1 工程概況及特點(diǎn)
中石化股份有限公司金陵分公司160萬(wàn)噸/年延遲焦化裝置是目前亞洲最大的焦化生產(chǎn)裝置。該裝置的主要反應(yīng)部分是兩臺(tái)焦炭塔，焦炭塔塔高約42m，直徑9.4m，由厚25~40mm15CrMo合金鋼板焊接而成。由中石化洛陽(yáng)工程公司設(shè)計(jì)。
焦炭塔坐落在兩層鋼筋混凝土框架上，六根框架柱柱高19.3m，柱截面為1.8m×1.8m、每層框架的面積為13.2m×24.6m，二層框架平臺(tái)板厚2.4m，板中開(kāi)有兩個(gè)直徑為7.8m的孔洞，每個(gè)孔洞旁設(shè)置24個(gè)M56螺栓用于固定焦炭塔裙座。
焦炭塔框架頂層鋼筋混凝土板厚2.4m，混凝土方量大約為450 m3，屬于大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。每個(gè)焦炭塔自重約300t，生產(chǎn)時(shí)最大垂直荷載約2000t。焦炭塔安裝就位后須對(duì)復(fù)合鋼板進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)溫度高達(dá)690ºC，正常生產(chǎn)時(shí)塔內(nèi)最高溫度高達(dá)500ºC。焦炭塔外壁雖有保溫層，但在裙座底部及塔底蓋附近保溫層很難覆蓋嚴(yán)密，使得焦炭塔底座附近混凝土的輻射溫度高達(dá)95ºC。
據(jù)有關(guān)資料，山東某石化公司延遲焦化裝置焦炭塔框架混凝土板共出現(xiàn)160多條裂縫，其中裂縫寬度0.3~0.32mm有4條，0.15~0.25mm有23條，0.15mm以下的133條。這些裂縫主要沿孔內(nèi)側(cè)周邊分布，并由板孔下角向外發(fā)展，裂縫在最小斷面處最多，板的外側(cè)裂縫均在板的中部，裂縫寬度呈中間大兩頭小。此種裂縫的出現(xiàn)會(huì)引起鋼筋銹蝕，混凝土碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗?jié)B能力等。湖北某煉油廠延遲焦化裝置焦炭塔框架頂層鋼筋混凝土大厚板也出現(xiàn)類(lèi)似情況。
2 厚板溫度裂縫成因及纖維抗裂機(jī)理
混凝土溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大的結(jié)構(gòu)中。焦炭塔框架頂層鋼筋混凝土板為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，此類(lèi)結(jié)構(gòu)混凝土澆筑后，硬化過(guò)程中水泥水化產(chǎn)生大量水化熱。當(dāng)水泥用量在350～550 kg/m3，每m3混凝土將釋放出17500～27500kJ的熱量，從而使混凝土內(nèi)部溫度升達(dá)70ºC左右甚至更高。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部而不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，這樣就形成內(nèi)外的較大溫差，較大的溫差造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。實(shí)踐表明當(dāng)混凝土本身溫差達(dá)到25ºC ~26ºC時(shí)，混凝土內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生大致在10MPa左右的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。此外，根據(jù)金陵分公司160萬(wàn)噸/年延遲焦化裝置的生產(chǎn)工藝要求，每個(gè)焦炭塔每24h完成一爐焦炭的生產(chǎn)，兩個(gè)焦炭塔交替生產(chǎn)，也就是說(shuō)焦炭塔底座附近混凝土每24h就會(huì)由正常的室外溫度迅速上升到95ºC左右。這樣也會(huì)在混凝土內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差。
由此可見(jiàn)，如果不采取特殊措施，混凝土內(nèi)外溫差會(huì)引起焦炭塔框架頂層鋼筋混凝土大厚板開(kāi)裂。為此采用在混凝土中加入纖維的方法來(lái)解決厚板開(kāi)裂的問(wèn)題。
