（土木工程专业论文）深冷设备混凝土基础施工技术研究.pdf

摘要 摘要 本文综述了深冷技术与深冷设备基础技术现状，对空分塔设备基础荷载及 工作环境以及空分塔混凝土基础破坏形态：如裂缝；冻损进行了分析，指出深 冷设备基础的耐久性特别是抗冻耐久性是一深冷设备基础设计施工的重点。 通过对国内外空分塔基础设计施工技术的发展及现状的介绍和分析，对顶 部设有隔冷层的深冷设备基础的各结构层次的作用及施工难点进行了重点分 析，指出顶部设置隔冷层的深冷设备基础比较符合我国的国情。本文的主要研 究内容为顶部设置隔冷层的深冷设备基础的施工技术。 论文对深冷设备基础的材料和施工技术进行了分析，主要内容有混凝土基 本性能；混凝土改性与外加剂t 珍珠岩混凝土基本性能与导热系数。并结合中 远化工1 # 空分塔基础设计施工实践，对该深冷设备基础的施工进行了详细分析， 主要内容有：施工总部署：施工难点分析；主要施工工序；防止基础破坏的旌 ： 措施及隔冷层材料及施工。 对隔冷结构的基础，基础结构层次多，对各部分材料的技术指标要求高， 故工程施工实践过程中，：蠢采用了以下关键技术措施： l 、基础主体混凝土施工时，应使用外加剂和掺台料对混凝土进行改性，以 满足对混凝土强度、抗渗性及其抗冻融破坏特性的三项技术指标要求。 2 、顶部隔冷层的施工时，可使用引气剂来取代传统的由施工单位自制的泡 沫剂，并增做一组恒重试块，以满足对隔冷层材料设计所要求的强度及导热系 数，并可缩短施工时间。 3 、在隔冷层施工前，可采用1 5 倍工作荷载对主体基础实施预压，以防止 基础在设备安装及设备使用过程中产生不均匀沉降。 最后对工程实践进行了总结，并提出展望。 关键词：深冷，混凝土基础施工，混凝土改性，抗冻，珍珠岩混凝土，导热系数 预压 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h e d i s s e r t a t i o n ，d e e p c o l dt e c h n i q u e a n dt h e p r e s e n t c o n d i t i o no ft h e a i r - s e p a r a t i n gt o w e rf o u n d a t i o n a n da sw e l la st h el o a d w o r k i n ge n v i r o n m e n tw e r e i n t r o d u c e d t h e nt h ea n a l y s i so ft h eb r e a k a g eo ft h ef o u n d a t i o nw a sc a r r i e do u t ，s u c h a s ：c o n c r e t ec r a c k i n g ；a n dc r a s h e df a i l u r ei n d u c e db yd e e pf r e e z i n g i nd e s i g na n d c o n s t r u c t i o no ft h ef o u n d a t i o n ，t h e d u r a b i l i t yr e s i s t a n c ee s p e c i a l l y t h ea n t if r e e z e c a p a b i l i t yo f c o n c r e t em u s t b e p r o p e r l yr e c o g n i z e d t h ed e v e l o p m e n ta n db a c k g r o u n do ft h ep r e s e n td e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h e d e e p - c o l dt o w e rf o u n d a t i o n i nc h i n aa n dt h e f o r e i g nc o u n t r yw e r es u m m a r i z e d b a s e do nt h et y p i c a lt y p eo ft h ef o u n d a t i o nw i t hi n s u l a t i n g l a y e ro nt h et o p ，t h e f u n c t i o no fe a c hp a r to ft h ef o u n d a t i o na n dt h ek e yt e c h n i q u e si nc o n s t r u c t i o na r e a n a l y z e d t h i st y p eo ft h ef o u n d a t i o nw a sm a t c h e d 、i mt h ec o n d i t i o no ft h ec h i n a t h ec o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d