大型低温储罐墙体裂缝产生原因及控制措施

钟 曦

(中海石油气电集团技术研发中心，北京 100024)

1 概述

随着我国能源短缺的形势越来越紧张，我国液化天然气进口量逐年增大，目前已经迎来了液化天然气接收站建设的高潮期。而作为液化天然气储存的载体，大型低温储罐的重要性也逐渐凸显出来。目前我国已建或在建的16万m3大型液化天然气储罐采用的均是双容罐，即由材质为含9%镍的镍钢板的内罐与材质为预应力混凝土的外罐双层罐体组成。

在多个外罐混凝土墙体的浇筑过程中，我们发现混凝土墙体有较严重的裂缝问题产生，应该引起工程人员的特别重视。

本文就某工程大型低温储罐外罐混凝土墙体中出现裂缝的成因、控制措施以及修补方法作一些分析。

2 一般混凝土裂缝产生的主要原因

1)材料原因。材料原因引起的裂缝种类包括:干缩裂缝、中性化伴随钢筋腐蚀产生裂缝、氯化物使钢筋腐蚀产生裂缝、碱集料反应产生裂缝、水泥水化热产生裂缝。

2)施工原因。混凝土配合有氯化物，掺合材料的不均匀、搅拌时间不足或长时间搅拌、泵送时配合比发生变化。不正确的浇筑顺序、浇筑速度太快、振捣不密实、初凝前振动或加荷载、初期冻害、施工缝口处理不当、钢筋踩踏混乱及保护层厚度不够、过早拆模。混凝土早期用水养护时间不足，使混凝土表面脱水而产生干缩裂缝;或初期受冻，使混凝土表面变得脆弱。

3)设计原因。建筑物的平面规模过大或长度过长、沉降缝或伸缩缝设置不当、平面形状不规则、受力构件中跨度大、截面小、钢筋配置不合理或配筋少等，都有可能使混凝土产生裂缝。

4)温差及不均匀沉降。建筑物上同一时间任意两点的温差较大或同一点上瞬时温差变化较大，使混凝土内部产生过大应力，大于混凝土抗拉强度而产生裂缝。基础沉降不均匀也是造成混凝土开裂的原因之一。

3 某储罐墙体裂缝情况描述

实际施工过程中发现底层墙体裂缝数量较多且宽，而上层墙体裂缝数量逐层减少。现就底层墙体的裂缝情况作详细描述。

储罐内径80m，圆柱形墙体。沿底层墙体截面共出现218道竖向裂缝，未出现水平裂缝。墙体内表面和外表面均出现了裂缝，裂缝始于墙底，高度700mm～3000mm。墙体内表面裂缝间距大约3m～4m，外表面裂缝间距大约1m～2m。外表面裂缝较内表面裂缝更密的原因是外表面受到更大的墙体约束力，而内表面有更大的自由度，并且内表面的预埋碳钢衬里板也可以释放一些墙体约束应力。

墙体周长包括临时洞口附近均出现裂缝。一个突出的现象是在竖向预应力波纹管附近，墙体内、外表面均有裂缝出现，这是因为波纹管的存在减小了墙体混凝土截面面积，从而造成收缩率与其他墙体部分不一致而导致裂缝的产生。

使用如图1所示裂缝宽度比对器对底层墙体裂缝进行比对，测试结果发现84%的裂缝宽度小于0.15mm，12%的裂缝宽度介于0.15mm ～0.2mm，4%的裂缝宽度介于0.2mm ～0.3mm。

4 规范规定允许裂缝宽度

目前我国尚没有完全适用于大型LNG储罐的设计规范，现有储罐设计均是以欧洲、美国相关设计规范为主，并参照我国相关国标进行设计(见表1)。

表1 国标

根据欧标DIN1045表18，19(见表2，表3)，本工程储罐环境类别属于海滨环境(XS1)，对应结构等级为C级，允许裂缝宽度最大值为0.2mm。

表2 DIN1045(一)

综上可知，预应力混凝土结构规范允许最大裂缝宽度为0.2mm。而本储罐底层墙体有大约4%的裂缝宽度超过0.2mm，不满足规范要求，会对储罐墙体的耐久性造成不利影响，需要对其进行修补。

5 底层墙体裂缝过多的原因

底层墙体较上层墙体裂缝过多有以下一些主要原因:

1)本工程储罐墙体混凝土使用的是强度较高的C50，由于其较大的收缩性以及较低的蠕变值，较一般强度较低的C35，C40混凝土更容易产生裂缝。干燥、混凝土自身收缩、热效应均会引起混凝土的收缩裂缝。边界条件的约束也会引起混凝土收缩裂缝的产生。当各种因素引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，裂缝就形成了。

表3 DIN1045(二)

2)本工程储罐直径很大，达到80m。根据一般混凝土工程经验，高度为1m的混凝土构件每6m长度要设置一道收缩缝。本工程储罐每层墙体高度为3.72m，周长达到250m左右，按照一般混凝土工程经验应该设置12道收缩缝，但是因为储罐气密性及整体性的要求不允许在墙体中设置收缩缝，这也是导致混凝土墙体产生裂缝的原因之一。

3)储罐设计中为了增强储罐的整体性，将混凝土墙体与承台底板之间的连接设计为刚性连接，设计中将底板起始钢筋深入墙体。这导致底层墙体受承台底板的刚性约束，从而产生过大的边界约束应力，使底层墙体裂缝明显增多。随着混凝土墙体浇筑层数的增加，墙体自重压力增大，从而部分抵消承台底板起始筋的约束拉应力，裂缝将逐渐闭合。混凝土外罐结构施工完成后将进行预应力的张拉，这会进一步闭合裂缝。对于上层墙体，随着边界约束的逐层减小，约束拉应力也将逐层减小，所以上层墙体的裂缝将逐层减少。

6 减少裂缝的措施

做好混凝土的配合比设计;控制好混凝土的坍落度;控制混凝土从卸料到浇筑完成的时间;浇筑混凝土时要有专人振捣，防止漏振和过振;混凝土浇筑后立即盖上薄膜及棉毯以保持适宜的温度和湿度，防止混凝土表面脱水而产生干缩裂缝。墙体钢筋直径不宜过大，宜采取小直径、密布置的布筋方式，可有效的减小裂缝宽度。

7 墙体裂缝修补方案

根据裂缝大小情况，有以下三种修补方案:

1)对于宽度小于0.15mm的裂缝，无需修补。2)对宽度介于0.15mm～0.2mm的裂缝，采用表面修补法。先用自来水清洗裂缝并用压力空气进行干燥，然后用软刷将水泥砂浆对裂缝进行涂抹。3)对于宽度介于0.2mm～0.3mm的裂缝，采用灌浆法。将裂缝范围混凝土凿开至裂缝深度，然后用自来水清洗并用压力空气进行干燥，最后压力注入环氧树脂水泥砂浆。

8 结语

混凝土裂缝问题是项技术难题，长期困扰工程界。特别是对于16万m3的大型低温储罐，采取的是整体浇筑而未设置任何伸缩缝与后浇带，混凝土裂缝的问题尤其严重，这对储罐的耐久性提出了更高的要求。

目前收缩变形和温度变形是导致混凝土产生裂缝的主要原因，控制这些裂缝除了需要广大工程建设人员在设计与施工方面采取相应措施外，也需要科研人员尽快地研制出能减少水泥收缩和水化热的高效材料，从而将裂缝问题降低到最小。

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