當(dāng)在水泥基材料中摻入纖維后，由于此時(shí)表層材料中存在纖維材料，使得其失水面積有所減少，水分遷移較為困難，從而使毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力有所減少。同時(shí)，依靠纖維材料與水泥基之間的界面吸附粘結(jié)力、機(jī)械嚙合力等，增加了材料抵抗開(kāi)裂的塑性抗拉強(qiáng)度，從而使材料表層的開(kāi)裂狀況得以減輕，甚至消失。
有關(guān)試驗(yàn)表明當(dāng)纖維加入量為混凝土體積的0.1%左右時(shí)，混凝土抗拉強(qiáng)度不會(huì)提高很多，但摻入少量的聚丙烯纖維可以促進(jìn)混凝土抗拉性能后期強(qiáng)度的持續(xù)增長(zhǎng)，這是一種纖維的補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)而非增強(qiáng)效應(yīng)，纖維抑制混凝土裂縫產(chǎn)生是由于纖維的阻裂效應(yīng)。對(duì)于混凝土這類(lèi)內(nèi)部原來(lái)有缺陷的材料，其開(kāi)裂強(qiáng)度可因混凝土內(nèi)加入纖維后，混凝土的韌性增大、裂縫尺寸減少或裂縫尖端應(yīng)力集中系數(shù)降低而得到提高。
3 杜拉纖維混凝土在厚板中的應(yīng)用
中石化股份有限公司金陵分公司160萬(wàn)噸/年延遲焦化裝置焦炭塔框架二層混凝土大厚板采用了杜拉纖維混凝土的工藝，目的是阻止或減少混凝土大厚板中裂縫的出現(xiàn)。杜拉纖維（DURAFIBER）是一種經(jīng)過(guò)特殊生產(chǎn)工藝處理的高強(qiáng)聚丙烯單絲纖維。它的表面處理技術(shù)確保纖維在水泥漿中具有極佳的分散性，在攪拌過(guò)程中不結(jié)團(tuán)；纖維與水泥基體有良好的粘結(jié)強(qiáng)度。杜拉纖維的長(zhǎng)度為19mm，纖度19D，比重為0.91，抗拉強(qiáng)度為276 MPa（與1#鋼相近），彈性模量為3793 MPa，拉伸極限為15%，對(duì)酸、堿都有極強(qiáng)的抵御能力。杜拉纖維經(jīng)過(guò)特別的抗紫外線處理，具有一定的抗紫外線老化能力。杜拉纖維加入混凝土中采用常規(guī)攪拌設(shè)備攪拌，只要略延長(zhǎng)攪拌時(shí)間即可均勻分布于混凝土中。
3.1 混凝土原材料選擇
(1) 水泥。采用南京江南粉磨有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，細(xì)度為0.60%，3d抗折強(qiáng)度為5.8 MPa，3d抗壓強(qiáng)度為24.4MPa，初凝時(shí)間為2h30min，終凝時(shí)間為3h35min。
(2) 粗集料。采用湯山采石場(chǎng)的5~25mm碎石，泥含量為0.5%，泥塊含量0.1%，針片狀顆粒8.0%，壓碎值7.2%，密度2530kg/m3，松散體積密度1593kg/m3，空隙率37.2%。
(3) 細(xì)集料。采用無(wú)為砂場(chǎng)的中粗砂，泥含量為0.5%，泥塊含量為0.3%，細(xì)度模數(shù)為2.5，級(jí)配區(qū)為п級(jí)，密度2630kg/m3，松散體積密度1550kg/m3，空隙率41%。
(4) 外加劑。采用南京江南粉磨有限公司生產(chǎn)的NF-15混凝土外加劑。
(5) 活性拌和物。采用南京熱電廠的粉煤炭。
(6) 合成纖維。采用美國(guó)希爾兄弟化工公司生產(chǎn)的杜拉纖維。
3.2 混凝土配合比強(qiáng)度等級(jí)為C40，混凝土坍落度為160~180mm。配合比見(jiàn)表1。
表1 纖維混凝土配合比
|
原材料名稱(chēng) |
水泥 |
黃砂 |
石子 |
外加劑 |
水 |
粉煤灰 |
杜拉纖維 |
|
規(guī) 格 |
P.O 42.5 |
中粗砂 |
5~25mm |
NF-15 |
飲用水 |
Ⅱ級(jí) |
19mm |
|
配合比（kg/m3） |
394 |
739 |
1063 |
7.56 |
178 |
26 |
0.8 |
3.3 混凝土攪拌與澆搗