ec o n s t r u c t i o n t e c h n i q u eo ft h ed e e p c o l d e q u i p m e n t st b u n d a t i o nw i t l li n s u l a t i n gl a y e r t h ep r o p e i t i e so ft h em a t e r i a l su s e df o rt h ef o u n d a t i o n ，s u c ha sb a s i c1 ：u n c t i o no f c o n c r e t e ：b e h a v i o rc h a n g e sw i t hc o n c r e t ea d m i x t u r e ；b a s i cf u n c t i o na n di t j s u l a t i n g r a t eo f e x p a n d e ds a n d c o n c r e t ew e r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h ed e t a i l e da n a l y s i so n c o n s t r u c t i o no ft h en o 1a i r - s e p a r a t i n gt o w e rf o u n d a t i o no ft h ez h o n g y u a nc h e m i c a l c o m p l e x w a s c a r r i e d ，i n c l u d i n g t h ec o n s t r u c t i o n a r r a n g e m e n t ；d i f f i c u l t y i n c o n s t r u c t i o n ；c o n s t r u c t i o nd e t a i l so ft h em a i np r o g r a m ；m a t e r i a la n dc o n s t r u c t i o no f t h ei n s u l a t i n gl a y e ra n dc o n s t r u c t i o nm e a s u r e t op r e v e n tf o u n d a t i o nf r o m b r e a k i n g t h e f o l l o w i n gk e yt e c h n i q u em e a s u r e ss h o u l db et a k e ni nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o f t h e d e e p 。c o l de q u i p m e n tf o u n d a t i o nw i t hi n s u l a t i n gl a y e r ： 1 i nc o n s t r u c t i o no f m a i n p a r t ，b e h a v i o ro f c o n c r e t es h o u l db ei m p r o v e db yr i s eo f c o n c r e t ea d m i x t u r ea n d m a t c h i n gm a t e r i a lt os a t i s f y i n gt h et h r e er e q u i r e m e n t ss u c ha s s t r e n g t h ，w a t e ra n df r e e z er e s i s t a n c e 2i nc o n s t r u c t i o no fi n s u l a t i n g l a y e r , t h ea i r - e n t r a i n i n ga g e n ts h o u l db eu s e d i n s t e a do fs e l g m a d ea g e n t ，a n dd e s i g nr e q u i r e m e n t ss h o u l db eo b s e r v e db ye f f e c t i v e a b s t r a c t a c t i o n si nm i x i n g ，c a s t i n ga n dc u r i n go fc o n c r e t e ，w h i l ec o n s t a n tw e i g h ts p e c i m e n s s h o u l db ea l s om a d ef o r t e s t i n g 3b e f o r ec o n s t r u c t i o no ft h ei n s u l a t i n gl a y e r , p