大型液化天然气储罐超低温抗渗流混凝土的配合比设计.pdf

大型液化天然气储罐超低温抗渗流 混凝土的配合比设计 M i x De s i g n o f Ul t r a l o w Te mp e r a t u r e a n d An t i S e e p a g e Co n c r e t e f o r La r g e LNG S t o r a g e Ta n k 张 渭荣 束 廉 阶 张致海 上海电力建筑工程公司 上海2 0 0 4 3 7 摘 要： 液化天然气储罐对抗冻性能具有较高要求。阐述了专配混凝土力学性能、化学性能、工作性能 、稳定性能和裂 缝控制，通过工程实例证明，配制的超低温抗渗流混凝土充分考虑了各项影响因素，保证了工程质量。 关键词 ： 钢筋混凝土结构L N G液化天然气 负温度 抗冻混凝土 耐久性能 中图分类号： T U 7 5 5 1 文献标识码 B 【 文章编号】1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 4 4 5 0 3 1 L N G储罐的结构 L N G ( 液化天然气 ， 仅为天然气体积 的 l 6 2 5左右 ) 因为 有利于储存和运输， 故常应用于大型管道运输工程 中。 而为 了气源的接受及储存( 运输可采用管道远距离输送或采用 槽罐车及船运的方式 ) ，工程施工中必须建造些储罐 ， 如 正在建设 中的江苏如东和唐 山曹妃甸 1 6 0 0 0 0 m 。 储罐 等 工程 。 储罐( 又称安全壳 ) 既是 L N G或核反应堆厂房的围护结 构 ，又是重 要的安 全屏 障。液化 天然气 储罐 为耐低 温 ( - 1 6 5 o C ) 及常温压 力( 2 3 k P a ) 的压 力容器， 自承形式外壳 为预应力混凝土筒。混凝土 内壁有 S A 5 1 6 钢板 ，内罐采用 9 N i 钢制作。 1 6 0 0 0 0 m s 储罐钢筋 混凝 土外壳采用后张拉法预应 力， 包括桩基、 承台底板 、 筒身及穹顶等组成。承 台底板厚 1 2 m O 9 m ，支承处离 自然地 面 1 5 m ，筒高约 4 0 m ， 西 8 0 m ， 钢筋混凝土筒壁 内衬为厚 6 m m的钢板。钢筒与混 凝土简体之间有厚 1 2 m的填充珍珠岩衬垫 ，钢筒底部保 温有泡沫玻璃砧垫 ， 顶部安有珍珠岩加以隔绝( 图 1 ) 。 根据设计要求 ，储罐混凝土必须具有耐受一定时间内 的负温度抗冻性 能，以预估混凝土在危急情况下筒壁形成 液化天然气渗流造成 的混凝土内外温差、迅速收缩形成混 凝土裂缝 ，混凝土冻融崩 解损失强度而造成储罐 内大 量 L N G 液体外泄漏的可能性 ，并可根据实际采取必要的处理 措施。为此， 本文将作进一步的介绍。 作者简介： 张渭荣( 1 9 5 7 - ) ， 男， 大专， 工程师。 作者地址 ： 上 海市松花 江路 2 6 0 0号 ( 2 O o 4 3 7 ) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 1 6 图 1 上海洋 山深水港 1 6 00 0 0ma L N G储 罐 2 混凝土抗冻性能标准 ， 目前 ， 现行 国标和行业标准、 耐久性混凝土设计规范和 施工规范对我国环境温度地区划分、 抗冻指标 、 施 工要求和 试验标准及方法均有相关要求。但我国现行的设计规范是 在常规环境温度条件下制定的，尚没有超低温抗渗流方面 的设计工况和规范条文。 3 混凝土耐久性的抗冻配合比设计 3 1 抗冻混凝土简介 抗冻混凝土是针对混凝土耐久性特性 的一个方面 ， 在 严寒地 区进行冻融试验而产生的。所谓混凝土耐久性的要 求， 简括起来是“ 四个性能、 一个控制 ” ， 即混凝土的力学性 能、 化学性能、 工作性能、 适用性能和对裂缝的控制。 普通混 凝土与高性能混凝土有其共同性 ， 亦有特殊性 ， 而抗冻混凝 土作为高性能混凝土，更加注意混凝土的抗冻融的物理力 学性能。 