澆筑大厚板所用的杜拉纖維混凝土由南京長(zhǎng)江二橋混凝土有限公司供應(yīng)。兩臺(tái)2m3的攪拌臺(tái)負(fù)責(zé)攪拌杜拉纖維混凝土，攪拌時(shí)間為180s，杜拉纖維事先經(jīng)過(guò)分裝（每袋1.6 kg）由攪拌臺(tái)加料口直接加入攪拌機(jī)攪拌。
采用兩臺(tái)混凝土泵車(chē)從焦炭塔框架兩對(duì)角位置同時(shí)進(jìn)行澆注。由于鋼筋數(shù)量太密，混凝土振搗困難，故采用四臺(tái)混凝土振動(dòng)泵同時(shí)振搗，振搗時(shí)間不少于40s。杜拉纖維在混凝土中分散均勻，和易性比普通混凝土有很大提高，但混凝土的坍落度有所下降。這是因?yàn)槎爬w維的總表面積很大，表面吸附水，因此纖維的加入會(huì)增加拌和料的粘稠度，降低坍落度。
金陵分公司160萬(wàn)噸/年延遲焦化裝置已于2004年12月20日交付使用，12月30日出合格產(chǎn)品，連續(xù)生產(chǎn)三個(gè)多月后通過(guò)對(duì)大厚板的多次檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，達(dá)到了預(yù)期效果。
4 杜拉纖維混凝土施工要點(diǎn)
(1) 杜拉纖維的加入會(huì)增加拌和料的粘稠度，降低混凝土坍落度。如發(fā)現(xiàn)澆筑困難，一般不應(yīng)通過(guò)增加用水量來(lái)改善混凝土性能，而應(yīng)采用加入塑化劑或減水劑的方法。
(2) 界面效應(yīng)對(duì)杜拉纖維混凝土的性能有不利影響。雖然纖維-基材界面尺寸很小，但杜拉纖維細(xì)度高、比表面積大，即使纖維的摻量較低，也能在混凝土中獲得很大的纖維-基材界面。由于杜拉纖維不親水，纖維—基材界面往往具有比基材更高的水灰比，這將造成纖維-基材呈弱界面效應(yīng)，對(duì)混凝土強(qiáng)度不利。應(yīng)在混凝土中加入粉煤灰等活性混合材料改善纖維混凝土的界面性能。
(3)杜拉纖維在使用前應(yīng)按照纖維的加入量和混凝土攪拌機(jī)的容量，事先進(jìn)行分裝，以保證纖維加入量的準(zhǔn)確。在砂、石、水泥和水等混凝土材料攪拌均勻后，從攪拌臺(tái)加料口直接加入杜拉纖維，并適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間（1~2min）。切不可將杜拉纖維直接放入混凝土運(yùn)輸車(chē)內(nèi)，以免影響纖維在混凝土中的分散。
(4) 應(yīng)派專(zhuān)人對(duì)杜拉纖維的加入及混凝土的攪拌過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)督。一般商品混凝土廠的攪拌臺(tái)粉塵污染較為嚴(yán)重，工作環(huán)境惡劣，加入纖維的操作工人多為臨時(shí)雇用的臨時(shí)工，人員素質(zhì)不高，少加、漏加、多加的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此必須對(duì)整個(gè)纖維混凝土的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)督，從而保證杜拉纖維混凝土按設(shè)計(jì)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。
(5) 應(yīng)選擇距離施工地點(diǎn)較近且運(yùn)輸?shù)缆窌惩ǖ纳唐坊炷翉S。為保證杜拉纖維混凝土的質(zhì)量，混凝土由攪拌站運(yùn)至施工工地的時(shí)間不宜超過(guò)30min，否則杜拉纖維宜在混凝土運(yùn)至工地后再加入，并攪拌均勻。
(6) 杜拉纖維的加入使得混凝土的稠度有一定提高，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)也應(yīng)延長(zhǎng)混凝土的振搗時(shí)間，以保證纖維混凝土的密實(shí)。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)纖維摻量為0.9kg/m3時(shí)，振動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)至40s，強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度值接近。