r e - p r e s st h em a i np a r tw i t l l 1 5 t i m e so ft h ew o r k i n gl o a ds h o u l db em a d et op r e v e n tt h ef o u n d a t i o nf r o mu n e v e n s u b s i d e n c e ，a n de n s u r et h eb a l a n c el o a d i n ga m o n g t h e p i l e s f i n a l l yt h es u m m a r y s u g g e s t i o n so f t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ew e r e b r o u g h tu p k e yw o r d s ：d e e p c o l d ，c o n s t r u c t i o no ft h ec o n c r e t ef o u n d a t i o n ，b e h a v i o rc 1 1 a n g e so f c o n c r e t e ，a n t if r e e z e ，e x p a n d e ds a n d c o n c r e t e ，i n s u l a t i n gr a t e ，p r e p r e s s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： - b 扩 刎年j 月 f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导f ，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：嘞步 - z , - o f 年，月孑日 第1 章概述 第1 章概述 i i 深冷技术与深冷设备基础现状 深冷技术是利用深度冷冻空气分离法生产氧氮等空分气态、液态产品的技 术。由于空气中各组分的气化温度不同，通过对空气进行冷却、筛分净化、膨 胀、压缩，先形成液态空气，然后在特定条件下，通过各气体组分从液态变为气 态的过程，进一步分馏出氧、氮、氩等产品， 1 ，1 1 深冷工艺流程 深冷工艺流程的基本流程为：空气由用户管网送入空气冷却塔底部，由下 往上穿过冷却塔填料层，被从上往下水的冷却，同时洗涤部分n o ，、s o , 、c l 等 有害杂质，最后穿过冷却塔顶部的丝网分离器，进入分子筛纯化系统。出空冷 塔空气的温度约为8 。 空冷塔是装有两层塔盘的填料塔。由空冷塔来的空气，经吸附器除去空气 中水分、c o z 及其它一些c h 。后除一部分作为仪表空气，其余都进入分馏塔及增 压机。分子筛吸附器为卧式双层床结构，卜层是活性氧化铝，上层是分子筛， 两只吸附器切换工作。 加工空气进入空分塔进行分馏，经f 塔的精馏，在下塔顶部获得氮气，除 一小部分作为热源到纯氩塔外，其余经冷凝蒸发器冷凝，一部分液体作为下塔 回流液，另一部分液体经过冷器后，经节流后作为上塔回流液送至上塔顶部。 下塔底部得到的富氧液空，经过冷器过冷后，节流至j 二塔中部参与精馏，在上 塔底部得到氧气，经过冷器、主板式换热器复热后进入管网。上塔顶部得到的 氮气、污氮气，经过冷器、主换热器组复热。复热后氮气除一部分送入管网， 其余入水冷塔制冷。液氧从主冷凝器底部抽出传输到液氧储存系统。液氮经过 冷器过冷后被抽出经节流至0 2 m p a ，进入冷箱内液氮罐储存。上述过程主要由 下塔、主冷凝器一 二塔完成。 由中部抽出一部分氩馏份气进入粗氩塔i 进行精馏，使氧的含量降低，粗 第1 章概述 氩塔i 的回流液体是通过粗氩塔i i 底部引出经液体泵传送，粗氩塔i 底部的液 体再返回上塔参与精馏。顶部引出的气体进入粗氩塔i i 底部进行进一步的氩氧 分离，在其顶部得到o 。1 p p m 粗氩气，经粗氩冷凝器冷凝成液体后作为回流液 返回粗氩塔i i 。从粗氩冷凝器引出o ：1 p p m 粗氩气进入纯氩塔中部精馏，在纯 氩塔的底部可得到合格的液氩。 1 1 2 空分塔基础 空分塔是整个深冷制氧系统的核心设备，空分塔内填珠光砂作为保温材 料。塔内主要有主塔、粗氩塔、和液氮罐，各容器内的介质温度( 随压力变化 有小幅度波动) 均在一1 8 0 。c 左右。由于制氧工艺的特殊性，空分塔基础占地面 积小、上部荷载大、工作环境恶劣，早期我国制氧机空分塔基础均采用普通钢 筋混凝士基础( 上世纪6 0 年代) ，在应用实践中，曾发生多起空分塔基础混凝 土的冻裂事故，引起很大损失。因此空分塔基础的强度、耐久性指标必须得到 充分的保证。 多年来，通过国内专业设计、旌工单位的不断总结经验，在空分塔基础的 结构及构造的设计方面作了较大改进。国内目前大多采用在空分塔基础顶部设 置隔冷层的结构形式，并根据当地自然条件、地下水位等实际情况对基础t 体 混凝土提出抗渗抗冻的要求，这些措施，在应用实践中效果不错。 