LNG低温混凝土配合比设计及低温试验

LNG低温混凝土配合比设计及低温试验

闫增良 李晓娟

（中国核工业华兴建设有限公司，江苏南京）

【摘要】 LNG（液化天然气）大型低温混凝土储罐（外罐）混凝土和罐内环梁混凝土设计为低温混凝土，工作环境为-173℃，为保证LNG储存的安全性和可靠性，必须进行低温试验以证明低温混凝土的抗低温能力. 低温检测时温度将达到-196℃。低温混凝土配合比设计采用现在广为流行的（P.Ⅱ水泥＋粒化高炉矿渣＋煤粉灰＋复合型聚羧酸系高性能外加剂）的先进设计理念，根据工程项目规范和国家现行标准规范要求，通过精选材料，精心设计，多次试验配制而成的具有高性能的混凝土配合比。用该配合比在工程施工现场搅拌站制作的试件，在欧洲检测中心按照欧英标准规范进行低温混凝土试验，通过液氮冷却降温，并反复冻融，烘干，测含水率，抗压强度，综合判定配合比。

【关键词】 LNG 低温混凝土 配合比设计 低温试验 液氮冷却 冻融

1.引言

广东珠海LNG项目一期工程（以下简称：珠海LNG项目）包括3个净容积为16万m3 的储罐，采用BS EN 14620全容罐设计。储罐是由内罐和外罐组成，混凝土外罐分为桩基、承台、筒墙、穹顶结构，筒墙内径82米，高度约40米，厚度由1米渐变到标准层0.7米，C50强度等级混凝土，内侧设置低温钢筋。内罐主要由镍9（A553)壁板和铝吊顶及穹顶板封闭。储罐建成后可在-165℃的超低温下储存液化天然气。如内罐液化天然气溢出，外罐也能容纳天然气，并抵抗-165℃超低温液化天然气，而保证混凝土不被低温破坏。

正是因为考虑到内罐液化天然气有溢出的可能性，所以设计要求外罐墙体混凝土和罐内环梁混凝土必须是抗低温环境混凝土。所谓抗低温环境混凝土就是指具有满足规定条件下的低温性能的混凝土，即在-196 ºC的低温试验及冻融循环试验下混凝土质量保持相对稳定。

LNG储罐土建施工过程中，首先完成桩基及承台底板的施工，再进行外罐墙体混凝土的浇筑施工，气升顶后进行储罐穹顶混凝土的施工。在珠海LNG项目储罐工程的《混凝土工程规范》中规定承台底板、储罐墙体、环梁与穹顶混凝土强度等级相同，所以项目实施时把承台底板、储罐墙体、环梁和穹顶做成同一个配合比，坍落度设计为190±30mm，主要为满足储罐不同结构部位的施工。配合比设计的主要依据是项目规范和《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55)。不仅要求混凝土满足项目规范要求的强度等级、长期耐久性和具备良好的工作性能，而且也要满足中国标准规范中泵送混凝土和预应力混凝土的相关要求。重点介绍低温环境混凝土配合比的设计理念、选材要求、配制流程及低温试验方法。

2.低温环境混凝土配合比设计理念

采用现在广为流行的（P.Ⅱ水泥＋粒化高炉矿渣＋煤粉灰＋复合型聚羧酸系高性能外加剂）的先进设计理念配制成高性能混凝土。

具体设计原理是：采用复合型聚羧酸系高性能外加剂来降低水胶比，提高混凝土的强度和耐低温性能，同时减少混凝土的收缩；因为主要考虑储罐承台底板是属于大体积混凝土（外环厚度1200mm，内环厚度900mm），墙体厚度也有700mm。为了尽量控制混凝土裂缝的产生，通过掺加具有活性矿物掺合料的粒化高炉矿渣粉和煤粉灰，取代部分水泥用量，从而降低混凝土的水化热；掺加具有活性矿物掺合料的粒化高炉矿渣粉和煤粉灰，同时也具有提高混凝土密实性，增加砼的长期性能及耐久性能，不仅因为（P.Ⅱ水泥＋粒化高炉矿渣）的组合具有矿渣水泥的特性，而且因为矿粉的细度更细，填充了更多的孔隙，使混凝土更加密实，提高了混凝土抗硫酸盐和抗氯离子渗透的耐腐蚀性能；煤粉灰中的大量球形颗粒具有的滚珠效应使混凝土的和易性和流动性更好，便于施工。

