化工构筑物用高性能混凝土的设计

周博文

（湖北省缘达化工工程有限公司，湖北 武汉 430223）

0 引言

随着高效减水剂的应用以及粉体工程的成熟，高强度、高流态的混凝土已大面积应用于高层建筑，不如C60 和C80 混凝土；更高强度的100MPa、120MPa 等级UHPC 高性能混凝土，在超高层建筑、桥梁工程、海洋工程和严苛工作环境下的防护工程中也有应用。针对过度追求高强度的趋向，吴中伟[1]院士提出“高强未必一定高耐久，低强也不一定就不耐久”的观点。他认为，高性能混凝土应以耐久性作为主要设计指标，针对不同用途，对耐久性、工作性、体积稳定性及强度等予以重点保证。其中，他认为高性能混凝土应包括中等强度混凝土，如C30 混凝土。这个观点经受住了实际工程的检验。如中低强度的高性能混凝土在化工构筑物中的应用效果良好，化工生产领域普遍存在腐蚀性介质环境，土建工程存在许多大型、超长、超常规及特殊工况下的混凝土构筑物。其中混凝土易与化学介质接触并劣化，导致构件腐蚀、开裂甚至破坏等后果。同时化工项目运营要求高，出现事故后的安全后果极为严重，生态环境代价高。为保证化工构筑物在设计工作年限内的正常使用，耐久性和防腐蚀性是其构筑物混凝土设计的重要内容。本文对在化工构筑物用高性能混凝土的设计进行总结分析。

1 化工构筑物环境及混凝土性能需求

1.1 化工构筑物环境

常见的化工构筑物包括罐区储罐基础、水池、储槽、煤库、钢筋混凝土料仓、造粒塔、冷却塔等。由于生产环境及工作使用要求，化工结构混凝土有着迫切的抵抗化学腐蚀、抗渗、抗裂等要求。

化工工程中，常见的劣化因素有：（1）冻融循环破坏；（2）钢筋锈蚀作用；（3）碳酸盐化作用；（4）水溶蚀作用；（5）盐类侵蚀作用；（6）碱集料反应；（7）酸、碱、盐及有机溶剂腐蚀；（8）高温、冷冻作用；（9）冲击、磨损等机械破坏。结构设计时应结合工程实际，把握腐蚀性特征，遵循预防为主和防护结合的原则，对重要的混凝土结构和构件予以重点保证。腐蚀性介质液相、气相和固态相作用形式不尽相同，除了设置结构表面隔离和防护层外，合理地选择混凝土材料及结构设计冗余，是耐久性设计最重要的方法。

1.2 高性能混凝土在化工构筑物中的应用

《高性能混凝土评价标准》JGJ/T 385-2015 定义高性能混凝土为：选用优质原材料，合理掺加外加剂和掺合料，优化配合比，通过严格的生产工艺和施工措施，制成具有优良的拌合物性能、力学性能、耐久性能和长期性能的混凝土，代号为HPC。《高性能混凝土评价标准》建议可将C25、C30、C35、C40、C45 等中低强度等级划为高性能混凝土，同时将高性能混凝土划为常规品高性能混凝土（代号HPC-A）和特制品高性能混凝土（代号HPC-B）。其中HPC-A 包括高性能普通混凝土、大体积混凝土、清水混凝土、补偿收缩混凝土等。HPCB 包括高强混凝土、自密实混凝土、纤维混凝土、轻骨料混凝土等。

跟民用建筑相比，化工构筑物对构件截面大小尺寸和混凝土强度要求稍微宽松。实际工程设计中，化工建（构）筑物主要采用中低强度混凝土，较少应用C60级及以上的混凝土。大体积混凝土、纤维混凝土、高抗渗性以及高耐久性混凝土（抵抗化学腐蚀）在对应领域发挥着重要作用。

2 化工构筑物混凝土的耐久性设计和评价

2.1 化工构筑物混凝土设计现状

调查显示，化工构筑物使用寿命不高的原因，除了业主追求短期效应和大拆大建外，主要是由于工程耐久性设计标准偏低。一方面，在材料选择和使用中忽视工业环境下的特殊要求，另一方面，设计单位忽视适用的规范，或者将技术规范的最低要求作为设计标准，导致混凝土遭受长期化学侵蚀损伤。