笔者曾耳闻目睹国内部分空分塔基础事故实例，本文在对国内外有关空分 塔基础设计施工资料的收集的基础上，对空分塔基础的施工技术特点、使用安 全性等作了比较，并通过对中远化】：l4 空分塔基础的设计施工实例分析，重点 阐述了现阶段国内常用的空分塔基础结构形式的优缺点，以及对基础构造层次 的技术要求，和保证施工质量的技术措施等。 1 2 空分塔基础工作荷载及环境分折，空分塔混凝土基础破坏形态：裂 缝：冻损 作为制氧系统的核心设备，空分塔主要由冷箱箱体结构、塔内容器、管道、 支架及附于箱壁的阀门、仪表等组成。其形状呈塔体，塔体结构全部坐在空分 塔基础之上。出于制氧的特殊工艺要求，整个窄分塔塔体均在一个低温的环境 2 第1 章概述 下运行。空分塔基础，除了承受上部的恒、活荷载以外，还受到低温影响。近 5 0 年来空分基础的应用实践表明：空分塔基础的破坏多属冻损破坏，空分塔基 础的强度及承载力已不是设计施工的难点。因此空分塔基础抵抗低温的耐久性， 是设计施工的重点。 1 2 1 空分塔基础工作荷载及环境分析 荷载分析：空分塔上部集中安装有冷箱箱体结构、塔内容器、管道、支架 附于箱壁的阀门、仪表等组件，对万立空分来讲，空分基础每平米平均荷载达 6 0 k n ，由工艺布置的特殊性，整个基础处于一个不均匀受力状态，故而承台基 础下必须设置桩基来承受荷载，以免引起不均匀沉降。 环境分析：空分塔内各容器内介质温度均在一1 8 0 。c 左右( 随压力有小幅度 变化) ，虽然塔内填充有珠光砂保温材料，但基础内仍不可避免受低温的影响。 从热量传播的途径来看，固定设备的地脚螺栓，设备支架是冷最传播的主要导 体。各容器下均有金属支架，上部与低温容器( 中间加设保温垫块) 接触，下 部直接与基础上表面有较大面积的接触，如此低温的设备在塔内长时间运行， 基础的上表面在个较低的温度下工作。固定设备的地脚螺栓直接埋入基础混 凝土内l m 多，冷量通过该金属导体直接传入基础内，使基础内部砼处于一个低 温的状态卜j 工作。顶部设置隔冷层的空分塔基础，当空分塔系统运行稳定后， 基础表面下l m 范围内的温度基本保持在一3 0 。c 左右。 此外，空分塔基础的工作性能、耐久性还受当地气候条件、地f 水位等因 素的影响。地f 水位高时，基础混凝土内虹吸作用存在大量的自由水，对基础 抵抗冻害极为不利。 1 2 2 空分塔基础常见破坏形态 宅分塔基础作为一个在长期低温环境下工作的设备基石 | ，常见的破坏形式 有两种，一种是裂缝，另一种是冻损。二者中后者破坏形式最为普遍。 12 21 裂缝 空分塔基础的受力具有两个特点：其是荷载较大，其：则是荷载分和升i 均匀。以j 立空分为例，虽然平均荷载为6 0 k n m 2 ，但由丁空分塔改备在1 ：岂布 第1 章概述 置上的特殊性，荷载分布相差可高达8 0 k n m 2 。分馏系统和主换热系统是空分塔 内两个主要设备系统，这两个系统的基础表面积比约为5 ：3 ，但荷载分布比例 接近5 ：l ，荷载分布的悬殊使基础有不均匀沉降的趋势。这就要求基础承台。f 的桩体长度、强度和桩基施工质量必须得到严格保证。 另外，空分塔设备塔体为高耸结构，下部基础一个很小的不均匀沉降，会 使高耸塔体对基础产生一个附加弯矩，此弯矩会加剧不均匀沉降的程度，最后 导致基础中部出现较大的沉降裂缝而破坏。 在地下水位较高的工区，大量地下水经裂缝迅速渗入，若达到基础内部的 低温区，基础混凝土也会迅速膨胀损坏。 1 2 22 冻损 由于设备支架和地脚螺栓将冷量传至基础内部，空分塔基础长期处于低温 状态下受力。混凝士虽然能抵制一定程度的冻害，但空分设备内的介质温度均 在一1 8 0 。c 左右，且低温液体出现泄漏，整个混凝土基础会发生粉碎性破坏。 空分设备的法兰连接口也是一个薄弱环节，即使不发生泄漏，接k i 跑冷的现象 也较多见，这在一定程度上会加剧基础被冻损的危险性。近5 0 年，国内几大制 氧，发生的空分塔基础的破坏事故均属冻损破坏。 混凝土普通冻害( 由大自然温度变化引起) 起因是混凝土中毛细孔水受冻 结冰膨胀。凝胶孑l 水形成冰核的温度在一7 8 。c 以下，深冷工艺对混凝土的冻害与 此大不相同，在程度上更加严重。极度低温使混凝土基础经受一次冻害就完全 破丧失承载力，层层剥蚀破坏。 发生冻损破坏的原因还有很多，如空分设备泄漏、地下水反渗至基础低温 区、隔冷层吸水而丧失隔冷效果、地基不均匀沉降致使塔内管道破裂等。 当基础顶部有小幅度冻胀，还会抬起空分塔，使空分塔向某一方向偏斜， 并通过地脚螺栓拉裂基础，扩大冻损面积及深度。 冻损严重的而末及时停机，甚至会造成基础承台地基土也被破坏，后果小 堪设想。 第1 章概述 1 3 空分塔基础设计与施工技术的沿革 1 3 1 国外空分塔基础设计与施工技术沿革 国外深冷技术行业最发达的当以美国和德国为首，上世纪6 0 年代，我国 首次从国外引进空分设备，外方配套提供设计的空分塔基础与国内无异，也采 用普通钢筋混凝土基础。这种基础在一后的应用中出现了不同形式的破坏特别 是冻害，国外专家不断寻求解决空分塔基础抵抗冻害的办法。 上世纪8 0 年代由美国提供配套的空分塔基础在设计上做了火的改进， 空分塔基础采用普通混凝土基础，但在距基础顶面约2 0 0 r a m 处设置一排钢管并 内穿电阻。