3.低温环境混凝土的组成材料

由于珠海LNG项目储罐工程的设计方是西班牙的T&R公司，因此在项目规范《混凝土材料规范》中，完全参考欧洲标准，并要求材料检测试验室需在CEN（欧洲标准委员会）或类似机构注册。经过了解，国内具有这样资质的试验室相当稀少。为了适应中国国情，我们把项目规范中的材料要求相应转换成中国现行国家标准要求。

3.1水泥

水泥宜使用低碱、低水化热的P.Ⅱ42.5或P.Ⅱ52.5水泥。水泥中的矿物组分要稳定，进场水泥的温度不超过70℃，C3A 含量较高的水泥不宜使用。经过调研，珠海LNG项目选取江门海螺水泥有限公司生产的P.Ⅱ42.5水泥，其碱含量≤0.60%，3天水化热为255 J/g，7天水化热为298 J/g，水泥质量符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175）的规定。

3.2外加剂

使用用聚羧酸系高性能外加剂。要求外加剂具有早强、缓凝、引气等复合性能。外加剂对水泥等胶凝材料的适应性要良好；为了使砼和易性得到改善，使新拌砼塌落度损失减缓，砼的凝结时间要稍延长，因此，外加剂中的缓凝组分要适度增加；为了防止砼出现泌水、离析现象，要求外加剂的保水性、增稠性、引气性要良好，同时外加剂不能超掺，这也是为了防止泵送砼出现抓底或板结的情况出现；经过调研，选用江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸系高性能外加剂，外加剂的质量符合现行国家标准《混凝土外加剂》(GB8076)和有关环境保护的规定。

3.3矿粉

宜使用S95级以上等级的矿粉。矿粉的活性指数要好，可以取代更多的水泥来减少砼水化热；矿粉的流动度比要尽可能大，这对泵送砼很重要。经过调研，选用广东东莞华润水泥厂有限公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，质量符合现行国家标准《用于水泥与混凝土中粒化高炉矿渣粉》(GB/T18046)的规定。

3.4粉煤灰

宜使用Ⅱ级以上的火电厂粉煤灰，不宜使用用矿石磨细的人造粉煤灰。粉煤灰的需水量比要尽可能小，可以更好的改善混凝土的和易性，大大提高混凝土的泵送性能，防止出现砼堵泵现象。经过调研，选用珠海发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，质量符合现行国家标准《用于水泥与混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596)的规定。

3.5砂石材料

宜使用天然河砂中的Ⅱ区中砂，砂的含泥量≤1.0%，泥块含量≤0.5%；禁止使用海砂。砂的颗粒级配要好，300μm筛孔的颗粒通过量不宜小于15%；砂的细度模数在2.5~2.7较好；选择合理的砂率，因为砂率小的砼易出现泌水、离析现象，不利于砼泵送。宜使用强度较高的花岗岩，符合5~25mm的连续级配，碎石的压碎值指标≤10%；碎石进场之前应用干净的淡水冲洗。碎石的针片状含量≤10%的砼泵送性能较好；因为连续粒径碎石比单粒径碎石的混凝土泌水小，所以混凝土的和易性较好，利于泵送。砂石的碱活性试验结果应为无潜在危害。经过调研，珠海LNG项目选取广东肇庆西江砂和江门兆伦石矿的5~25mm碎石，质量符合国家现行标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52的规定。

3.6水

拌制混凝土宜采用饮用水。为了控制混凝土的入模温度，搅拌站应该配套有冷水机组来调节混凝土的温度；混凝土的出机温度较低，利于减少混凝土坍落度的损失；适宜的温度也有利于外加剂充分发挥应有的效果。项目拌制混凝土使用的是现场的自来水，属于饮用水，水质符合国家现行标准《混凝土拌合用水标准》JGJ63的规定，现场搅拌站配套有冷水机组。