目前，化工构筑物混凝土耐久性设计主要依据《工业建筑防腐蚀设计标准》GBT 50046-2018 和《混凝土结构耐久性设计标准》GBT 50476-2019。《混凝土结构耐久性设计标准》对Ⅴ类化学腐蚀环境有少量条文，缺乏化工行业针对性。《工业建筑防腐蚀设计标准》虽然对腐蚀性介质进行了分级，将介质对建筑材料影响的分级划分为强腐蚀、中腐蚀、弱腐蚀、微腐蚀四个等级，但主要着重于建筑隔离层、结构表面防护、构件构造以及防腐蚀涂层（块材）等做法。以上两本规范都是针对普通混凝土规定最低的设计指标和构造要求，没有提及高性能混凝土的应用和细则。

结构设计人员参与化工项目时，会按规范进行环境作用分类，指出环境特点，按需求对水胶比、氯离子含量、预防碱骨料反应、抗冻性等做出规定。譬如，硫酸罐基础采用抗硫酸盐混凝土来抵抗SO42-的物理和化学腐蚀、通过掺加粉煤灰等掺合料减轻酸类物质的化学腐蚀；重要的罐区地坪或装卸车站台采用钢纤维密实混凝土加强防渗效果；大型地下水池设计采用补偿收缩混凝土来抗裂等。这些复杂的化工构筑物，对混凝土性能提出了需求，但设计文件往往缺乏详细指标和实现高性能的具体途径，容易忽视混凝土原材料控制、配合比设计、生产与施工技术措施、检验评定等环节。因此，混凝土结构不能满足化工构筑实际的性能需求，或者达不到设计使用年限。

2.2 高性能混凝土在化工构筑物中的应用及耐久性评价

大量石油化工结构设计经验和项目回访意见验证，化工构筑物用高性能混凝土耐久性设计及评价[2]宜按图1 流程进行设计。首先，设计应调查生产部位的腐蚀性介质和场地水土环境，跟建设方确认工艺和工作性能需求和耐久性使用年限，按生产条件，介质性质、含量和环境条件划分腐蚀性等级。化工构筑物往往处在各种典型侵蚀环境作用中，混凝土的耐久性能指标规定也各不同。譬如，当化工构筑物需要抗渗和抵抗硫酸盐腐蚀环境时，高性能混凝土应同时规定抗渗等级和混凝土抗硫酸盐侵蚀等级，每种指标应根据相应的评价试验单独确定，混凝土性能指标应同时满足每种环境类别及作用等级的要求。

图1 化工构筑物中高性能混凝土耐久性综合评价

设计文件应针对具体工程的环境类别和作用，分别提出抗碳化性能、抗冻耐久性指数、抗水渗透性能、氯离子扩散系数等细致的量化指标。建立综合评价指标后，根据工程经验和可靠的耐久性模型进行高性能混凝土配合比设计，分组进行综合评价试验，并按《高性能混凝土评价标准》JGJ/T 385-2015 要求申请评价。综合评价试验应突出高性能混凝土的性能控制项，按具体性能设置控制项和评分项（包括强度等级、工作性指标、多种耐久性能分项）进行方案筛选。同时《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082 可作为辅助参考评价。

高性能混凝土技术设计应包含优质的水泥、粗细骨料、矿物掺和料、化学添加剂以及合理的配合比（一般低水胶比）。其中，实现高性能的最重要途径为掺加矿物细掺料[3]和使用高效减水剂[4]。具体化工构筑物工程中，要特别注意水泥、矿物细掺料和外加剂的适用性，保证粗细集料的质量控制，同时对混凝土的搅拌、成型和养护工艺等施工措施提出严格的要求。

3 化工构筑物工程混凝土设计实例

3.1 某磷酸反应槽

瓮福达州磷硫化工基地某项目磷酸装置反应槽，设计高度为8.96m，平面尺寸为13.32m×24.86m。该结构采用现浇钢筋混凝土箱型结构，设计使用年限为50年。反应槽实质是化工混凝土反应设备，工作环境对耐酸腐蚀要求高，内壁整体垫衬了预硫化丁基橡胶层。

混凝土设计为密实防渗混凝土，强度等级为C40，抗渗等级不小于P12。为抵抗酸介质对混凝土的侵蚀，设计要求混凝土具备密实性，配合比试验需对渗透系数进行评价。混凝土试配水胶比≤0.40,，单位胶凝材料用量≥340kg/m3。采用42.5 等级的普通硅酸盐水泥，水泥中不得加入石灰石粉，铝酸三钙含量不大于8%。工程选用质地坚固、吸水率低、粒径5～25mm 连续级配的无碱活性碎石骨料，不得选用石灰石或白云石作为粗骨料。细骨料选用坚硬、抗风化性强、洁净的石英中粗砂。同时，混凝土内掺高效抗腐蚀减水剂，Ⅰ级粉煤灰细掺料占胶凝材料25%～30%，实际掺量据试验确定。