该套电阻为可调电阻，其阻值可由中控室进行自动调节。通过仪捧 系统将该电阻与埋设于基础内铂热电阻反馈的温度值进行联锁，可将其周围的 混凝土温度始终保持在一个相对稳定的温度范围内。如图1 1 所示。 a _ _ a 剖面图b - b 剖面图 图1 1 美国空分塔基础结构构造图 毋庸置疑，这种结构形式施r 方便，但造价高。可调电阻必须由工j ，定制， 凶而其使用受到定的局限性，如大型基础、地处寒冷区域的坝体等结构便不 再适用。 g o 年代，德国l i n d e 公司提供配套的空分塔基础也采用普通混凝土基础， 该基础在距基础顶面约3 0 0 l l u n 外，设置了一排d n 2 0 0 m m 的厚壁通风管，与大气 第1 章概述 进行热交换，以保证基础的温度与大气温度只存在较小的温差。如图1 2 所示。 德国l i n d e 公司的基础设计与美国的设计相比，造价相对降低，但其对抵 抗冻害的可靠度不高，若混凝土的抗渗性能不好，地下水位偏高，此种结构仍 存在被冻损的隐患。 目前，国外空分塔基础的结构组成基本定格于上述两种形式，这两种结构 形式均易于施工。但造价高，且应用方面存在局限性， 图1 2 德国空分塔基础结构构造图 1 3 1 国内空分塔基础设计与施工技术沿革 国内空分塔基础的结构改进与发展也经历了较长的过程，基本上是靠改善 混凝土的性能来保证基础的耐久性的。 上世纪6 0 年代，国内空分塔基础采用普通钢筋混凝土基础设计，对混凝 土性能并无特别要求，这类基础在以后的应用实践中出现了不少问题。据了解， 7 0 年代中期，某氧气站的空分塔基础就发生了冻裂事故，从而导致钢厂停产， 引起了不小的损失。 8 0 年代，各设计、施工单位不断总结经验的基础上，对整个基础的结构在 设计方面作了较大的调整，在基础顶部增设了隔冷层，以防止冷量下传。 9 0 年代，采用隔冷层的空分塔基础在应用中遇到新问题。用作隔冷层的珠 光砂混凝土属于泡沫混凝土，内部具有大量的开放性气孔，因而在上部设备发 生泄漏事故时，低温液体经由隔冷层内孔隙结构渗至基础主体下的混凝土内， 同时，地下水经由混凝土孔隙发生虹吸，使基础主体混凝土内存在了大量的自 由水，冻裂再次发生。因此提出了在地下水位较高的地区在基础内设最隔水板 措施，对基础主体的混凝土增加了抗冻、抗渗方面的要求，在隔冷层上下面均 增设抗渗面层。这些措施使空分塔基础设计得到了进- 步完善， 一6 第l 章概述 目前国内的空分塔基础的设计主要分两大类，一类采用有隔冷层的结构， 但由于隔冷材料的强度“傲都较低，无法承受其t 部几百甚至于吨的荷载。因 此对基础主体混凝土的性能提出抗冻、抗渗方面的要求。 图1 3 为采用有隔冷层的空分塔基础构造。 图【3 国内常见空分塔基础结构构造图 其中，隔水板依据工程所在地点的地下- 水位而设，若地下水较深，可不设 隔水板。 基础的几何布置有其特殊性，出于设茕了隔冷层，低温对基础主体的影响 一一定程度上减小，但长期能量传递的累积效应对基础仍会发生不利影响。因此 空分塔基础一般均设计为露出地面一定的高度。即将受低温影响较大的区域与 大气有大面积的接触，进行冷热交换，以减小冻害影响。 应用实践表明：这类空分塔基础的效果比较理想，但施工难度大。特别是 顶部隔冷层的施工，主要是隔冷层材料受导热系数与强度两个指标互相制约， 却又得同时满足，施工困难较大。基础主体混凝土必须满足强度、抗冻、抗渗 三方面的要求，因而在选材、确定配比以及砼的浇捣养护施工时均必须采取措 施。 另外一类空分塔基础采用在基础内埋设自然通风管，与l i n d e 公司设计的 第l 章概述 基础结构类似，对混凝土基础也有严格的抗渗抗冻方面要求。 此外国内设计施工对空分塔设备要不要设置地脚螺栓存在较大的争议，一 般认为地脚螺栓是冷量下传的直接导体。采用地脚螺栓的另一个弊端是：小幅 度冻损引起主塔的倾斜会通过螺栓拉裂基础，加剧基础破坏，尤其是顶部设有 隔冷层的基础，由于隔冷层本身强度低，地脚螺栓的这种拉裂作用更为严重。 而不采用地脚螺栓的主塔，在水平力作用下如何保持稳定呢，采取怎样的措施， 可靠度如何呢? 针对以上两点，有两种设计解决方案：一种是采用导热性能低 的o c r l 8 n i 9 t i 不锈钢制作地脚螺栓，尽量减少冷量下传；另外一种是主塔、粗 氩塔等高耸塔器均不用地脚螺栓，设备底框架直接座于基础顶面，而在塔的上、 中、下段分别用三根钢铰线将主塔等与空分塔冷箱箱体连接，用于在水平方向 固定塔体。 根据以往我们施工及使用的经验，笔者认为：基础顶部设置隔冷层是必要 的。基于上述原因，基础的施工也给施工单位出了一个新的难题。如何使基础 主体的承载力和耐久性同时得到保证? 如何满足隔冷层的导热系数和强度要 求? 应采取怎样的技术措施? 这是窄分塔基础施工所要解决的关键问题。 1 4 相关的技术标准、施工规程的评述 目月i 有关空分塔基础的技术标准、施工规程仅在冶金部设计及施工规范中 有所表述，冶金建筑工程质量检验评定标准( y b j 2 3 2 9 1 ) 。针对顶部设有隔 冷层的基础，对隔冷层的工程质量控制指标有较详细的说明。