3 2抗冻混凝土的原材料选择及规定 3 2 1 原材料选择 宜选用标准稠度低、强度等级不低于 P 0 4 2 5 的中热 l u u r r 第3 4 卷第 5 期 j 4 4 5 硅酸盐水泥 、 普通硅酸盐水泥 ， 不宜采用矿渣硅酸盐水泥、 火山灰质硅酸盐水泥 ： 细骨料宜选用级配良好、 细度模数在 2 5 3 1的中砂 ； 粗骨料宜选 用质地坚硬 、 级配 良好 、 针 片 状少、 空隙率小的碎石 ， 其岩石抗压强度宜大于 1 0 0 M P a ， 岩 石的抗压强度与混凝土的抗压强度之比不宜低于 1 5 ， 或碎 石压碎指标不大于 1 0 ；采用减水率高的泵送剂和引气剂 组成复合型高效外加剂 ， 其减水率不宜小于 2 0 ； 矿物微细 粉宜采用硅粉 、 粉煤灰 、 磨细矿渣粉、 天然沸石粉 、 复合微细 粉等， 矿物微细粉等量取代水泥的最大用量宜符合 ： ( a )硅粉不大于 1 0 ， 粉煤灰不大于 3 0 ， 磨细矿渣粉 不大于 4 0 ，天然沸石粉不大于 1 0 ，偏高岭土粉不大于 1 5 ， 复合微细粉不大于 4 0 ； ( b )当粉煤灰 级灰以上超量取代水泥时 ， 按 1 0 0 k g 粉煤灰取代 6 O k g水泥计 ， 且超量值不宜大于 2 5 。 3 2 2抗 冻性控 制要 求 对有抗冻要求的混凝土 ，宜按其所处环境进行分类， 并按类对混凝土含气量、 最低强度等级 、 最大水胶 比、 最小 胶结材用量和耐久性指标进行规定。 3 2 3 含气量的影响 因素 ( 1 )引气剂的品种和掺量 混凝土拌合物中的含气量包括搅拌施工 中带入的大气 泡和引气剂引入的小气泡。 前者约占 1 ( 体积分数， 后同) ， 由于孔径大 ， 对抗冻性无贡献 ， 应通过延长搅拌时间和振捣 排 出， 并采用优质引气 剂来提高混凝土含气量。 有抗冻要求 的混凝土， 其含气量一般在 3 6 。 在混凝土中掺入硅粉 ， 能明显改善气泡结构 ， 减小气泡 半径和平均间距。不掺硅粉时 ， 气泡平均 间距为 0 3 6 m m， 抗冻标号为 1 0 0 次 ： 加入 1 0 ( 质量分数 ) 硅灰后， 气泡平均 间距减至 0 2 8 m m ， 抗冻标号提高到 3 0 0 次以上。 ( 2) 水胶比影响 试验证明， 随着水胶 比的减小 ， 胶结材料用量增大 ， 单 位胶结材料所附着的引气剂数量减小， 混凝土黏度增大 ， 造 成包裹空气的能力相应减小。因此 ， 在定范围内， 当引气 剂掺量不变时， 水胶比越大 ， 混凝土含气量也越大。 ( 3 )砂率影响 混凝土砂率过小， 混凝土和易性差， 导致气泡稳定性极 差 ， 含气量很低 ； 随着砂率的提高， 混凝土和易性改善 ， 含气 量也随之增加； 但砂率过高 ， 含气量不会有明显提高。一般 适宜砂率为 4 1 4 3 。 ( 4 ) 粉煤灰质量和掺量 粉煤灰含碳量增加及掺量的增加 ，都会造成混凝土含 气量急剧变小。 这是因为粉煤灰属微细集料 ， 尤其含量碳量 高的粉煤灰 ， 能强烈吸附引气剂， 导致实际用于引气的剂量 急剧减小。因此 ， 在配制抗冻混凝土时 ， 必须控制的粉煤灰 的质量和掺量 ， 双掺时粉煤灰掺量宜 2 O名左右。 ( 5 ) 微矿粉质量和掺量 微矿粉表面积为 6 0 0 m 2 k g ，水泥表面积为 4 0 0 m Z k g ， 其活性水泥之 比为 0 9 ， 般最大单掺量为 4 0 。 ( 6 ) 粗集料级配和最大粒径 有含气量的混凝土不宜采用大粒径的粗集料 ，而且单 粒骨料混凝土含气量比连续级配混凝土含气量低。 ( 7 )砂子细度模数 采用细度模数 2 5 3 1 的中砂配制的混凝土含气量高 而稳定 ， 细砂 、 粗砂都会导致混凝土含气量减小。这是因为 细、 粗砂都会使混凝土和易性变差而导致含气量的减小。 ( 8 ) 混凝土搅拌温度和静停时间 随着混凝土搅拌温度的升高 ，混中气泡直径加大 ， 气 泡膜壁减薄 ， 稳定性下降 ， 造成气泡直径 加大 ， 气泡含量下 降。混凝土随静停时间延长 ， 含气量将有较大损失。 