通过预拌混凝土试验评价，混凝土中氯离子的最大含量不超过0.1%，含碱量不超过3.0kg/m3，混凝土渗透系数小于0.86m/d，混凝土坍落度控制在60mm 左右。实际工程反馈，反应槽混凝土密实性、抗渗等级达到了设计目标，满足工程耐久性要求。

3.2 某卸煤槽

贵州某合成氨及二甲醚项目卸煤槽，平面尺寸为231m×18.2m，地下最深处达-18.5m，地上部分11.34m。卸煤槽地下部分采用钢筋混凝土超长墙结构，由于储煤环境抗渗和抗裂需求，研究决定采用C35 补偿收缩高性能混凝土，设计抗渗等级为P12，混凝土限制膨胀率设计值应≥0.020%，抗冻要求为F200。设计要求混凝土拌合物性能优异，便于振捣密实，坍落度等级控制目标宜在S5 等级。

混凝土配合比指标如下：（1）水胶比≤0.4，胶凝材料用量420kg/m3，其中42.5 普通硅酸盐水泥80%以下，1 级粉煤灰20%，矿物掺合料中再加入胶凝材料总重的3%～5%的硅灰。设计规定严禁使用带早强性能的水泥，单位体积混凝土中SO3最大含量不应超过4%；（2）工程采用不含碳酸盐类碱活性骨料，粗骨料的粒径为5～20mm 连续级配，针片状颗粒含量不宜大于10%。细骨料选用质地坚硬、级配良好的中、粗河砂，特细砂的使用量应严格控制；（3）各种原材料计量应准确，应严格按设计配合比称量，其允许偏差应符合《高性能混凝土应用技术规程》（CECS 207:2006）第6.2.2 条的规定。应严格控制粗、细骨料的含水率；（4）复掺膨胀抗裂剂、引气剂和高效减水剂。掺量建议值为混凝土内掺6%，配合比试验的限制膨胀率值应比设计值高0.005%。最终外加剂掺合量根据混凝土配合比试验确定。

性能评价指标为补偿收缩高性能限制膨胀率≥0.020%，含气量5%，混凝土中含碱量＜3.0kg/m3，氯离子含量≤0.1%，坍落度为220mm。

经实际工程评价，C35 补偿收缩高性能混凝土工作性能良好，施工抗离析性强。目前该卸煤槽结构已经正常使用12 年，运行情况良好，未发现明显的漏水和开裂等现象。

3.3 渤海某碱厂

天津渤海某碱厂搬迁改造工程，设计使用年限为50 年。拟建场地由沿海滩涂经吹淤冲填而成，地下分布较厚的海相沉积淤泥质粘土。厂址位于海边，经年承受海风，且水位埋深约1.70～1.90m，地下水和土中氯盐对混凝土具有腐蚀性，对钢筋具有强腐蚀作用，海洋氯化物环境的作用等级为Ⅲc。研究决定，地下结构部分采用矿渣微粉抗氯盐高性能混凝土[5]。

根据设计要求，桩、承台、基础等地下部分混凝土强度等级大于C40，抗冻要求为F300。为使结构满足耐久性要求，以大量试验研究的混凝土配合比为依据，结合当地众多工程经验，进行了试拌，给出了混凝土配合比如表1。其中，水泥为铝酸三钙小于5%的525R 型普通硅酸盐水泥，砂细度模数2.9，碎石表观密度2.81g/cm3，选用高性能引气型减水剂，矿渣微粉比表面积459m3/kg。此外，混凝土中还掺入少量钢筋阻锈剂。

表1 混凝土配合比（单位：kg/m3）

经现场取样，试验混凝土标准养护试件抗压强度要高于设计强度，56d 龄期混凝土试件相对氯离子扩散系数为0.97×10-8，6h 总导电量小于1000C。这说明高性能混凝土具有较好的密实性，抗氯盐能力满足工程要求。

4 结束语

化工构筑物结构需要抵抗相对严苛的化学环境，在满足强度的前提下，高性能混凝土应以耐久性、工作性能作为主要设计指标，在原材料选用、配制制作和施工操作等环节更精细化，其档次和质量更适合化工混凝土构筑物。高性能混凝土在化工构筑物应用时，应做好耐久性综合评价，并在设计文件中细化评价指标，突出控制项和评分项。

在石油化工项目批量引入工业园的背景下，建议针对化工基地专门成立配套的混凝土生产公司，通过生产、管理和创新实现高性能混凝土个性化定制，推化工行业的产业升级。