

严控混凝土配合比关，混凝土配合比是控制混凝土水化热的关键[4]，一是要做好事前控制，在大体积混凝土作业施工前中要审查混凝土配合比设计；二是要做好事中监管，不定期抽查执行情况。

重点关注砂石料、水泥等原材料的存储和使用，遮阳、防雨措施不到位将对出机温度控制产生不利影响。混凝土搅拌过程中，审查施工单位是否采取有效的降温措施，如冷水搅拌、加冰等，抽查混凝土出机温度是否超过30℃。

3.2 混凝土施工质量监督重点

1）做好技术准备积累，根据审批的施工方案，通过计算验证和研判施工技术的可行性，对于新技术、新材料在大体积混凝土施工作业的应用，可尝试通过有限元法进行计算机模拟[5]。

2）加强施工指导性文件交底情况审查，采取问询方式判断一线施工作业人员是否掌握大体积混凝土施工工序、浇筑、振捣、养护、温控等环节技术要求。

3）监督施工过程是否按方案执行，抽测入模温度、实时监控温度梯度变化。

4）现场监督混凝土分层浇筑情况，严格控制混凝土浇筑厚度400～500mm的要求，控制好层道间隔时间，防止混凝土冷缝的产生[6]。监督检查施工单位是否执行既定施工、分段进行施工作业。

5）复查混凝土试块试验情况，跟踪混凝土试块的制作、养护和质量检查等环节质量责任主体的质量行为是否合规。

4 结束语

通过上述质量监督控制措施，建立了以技术可靠性监督为基础，质保体系运行为核心，原材料质量控制为重点，施工过程控制为辅助的工程质量监督模式，在3×104m3LNG预应力混凝土全容罐LNG储罐基础施工质量控制方面取得了良好实效，为后续20×104～27×104m3超大型LNG储罐大体积混凝土的质量控制夯实了基础，也为石油化工工程动静设备、管道、电气、仪表等专业的工程质量管理提供了借鉴。