3 2 4 舍 气量 对混凝 土 强度 的影 响 根据试验资料， 在含气量较低( 3 以下 ， 体积分数 ) 的情 况下 ， 含气量对混凝土后期强度不明显 ： 当含气量超过 3 时， 每增加 1 含气量 ， 混凝土 2 8 d 强度递减 6 左右 ； 当含 气量增加到 6 5 以上时 ， 混凝土强度将会大幅度下降。 根据这些情况 ， 应选择优质引气 剂及砂、 石、 水泥 ， 合理 选择水灰 比， 砂率、 粉煤灰掺量 ， 并考虑搅拌、 运输、 施工中 含气量的损失来配制抗冻混凝土。 3 2 5 抗 冻混凝 土配合 比 实例 抗冻混凝土配合比实例见表 1 ， 其性能见表 2 。 表 1 抗冻混凝土配合 比实例 编 强度 混凝 土 配合 比 ( k g m ) 松香皂引 水胶 号 等级 水泥P O 4 2 Y 中砂 石子5 m m 1 5 m m 粉煤灰 级】 泵送剂 气剂， 比 l C 2 5 F 2 5 O 3 1 4 7 6 7 l l 0 3 6 1 l 1 2 5 0 0 3 4 O 4 2 2 C 4 5 F 2 O 0 4 3 2 4 9 1 l o 6 5 3 1 6 9 8 O 0 4 0 0 _ 3 3 3 C 4 5 F 2 5 0 4 3 2 4 9 l l O 6 5 3 l 6 9 8 0 ( ) 4 2 0 33 表 2 抗冻混凝土性能m 编 坍落度 m m 含气量( 积分数) ， 2 8 d 强 冻融试验结果 号 出机 现场 出机 现场 度 MP a 失重率 相对弹性模量 1 2 O 5 1 8 5 6 1 5 1 3 4 R 1 8 R 9 5 2 2 l 5 l 9 O 6 O 5 2 5 9 6 1 1 9 1 8 3 2 1 5 1 9 5 6 2 5 4 5 8 0 1 0 9 0 2 3 3 影响混凝土抗冻性的因素 混凝土受冻融破坏的程度 ， 除了与外界环境有关外 ， 还 与混凝土 自身的材料、 配制有关。 ( 1 )集料 集料对混凝土抗冻性的影响较硬化浆体小 ，主要应控 制集料的粒径 ， 粒径越大 ， 越容易破坏。资料证明 ， 1 2 m m一 2 5 m m的碎石混凝土冻融 1 8 0次 ，而 5 m m1 2 m m碎石混 凝土， 则可冻融 4 4 0 次。 其次 ， 拌制高抗冻的混凝土时， 集料 ( 下转 第 4 5 2页 ) 表 3掺聚羧酸减 水剂不 同细度水 泥净 浆流动度 净浆流动度 mm 减水剂掺量 水泥细度( 8 0 m方 孔筛 ) 初 始 1 h 1 5h 0 6 l 2 o 0 1 4 0 7 0 O 6 4 2 6 5 2 3 0 l 9 O 0 6 根据表 3 可以看出： 水泥的细度越细， 掺聚羧酸后水泥 初始净浆流动度越小 ， 并且净浆流动度经 时损失 比较大 ， 这 是 因为水泥越细其比表面积越大 ， 水化反应速率越快 ， 对减 水剂的吸附作 用越大 ； 相反 ， 如果水泥的越粗 ， 水化反应速 率越慢 ， 虽然会减小对减水剂的吸附作 用， 但随之水泥的强 度也会降低 。 2 6 水泥的新鲜程度及温度的影响 吴铭生 所做 的研究表明， 水泥越新鲜 ， 减水剂对其 的适应性越差。 这是因为新鲜水泥干燥度高 ， 水泥的正 电性 较强， 降低了减水剂对其的塑化能力， 因而表现 出减水剂减 水率低、 混凝土坍落度损失快的现象。因此 ， 某些混凝土搅 拌站用刚出磨的还未来得及散失热量的水泥来配置混凝土 时 ， 其配置的混凝土往往减水率低、 坍落度损失过快 ， 有的 甚至在搅拌机内就出现异常凝结现象。 3 结语 综上所述 ，影响水泥与聚羧酸减水剂适应性 的因素有 很多。水泥熟料中不同的矿物成分对聚羧酸减水剂的吸附 能力不同是影响其适应性的主要因素。 同时， 熟料 中石膏 品 种、 混合材、 碱含量、 细度、 新鲜程度和温度等方面也有着重 要的影响。 在使用聚羧酸减水剂时 ， 使用后掺法、 分掺法是可行而 有效的降低混凝土坍落度损失的方法。 如有条件 ， 也可以在 使用减水剂的同时掺入适量的保坍剂。 