笔者以为作为一 个在恶劣条件下工作的混凝土基础，现有的技术标准、施工规程还不够系统， 不够详尽。 从施工技术的要求来看，对于空分塔基础，质量要求高，施工难度大，施 工单位除了需要相关的验评标准，更需要的是能指导施工中每一个具体步骤及 关键控制工序的施工手册，并将其与现行规范标准相结合，保证工程质量，提 高基础各结构层次的施工一次成功率，进而提高工程进度。特别在以后的使用 中，遇突发事故时，整个基础仍能按设计要求保持其承载力，达到设计寿命。 从经济的角度来看，我国现推行的2 0 0 0 定额有关混凝土基础的予目条款 基本延用的1 9 9 3 定额标准。对于空分塔基础这种施工难度大，技术要求高的基 础施l 并无相应的子目条款，仅仅将其作为一具普通的块体状的设备基础考虑， 第1 章概述 实际工程成本与定额造价偏差非常大，应该引起有关方面的重视。 1 5 研究的目标及研究内容 本项研究以中远化工l 4 ( 1 0 0 0 0 n m 。h ) 空分塔基础施工为例，对我国最常 见的空分塔基础结构各层次的施工作一个较详细的分析，以资对深冷设备基础 施工提供一些借鉴和参考，其内容同时也适用于其它有抗冻保温要求的基础、 坝体等。 文中着重研究以下两方面的内容：空分塔基础在空分设施运行稳定的工作 状态下，现有混凝土技术能否并如何解决此类低温基础的耐久性问题；顶部隔 冷层的材料及施工技术。 此外，本文还将对顶部设有隔冷层的空分塔基础的施工要点及其各主要工 序进行阐述，如内部隔水板的选材及焊接方法，基础预压方法等。 塑! 兰堡堡堡鱼茎型塑整兰塑塑圣奎丝垦 一 第2 章深冷设备基础材料与混凝土基本性能 建造空分塔基础的材料主要有：主体抗冻抗渗砼、隔冷层膨胀珍珠岩混凝 土和隔水板。隔水板材料可用紫铜板、不锈钢板或钢板。由于空分塔基础长期 在一个低温环境下，对隔水板材料在热胀冷缩情况下仍能保持其不破损的性能 及延展性有较高的要求。另外还需考虑材料的施工性能如可焊性、可切割性等。 碳素钢的耐低温性能差，伸长率为2 6 ( 钢板厚度 1 6 m m ) ；不锈钢耐低温性能 好，伸长率约为4 0 ；冷轧硬紫铜板耐低温性能良好，延伸率高达8 5 ，是隔 水板的首选材料，但其焊接工艺及技术要求高，需精一t 3 施工，方可保证施工质 量。近3 0 年的工程实践表明空分塔基础采用紫铜隔水板的隔水效果明显优于其 它材料。 f 面着重讨论混凝土的力学性能及耐久性指标。 2 1 混凝土抗冻性能和其它力学性能指标 2 1 1 混凝土主要技术性能 混凝土的主要技术性能体现在以下几个方面：新拌混凝土的工作性能、混 凝士的强度等级、混凝土变形性能以及混凝土的耐久性能。 新拌混凝土工作性能系指混凝士适合于搅拌、运输、浇注、掘捣及密实成 型的性能。它包括混凝土的流动性、粘聚性、保水性、可泵性等技术性能。混 凝土工作性。般通过坍落度试验来测定，并据此将混凝土分为低塑性混凝士： 塑性混凝：流动性混凝土；大流动性混凝土。影响混凝土工作性的主要因素 有：水泥浆量、稠度、砂率、外加剂、搅拌及停放时间、环境温度等。 混凝土强度等级是混凝土结构设计、混凝土材料配合比设计、混凝七施工 质量榆验及验收的重要依据。混凝土强度等级按混凝土立方体抗压强度标准值 确定。普通混凝土抗压强度等级分为1 2 个等级：c 7 5 、c i o 、c 1 5 、c 2 0 、c 2 5 、 c 3 0 、c 3 5 、c 4 0 、c 4 5 、c 5 0 、c 5 5 、c 6 0 ，强度等级大于c 6 0 的混凝土称为高强 混凝i 。影响混凝土强度等级的因素有：混凝上组成材制的性质( t 要是水泥 n 第2 章深冷设备基础材料与混凝上基本性能 _ _ _ _ _ 一一一 强度等级、骨料强度) 、混凝土配合比( 主要为水灰比) 、施工条件( 特别是振 捣程度) 和养护条件( 温度、湿度) 等。 混凝土的变形可分为混凝土在凝结、硬化过程中的变形和混凝土硬化后的 变形。其中硬化后的变形对混凝土的破坏作用较大。混凝土硬化后的变形主要 有温度变形、应力变形( 瞬时变形、徐变) 。 混凝土耐久性是指混凝土材料潜在的抵抗其自身因素和环境因素的长期 破坏作用的能力，主要包括：抗渗性、抗冻性、耐化学侵蚀性、抗碳化性、干 缩、碱集料反应和耐磨性。 混凝土材料抵抗压力水渗透作用的能力称为抗渗性。混凝土内部存在微裂 缝及毛细管，水在压力作用下，可以通过这些裂缝和毛细管而发生渗透。混凝 士抗渗性用抗渗等级表示，抗渗等级分为s 2 、s 4 、s 6 、s 8 、s 1 0 及s 1 2 ，分别 表示试件未发生渗漏的最大水压力为0 2 m p a 、o 4 m p a 、0 6 m p a 、0 8 m p a 、1 0 m p a 、 及1 2 m p a 。 普通混凝土的抗渗能力一般可以满足s 6 级以下。s 6 级以上的混凝土称为 抗渗混凝土。提高混凝土的抗渗能力可通过减小水灰比或使用外加剂来实现。 通常掺用的9 t - ) 3 h 剂有引气剂、膨胀剂、减水剂或粉煤灰掺合料。 2 1 2 混凝土抗冻性能 2 1 2 1 混凝土抗冻性及其等级 混凝士抗冻性是混凝土耐久性指标之。，是指混凝土抵抗浸水条件下经受 冻融循环破坏的能力。