杜拉纤维在焦炭塔大厚板抗裂中的应用

　　摘要：延迟焦化装置焦炭塔框架大厚板为大体积混凝土结构，浇注过程中产生较大的内外温差，焦炭塔生产过程中会出现反复的温度变化，两者是大厚板开裂的主要原因。通过在混凝土中掺入杜拉纤维，有效地解决了温度变化、干缩、塑性收缩引起的混凝土大厚板开裂问题。

　　关键词：焦炭塔 大厚板 混凝土 裂缝 杜拉纤维

　　1、工程概况及特点

　　中石化股份有限公司金陵分公司160万吨/年延迟焦化装置是目前亚洲最大的焦化生产装置。该装置的主要反应部分是两台焦炭塔，焦炭塔塔高约42m，直径9.4m，由厚25-40mm15CrMo合金钢板焊接而成。由中石化洛阳工程公司设计。

　　焦炭塔坐落在两层钢筋混凝土框架上，六根框架柱柱高19.3m，柱截面为1.8m×1.8m、每层框架的面积为13.2m×24.6m，二层框架平台板厚2.4m，板中开有两个直径为7.8m的孔洞，每个孔洞旁设置24个M56螺栓用于固定焦炭塔裙座。

　　焦炭塔框架顶层钢筋混凝土板厚2.4m，混凝土方量大约为450m3，属于大体积钢筋混凝土结构。每个焦炭塔自重约300t，生产时最大垂直荷载约2000t.焦炭塔安装就位后须对复合钢板进行热处理，热处理时温度高达690℃，正常生产时塔内最高温度高达500℃.焦炭塔外壁虽有保温层，但在裙座底部及塔底盖附近保温层很难覆盖严密，使得焦炭塔底座附近混凝土的辐射温度高达95℃.

　　据有关资料，山东某石化公司延迟焦化装置焦炭塔框架混凝土板共出现160多条裂缝，其中裂缝宽度0.3-0.32mm有4条，0.15-0.25mm有23条，0.15mm以下的133条。这些裂缝主要沿孔内侧周边分布，并由板孔下角向外发展，裂缝在最小断面处最多，板的外侧裂缝均在板的中部，裂缝宽度呈中间大两头小。此种裂缝的出现会引起钢筋锈蚀，混凝土碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。湖北某炼油厂延迟焦化装置焦炭塔框架顶层钢

　　筋混凝土大厚板也出现类似情况。

　　2、厚板温度裂缝成因及纤维抗裂机理

　　混凝土温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大的结构中。焦炭塔框架顶层钢筋混凝土板为大体积混凝土结构，此类结构混凝土浇筑后，硬化过程中水泥水化产生大量水化热。当水泥用量在350-550 kg/m3，每m3混凝土将释放出17500-27500kJ的热量，从而使混凝土内部温度升达70℃左右甚至更高。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。实践表明当混凝土本身温差达到25℃-26℃时，混凝土内便会产生大致在10MPa左右的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝。此外，根据金陵分公司160万吨/年延迟焦化装置的生产工艺要求，每个焦炭塔每24h完成一炉焦炭的生产，两个焦炭塔交替生产，也就是说焦炭塔底座附近混凝土每24h就会由正常的室外温度迅速上升到95℃左右。这样也会在混凝土内外产生较大温差。

　　由此可见，如果不采取特殊措施，混凝土内外温差会引起焦炭塔框架顶层钢筋混凝土大厚板开裂。为此采用在混凝土中加入纤维的方法来解决厚板开裂的问题。

　　当在水泥基材料中掺入纤维后，由于此时表层材料中存在纤维材料，使得其失水面积有所减少，水分迁移较为困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减少。同时，依靠纤维材料与水泥基之间的界面吸附粘结力、机械啮合力等，增加了材料抵抗开裂的塑性抗拉强度，从而使材料表层的开裂状况得以减轻，甚至消失。

　　有关试验表明当纤维加入量为混凝土体积的0.1%左右时，混凝土抗拉强度不会提高很多，但掺入少量的聚丙烯纤维可以促进混凝土抗拉性能后期强度的持续增长，这是一种纤维的补强效应而非增强效应，纤维抑制混凝土裂缝产生是由于纤维的阻裂效应。对于混凝土这类内部原来有缺陷的材料，其开裂强度可因混凝土内加入纤维后，混凝土的韧性增大、裂缝尺寸减少或裂缝尖端应力集中系数降低而得到提高。