4.低温环境混凝土配合比的配制

4.1 在符合经济、合理的原则下，根据项目规范要求（混凝土强度等级、耐久性和工作性等要求）和已经检测过的原材料参数，按照国家现行标准《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55)的有关规定进行配合比计算，编制配合比试验计划，按照高性能混凝土要求进行设计。

4.2 进行初步配合比试验。用前期检测过的原材料进行混凝土拌制，并按普通混凝土拌合物性能试验方法等标准进行试验，观察混凝土的工作性是否满足设计要求，同时成型3天、7天试件以验证早期强度。

4.3 在初步试验获取数据的基础上进行调整，观察混凝土的性能有否改善。找出基准配合比，对基准配合比的工作性调试到最佳状态，同时进行另外2个不同配合比的试验（与基准配合比的用水量一致，水胶比±0.02），预留3天、7天、14天、28天强度和其它相关性能参数的试件。

4.4 对选中的基准配合比进行连续3天重复性验证，确认每天的状态是否与前期试验时的状态一致，以确保配合比的性能处于稳定状态。如不一致，要马上找到原因，立即解决。如果一致，马上进行另外2个不同配合比的试验（与基准配合比的用水量一致，水胶比±0.02），并进行重复性验证，同时预留相关试件。

4.5 在28天抗压强度及其它性能参数结果出来后，经过综合评价，从中选取出性价比最好的配合比作为试验室理论配合比。经过试验，珠海LNG项目选取的理论配合比如下：

C50耐久性混凝土设计配合比 表1

注：该C50混凝土水胶比为0.31,28天标准养护强度达到65.8MPa；混凝土总碱含量为1.9996Kg/m3,氯离子总含量为0.0205%；混凝土含气量为3.9%；抗氯离子渗透试验(电通量法)为821库伦，小于1000库伦。混凝土的工作性也非常好。

4.6 混凝土的敏感性试验。混凝土的敏感性试验主要是验证混凝土配合比在施工现场使用的可行性，为现场微调配合比提供理论依据。大概内容就是在选定的理论配合比基础上，分别增减10Kg用水量、15Kg水泥、2%的砂率进行试拌，观察新拌混凝土的和易性是否在要求范围内；混凝土含气量是否满足要求；同时成型3天、7天、14天、28天抗压强度试块来确认混凝土的强度是否满足设计要求。如果都没有问题，说明这是一个成功的混凝土配合比。

5.低温环境混凝土的低温性能试验方法

由于国内没有相关混凝土低温试验的标准规范，所以低温混凝土质量鉴定试验委托卢森堡的CRP Henri Tudor检测中心进行试验。下面简要介绍一下用欧美标准规范进行混凝土低温试验的方法步骤：

5.1 试验样品的制备：

用于低温试验的试件为15个直径150mm,高300mm的圆柱体。混凝土成型后在其中6个试件中植入热电偶，热电偶从圆柱体的顶部向下插入150mm深。拆模后放入标准养护室水池中浸泡养护28天（注意热电偶的接线口必须露出水面）。

图1、低温混凝土试模 图2、低温混凝土试块制作

5.2 试验前的准备:

15个混凝土圆柱体样品在试验前要进行称重和外观尺寸测量，并分别编号。第一组无需老化处理(6个试样：3个作为参考，3个决定弹性模量计算)；第二组（3个试样）浸入液氮；第三组（6个试样）做20次快速冻融试验。

5.3 20次快速冻融试验:

用6个装有热电偶的试样放入人工气候试验室进行20次快速冻融试验，试样浸入水中，温度条件4 ºC ~-18 ºC。冻融试验结束后把样品保存于室温下（高湿度条件）直到进行抗压试验。

5.4 极限低温试验:

3个试样浸入液氮（-196 ºC）1小时，然后保存于室温下（高湿度条件）直到进行抗压试验。

图3、经过液氮冷却后的试块 图4、试块升温过程

5.5 静态弹性模量计算:

第一次测试3个参照试样，抗压前试样两端需要进行表面机械处理找平(两端表面用特殊机械去除3mm高度)。只进行一次抗压以确定弹性模量试验的负载级，测量最大负载值，试验速度为0.25MPa/s,利用此值（最大负载＝Rmax）确定静态弹性模量的步进值（最大负载的1/3）。

第二次测试另外3个试样（试样无需老化），抗压前试样两端需要进行表面机械处理找平(两端表面用特殊机械去除3mm高度)。使用延伸仪（标距长度100mm）进行测试，得到充电放电循环结果，此为非破坏性试验。

5.6 混凝土抗压强度试验。确定静态弹性模量后，所有15个试样都要进行抗压试验，测量最大负载值。抗压前试样两端需要进行表面机械处理(两端表面去除3mm高度)。此为破坏性试验，试验速度为0.2~1.0MPa/s之间。抗压试验与静态弹性模量试验所用设备一致。

5.7 混凝土含水量试验。15个试样抗压试验后，取每个试样的一部分（800~1000g）进行含水量检测。第一次称重后放入105 ºC（±3ºC）的烘箱进行烘干。24小时后进行第二次检测，如果得到的数据与第一次检测数据的差值超过较低值的0.5%，需将样品放入烘箱烘干24小时。按照前面步骤重新检测，直到连续2次结果的差值小于较低值的0.5%。经测试块含水率统计表如下：

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技术论文征稿

注：第四天对试件检测评估依据（ASTMC 642-06 第5.1条）

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6.混凝土的低温性能试验结果

卢森堡的CRP Henri Tudor检测中心经过22天的试验，检测结果的部分内容如下：

混凝土低温试验报告（报告编号：CIP-INDUSLAB-R-7021） 表2

注：混凝土样品的弹性模量、抗压强度、密度均以实测质量、体积、受压面积计算。因为试验样品是在珠海LNG项目一期工程现场搅拌站制作，养护28天后才送去卢森堡，因此，混凝土样品的实际抗压龄期为68天。

7.结论

由于LNG大型低温储罐的特殊用途，所以对混凝土的性能就需要特殊的要求。通过对混凝土的低温试验可以看出，要使混凝土具有耐低温的性能：第一，必须精心选择混凝土原材料，充分了解各种材料的特性；第二，必须按照现行规范标准来设计配合比，尽可能最大限度地发挥各种材料的特性，选择性价比最好的配合比，做到经济适用；第三，高性能的混凝土具有较好的长期性能和耐久性能；第四，混凝土必须具有一定的含气量，气泡分布均匀且稳定，含气量范围宜在3.5~4.5%；第五，根据国外试验室的经验，混凝土硬化后（大于7天龄期）的孔隙率小于10%的混凝土耐低温的性能较好。总之，通过正确选择混凝土原材料，经过精心设计和配制，使混凝土更加致密，同时使混凝土具有良好的泵送性能和施工性能，既要满足规范和技术要求，又不能墨守陈规。希望本文对低温环境混凝土配合比的设计与低温试验内容对今后的项目实施过程有所帮助，能够更好的为今后的LNG工程项目提供技术支持。

参考文献：

[1]《LNG 储罐规范》（FEED-SPC-TS-MA-010-R3），TR&TCC。

[2]《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55)，北京：中国建筑科学研究院主编，中华人民共和国建设部批准，中国建筑工业出版社出版。

[3]《混凝土结构设计规范》（GB 50010），北京：中国建筑科学研究院主编，中华人民共和国建设部批准，中国建筑工业出版社出版。

[4]《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204），北京：中国建筑科学研究院主编，中华人民共和国建设部批准，中国建筑工业出版社出版。

[5]《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T10），北京：中国建筑科学研究院主编，中华人民共和国住房和城乡建设部批准，中国建筑工业出版社出版。

[6]《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2002)，北京：中国建筑科学研究院主编，中华人民共和国建设部批准，中国建筑工业出版社出版。

[7]《低温混凝土质量鉴定试验报告》(Test report n0 CIP-INDUSLAB-R-7021)，卢森堡：CRP Henri Tudor检测中心。

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