混凝土的抗冻性用抗冻等级表示，即以2 8 d 龄期的混凝 土试件所能承受的冻融循环次数表示。抗冻强度等级分为f 1 5 、f 2 5 、f 5 0 、f 1 0 0 、 f 1 5 0 、f 2 0 0 、f 2 5 0 、f 3 0 0 ，分别表示混凝土材料可经受1 5 、2 0 、5 0 、1 0 0 、1 5 0 、 2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 次冻融循环。经过若干次冻融循环后能符合下述两个指标的便达 到等级，这两个指标是：( 1 ) 质量损失不得超过5 ，( 2 ) 强度损失不超过2 5 。 混凝土抗冻性一般受以下因素的影响：混凝土拌和物的流变特性、混凝土 组成材料、水灰比、拌和及振捣方式、养扩，条件。 2 122 混凝土抵抗冻融破坏的内部机制 影响混凝土抗冻性的原因很多。其机理相当复杂。但从本质上说。混凝七 第2 章深冷设备基础材料与混凝土基本性能 抵抗冻融破坏的能力主要取决于混凝土自身的孔隙特征。 混凝土内部的孔隙按孔径大小可分为凝胶孔、毛细孔及介于二者之间的过 渡孔。其中凝胶孔存在于水化硅酸盐凝胶内部，在水泥水化反应过程中形成， 孔径较小，一般为1 5 3 0 a ；毛细孔是水泥一水体系中未被水化产物填充的原来 充水的空间，孔径较大，为2 0 0 0 a 左右；过渡孔则介于二者之间，孔径波动较 大。混凝土内部孔隙特征对抗冻性能的作用主要体现在以下方面： 1 ) 对浆体强度的影响 混凝土自身的强度使之具有抵抗各种内外应力的能力。只有当混凝土所受 到的应力超过了它的极限强度时，混凝士才会发生破坏。其中，水泥浆体的强 度对混凝士抗冻性能影响较大。根据美国人p o w e r s tc 的浆体强度理论：浆体 强度与胶空比成函数关系，胶一空比越小，则浆体强度越商，因而抗冻性能 越好。 2 ) 对孔隙水相变温度的影响 不同孔径的孔隙中水分的相变温差较大。随着孔径的减小，孔隙中水分的 冰点逐渐降低，毛细孔中的水一般为自由水，冰点为0 。c 左右。凝胶孔中的水分， 冰点可达到零下4 0 。c 左右。因此，混凝土内部凝胶7 l 所占比例越大，其抵抗冻 融破坏的能力越强。 3 ) 气泡的作用 内部封闭气泡对提高混凝土抗冻性有重要意义。其一：缓解、消洱内部相 变应力。混凝土内部各种物化作用产生的封闭气泡通过凝胶孔相互联结，进而 形成一个有机的网络体系，当毛细孔中的水分发生液一圃转变时，未凝结的液 态水受冰晶压迫，产生静水压力，水分子以凝胶孔为通道。被挤入气泡内，从 而消除了对混凝土骨架结构的应力。在这里，气泡系统的主要作用是为容纳相 变产生的体积膨胀提供储备，因此有人称之为“储备孔”。需要指出的是，上述 过程是不可逆的，随着冻融循环的不断进行，可发挥储备的气泡数目逐减渐少， 混凝七将发生破坏。其二：阻止裂缝生长。根据端里菲斯的材料断裂理沦，混 凝的抗断裂能力可表示为： o = ( 2 e ，nc r 5 ( 2 1 ) 式中为。断裂应力，占为弹性模量，r 为单位面积的材料表面能，c 为裂缝 长度。 从公式( 2 1 ) 可以看出，混凝士内部裂缝越短，则断裂应力越大，抗断 笙! 兰塑堡堡鱼垩型盟型量堡鳖主苎查丝堂 一一 裂能力越强。微气泡的存在，使混凝土内部裂缝生长须绕过气泡，从而有效阻止 了裂缝生长，提高了混凝土的断裂应力，增强了混凝土的抗冻能力。但如果气 泡粒径太大会导致气泡周围局部应力集中。反而加速混凝土破坏的进程。因此， 在混凝土中引入适量的气泡有利于提高混凝土的抗冻性，但还须重视引气的质 量。 综上所述，决定混凝土抗冻性能的内因在于混凝土的孔隙率及孔隙结构， 其他诸多因素都是通过对以上二者施加影响从而改变混凝土的抗冻性能。 2 2 混凝土改性与外加剂 2 2 1 含气量对混凝土抗冻性能的影响 普通混凝土可抵受5 0 次以下的冻融循环。提高混凝土的抗冻性，可采用 掺入引气剂、减小水灰比、增加水泥用量、选用抗冻性好的集料、保证施工质 量等技术措施。对于含气量小于3 5 的普通混凝上，其水灰比对抗冻性有显著 的影响，水灰比越小，抗冻性越好。但高抗冻要求混凝士单纯依靠降低水狄比 很难达到，而且也不经济。 混凝土拌和物存在为防止冻害所必需的最小气泡体积，此体积相当于砂浆 体积的9 ，w i l l i a ml e r c h 也认为适宜气体含量为拌和物砂浆的9 + 1 ，且j 混 凝土水泥含量或骨料最大粒径无关。当采用拌和物的含气量表示时，所需含气 量大小则随骨料的最大粒径变化而变化。 建筑混凝土施工手册中规定：长期处于潮湿和严寒环境中混凝1 二的最 小含气量如表2 1 。 表2 1 潮湿和严寒环境中混凝十的最小含气量 粗骨料最大粒径( m r a )最小含气量( ) 4 04 5 2 5 5 0 2 0 5 5 第2 章深冷设备基础材料与混凝土基本性能 表2 2 美国推荐混凝土含气量参考表 骨料最大粒径拌合后的含气量振捣后的含气量不掺引气剂的含 ( m m )( )( )气量( ) 1 08 o7 o3 0 1 57 o6 02 5 2 06 05 o2 0 2 55 04 51 5 4 0 4 54 o1 0 5 0 4 o3 5o 5 8 03 5 3 00 3 1 5 03 0 2 5o 2 w i l l i a m l e r c h 认为水泥的成份、细度或水泥用量与混凝上的抗冻性儿乎无 关。