　　3、杜拉纤维混凝土在厚板中的应用

　　中石化股份有限公司金陵分公司160万吨/年延迟焦化装置焦炭塔框架二层混凝土大厚板采用了杜拉纤维混凝土的工艺，目的是阻止或减少混凝土大厚板中裂缝的出现。杜拉纤维(DURAFIBER)是一种经过特殊生产工艺处理的高强聚丙烯单丝纤维。它的表面处理技术确保纤维在水泥浆中具有极佳的分散性，在搅拌过程中不结团;纤维与水泥基体有良好的粘结强度。杜拉纤维的长度为19mm，纤度19D，比重为0.91，抗拉强度为276 MPa(与1#钢相近)，弹性模量为3793 MPa，拉伸极限为15%，对酸、碱都有极强的抵御能力。杜拉纤维经过特别的抗紫外线处理，具有一定的抗紫外线老化能力。杜拉纤维加入混凝土中采用常规搅拌设备搅拌，只要略延长搅拌时间即可均匀分布于混凝土中。

　　3.1 混凝土原材料选择

　　(1) 水泥。采用南京江南粉磨有限公司生产的P.O 42.5水泥，细度为0.60%，3d抗折强度为5.8 MPa，3d抗压强度为24.4MPa，初凝时间为2h30min，终凝时间为3h35min.

　　(2) 粗集料。采用汤山采石场的5-25mm碎石，泥含量为0.5%，泥块含量0.1%，针片状颗粒8.0%，压碎值7.2%，密度2530kg/m3，松散体积密度1593kg/m3，空隙率37.2%.

　　(3) 细集料。采用无为砂场的中粗砂，泥含量为0.5%，泥块含量为0.3%，细度模数为2.5，级配区为п级，密度2630kg/m3，松散体积密度1550kg/m3，空隙率41%.

　　(4) 外加剂。采用南京江南粉磨有限公司生产的NF-15混凝土外加剂。

　　(5) 活性拌和物。采用南京热电厂的粉煤炭。

　　(6) 合成纤维。采用美国希尔兄弟化工公司生产的杜拉纤维。

　　3.2 混凝土配合比

　　3.3 混凝土搅拌与浇捣

　　浇筑大厚板所用的杜拉纤维混凝土由南京长江二桥混凝土有限公司供应。两台2m3的搅拌台负责搅拌杜拉纤维混凝土，搅拌时间为180s，杜拉纤维事先经过分装(每袋1.6 kg)由搅拌台加料口直接加入搅拌机搅拌。

　　采用两台混凝土泵车从焦炭塔框架两对角位置同时进行浇注。由于钢筋数量太密，混凝土振捣困难，故采用四台混凝土振动泵同时振捣，振捣时间不少于40s.杜拉纤维在混凝土中分散均匀，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。这是因为杜拉纤维的总表面积很大，表面吸附水，因此纤维的加入会增加拌和料的粘稠度，降低坍落度。

　　金陵分公司160万吨/年延迟焦化装置已于2004年12月20日交付使用，12月30日出合格产品，连续生产三个多月后通过对大厚板的多次检查，未发现明显裂缝，达到了预期效果。

　　4、杜拉纤维混凝土施工要点

　　(1) 杜拉纤维的加入会增加拌和料的粘稠度，降低混凝土坍落度。如发现浇筑困难，一般不应通过增加用水量来改善混凝土性能，而应采用加入塑化剂或减水剂的方法。

　　(2) 界面效应对杜拉纤维混凝土的性能有不利影响。虽然纤维-基材界面尺寸很小，但杜拉纤维细度高、比表面积大，即使纤维的掺量较低，也能在混凝土中获得很大的纤维-基材界面。由于杜拉纤维不亲水，纤维—基材界面往往具有比基材更高的水灰比，这将造成纤维-基材呈弱界面效应，对混凝土强度不利。应在混凝土中加入粉煤灰等活性混合材料改善纤维混凝土的界面性能。

　　(3)杜拉纤维在使用前应按照纤维的加入量和混凝土搅拌机的容量，事先进行分装，以保证纤维加入量的准确。在砂、石、水泥和水等混凝土材料搅拌均匀后，从搅拌台加料口直接加入杜拉纤维，并适当延长搅拌时间(1-2min)。切不可将杜拉纤维直接放入混凝土运输车内，以免影响纤维在混凝土中的分散。

　　(4) 应派专人对杜拉纤维的加入及混凝土的搅拌过程进行全过程监督。一般商品混凝土厂的搅拌台粉尘污染较为严重，工作环境恶劣，加入纤维的操作工人多为临时雇用的临时工，人员素质不高，少加、漏加、多加的现象时有发生。因此必须对整个纤维混凝土的生产过程进行有效监督，从而保证杜拉纤维混凝土按设计要求和规范标准生产。

　　(5) 应选择距离施工地点较近且运输道路畅通的商品混凝土厂。为保证杜拉纤维混凝土的质量，混凝土由搅拌站运至施工工地的时间不宜超过30min，否则杜拉纤维宜在混凝土运至工地后再加入，并搅拌均匀。

　　(6) 杜拉纤维的加入使得混凝土的稠度有一定提高，同时现场施工时也应延长混凝土的振捣时间，以保证纤维混凝土的密实。相关试验数据显示，当纤维掺量为0.9kg/m3时，振动时间延长至40s，强度与基准混凝土的强度值接近。

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