目前水泥成分与聚羧酸减水剂的适应性是现代商品混 凝土生产普遍存在的个重要而又实际的问题。商品混凝 土生产企业以及施工单位应该在具体工程实践 中，结合工 程条件及工程材料的具体情况 ，总结经验并选择合适的解 决方 法 参考文献 1 谭 洪渡 聚羧酸 系混 凝土减 水 剂的研 究l I ) l 武汉 ：武 汉理 大 学， 2 0 0 6 2 】 石殿庆，朱小东， 张英男， 等冰 泥与高效减水剂适应性试验研究J 】 l混凝上， 2 o o 5 ( 1 1 ) ： 6 3 9 1 3 刘厚奋水泥与减水剂适应性存在的主要问题 及解决措施l J l_ 水泥，2 0 0 3 f 3 1 ： l 2 1 4 f 4 1 张新民， 胡久宏， 徐展 浅析水泥特性对聚梭酸减水剂 j 水泥适应性的影 IN J 混凝土，2 0 1 0 ( 4 ) ： 8 5 8 8 5张瑞红 水泥与减水剂适应性的研究lJ 1 建材技术 j 应用 2 0 o 9 (7 ) ：4 5 I 6 1 颜世涛， 宋志刚，崔琦 预拌泵送混凝土坍落度损失的机理分析及解决措 施l J 1 l科技信息(干 斗 学 教研) ，2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 9 2 顾雪慈 石膏对水泥与外加剂适应性的影响l D 1 一 E 京： 北京 I 。 业大学， 2 0 0 6 于龙，孙振平 ， 王培铭 若干掺合料对减水剂塑化效果的影响 第六厢 全国高强与高性能混凝土学术交流会论文集 2 0 0 7 ： 3 6 4 4 9 韩小华 水泥 与外加剂的相容性及其影响因素 J ll 建材技术 腑用， 2 0 0 7 ( 8 ) ： l O -t 3 【 1 0 吴铭生 改善水泥 与减水剂相容性 的技术措施l J 1 研究 应用， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 4 5 - 4 7 ( 上接 第 4 4 6页 ) 应预先部分干燥 ， 不用含水量高的集料。 ( 2 )水泥品种 水泥的化学组成、细度和品种对混凝土抗冻融破坏无 显著影响 ， 但混凝土冬期施工属早期受冻 ， 仍应选用早强型 硅酸盐水泥。 据资料介绍 ， 掺粉煤灰的混凝土抗冻性要低 于 同等强度的空白混凝土。 特别是不掺引气剂的混凝土 ， 用磨 细石灰岩粉作为混合材的水泥 ， 其抗冻性也越差。 ( 3)混凝土强度 混 凝土 强度值 大小 与其抗冻 性并不 成正 比 ，比如 2 0 M P a引气混凝土抗冻性可能高于 4 0 M P a非引气混凝土。 因此 ， 只有在相同含气量或相同平均气泡间距 的情况下， 混 凝土强度越高， 其抗冻性也越高。 混凝土 中气泡结构对其抗 冻性的影响远远大于强度的影响。 ( 4)水胶 比 水胶 比既影响着混凝土中冻结水的含量 ，又决定着混 凝土的强度。因此 ， 在含气量一定的情况下， 水胶比是影响 混凝土抗冻性的主要 因素之。国家有关规范对有可能发 生冻融破坏 的混凝土工程，都作出了允许最大水胶比的规 4 5 2 l 2 0 l 2 5 B 硼 胁g 定。据资料介绍， 水胶比小于 0 3 5 水化完全的混凝土 ， 即使 不引气 ， 也有较高的抗冻性 ， 这是因为其除去了水化结合水 和凝胶孔不冻水 ， 可冻结水量已经很少了。 ( 5 )气泡间距 气泡平均间距是影响混凝土抗冻性的主要因素 ，气泡 间距越大， 混凝土抗冻性越差。有高抗冻性要求的混凝土 ， 其气泡平均间距应小于 0 2 5 m m 。 另外 ， 还有水泥与外加剂和外掺合料相容性的影响， 这 里不再具体介绍。 4 结语 L N G 储罐工程 中，对超低温度抗渗流混凝土结构耐久 性能的要求很高。由此， 结合实际工程 ， 从抗冻混凝土的原 材料选择、 抗冻性控制要求以及影响因素都进行详细介绍 ， 为类似工程积累了施工经验。 参考文献 1 陈国林， 李宁，傅沛兴 抗冻混凝土的试验研究与 T ： 程应用lJ I 混凝 土，2 0 0 3 ( 3 ) ： 5 2 5 5