要得到较高的抗冻能力，混凝土中必须掺入定的引气剂。某氧气站空分 塔基础抗冻混凝土配合比实例见表2 3 。 表2 3 某空分塔基础抗冻混凝土配合比及抗冻试验结果对比表 胶凝材料 水泥 外加剂水胶比粉煤灰掺量，9 0 天抗冻标号 k g m 3 品种 0 5 2 51 6 05 5f 1 0 钙 中热 0 ，4 81 7 04 5f 4 0 5 2 5 # o 2 5 木钙 o 5 21 5 06 0) f 1 0 0 水泥 + 0 0 1 d h 9 0 4 61 7 06 0) f 1 0 0 出表2 3 可见，未掺引气剂的混凝土抗冻标号最高仅达f 4 0 ，掺引气剂混 凝上尽管粉煤灰掺量增加，抗冻标号均提高到f 1 0 0 以上。 第2 章深冷设备基础材料与混凝土基本性能 2 2 2 外加剂的使用 含气量要对混凝土的抗冻性起作用，所引的气泡必须微小、互不相连、能 稳定均匀地分布在混凝土中。气泡的尺寸通常介于o 0 5 1 2 7 m m 之间。气泡过 大，则容易逸出，不易稳定存在，对抗冻融反而不利。气泡间距是影响混凝土 抗冻能力的关键因素。对于同一强度等级的混凝土，其耐久性系数随气泡的间 距增大而显著降低。西北工业大学张德思等通过试验认为，对于耐久性系数为 9 0 的混凝土，相对于不同的强度等级，其气泡间距可在0 3 3 o 5 m m 之间变 化。 表2 4 抗冻混凝土临界气泡间距指数m m 混凝士强度( m p a ) 混凝土类别 1 52 03 04 05 0 普通混凝土 o 3 50 4 0o 4 5o 5 0o 5 5 粉煤灰混凝土0 3 50 4 00 4 50 5 0o 5 5 表2 4 为张思德等通过试验对气泡间距指数提出的建议值。 引气剂是在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而又各自封闭的 微小气泡的形成剂。这些气泡直径在2 0um 1 m m ，但绝火多数小于2 0 0 um c 把引气剂或引气减水剂加到混凝土中，使混凝土工程的寿命特别是冻融作用一 的使用寿命成倍延长，因而它对混凝土作为一种耐久性的建筑材料起着不可替 代的作用。 2 2 3 引气剂对混凝土其它性能的影响 对混凝土工作性的影响：混凝土中掺入引气剂后，引入大量均匀、稳定而 封闭的微小气泡，在混凝t 中起类似滚珠的作用。使混凝土的流动性大为改善， 提高了混凝土的和易性，减少泌水和分离。 对混凝土抗渗性能的影响：混凝土中引气后总孑l 隙率虽然增加，但抗渗强 度术见降低，似有提高的趋势。可能是这些不连通的封闭气泡阻隔了水的通道， 延缓了水的浸入，从而改善混凝土的抗渗性。 对混凝土强度的影响：引气剂一般都会降低混凝土的强度，对c 2 0 3 0 的 第2 章深冷设备基础材料与混凝土基本性能 混凝土，可降低强度5 1 0 。c 3 0 以上的混凝土，可降低强度2 0 以上。故 掺引气剂混凝土在确定配比时应同时考虑增大配制强度。 2 2 4 外加剂规范 早在1 9 8 8 年，我国就推出混凝土外加剂应用技术规范( g b j l l 9 8 8 ) ， 对1 0 种常用的混凝土外加剂的应用技术。现用的外加剂规范为混凝士外加剂 应用技术规范( g b 5 0 1 1 9 - 2 0 0 3 ) ，该规范对原8 8 规范进行了修订，并适应混凝 土技术的发展，另外增加了缓凝高效减水剂、泵送剂、防水剂、速凝剂4 种外 加剂的应用技术。规范的第四部分就引气剂及引气减水剂的品种、适用范围、 施工进行了阐述。 2 3 混凝土导热性能与试验 混凝土的导热性能较差，在2 0 。c 时，其导热系数仪1 2 8w m k 。导热系数 表示在单位温度梯度下，通过材料单位面积的热流速率，试验试件尺寸 3 0 5 m m 3 0 5 m m 5 0 m m ，养护环境湿度1 0 0 ( 雾室) 、温度2 5 。0 ，成型后带模养 护2 4 h ，到达预定养护龄期3 d 前取出试件置入1 2 0 。c 烘箱连续烘干3 d 后立即测 定，按照恒定热流法测定混凝土的导热系数。 基础内钢筋与设备地脚螺栓用材料的导热系数分别为：钢：3 6 5 4w m k ， 不锈钢：1 7w m k 混凝土导热性能虽然较差，但仅仅以3 0 r a m 厚砼保护层来抵抗低温液体对 基础的冻害远远不够。我们知道，热量传递的快慢取决于两个方面的因素， 一 是物体本身的导热性，另一方面就是高低温差值的大小。深制冷设备基础的温 差属大温差，在5 0 1 5 0 。c 左右，要求隔冷层的导热系数控制在更低的范围内， 故必须进一步采取措施降低混凝土的导热性能。据此温差进行热力学计算，要 达到理想的隔热效果，材料的导热系数应限定在0 2w m k 以下。 为改善混凝士隔热性能，对混凝土的各组成进行分析，砂、石、水泥及水， 其材料本身的导热系数均在1 0 以上，即使减小水灰比，试验得出的导热系数 仍旧著一个数量级。若想将混凝土的导热系数控制在要求的范围内，必须使用 隔热悄二能好的材