C50P8F200 超低温混凝土的应用与试验研究

前言

混凝土目前已在建筑、市政、工业等各类工程中广泛使用，随着“双碳”战略推进，LNG 储罐建设规模持续扩大。液化天然气在-165℃以下冷凝成液体，超低温混凝土（-165℃服役环境）需同时抵抗高压应力、 165^∘C 温差梯度及冻融循环的复合破坏效应。在长期冻融作用下，混凝土的损伤不断加剧，其强度和变形也将受到影响，这对混凝土的质量要求非常严格，因此，从混凝土生产到浇筑成型的每一个环节，控制混凝土裂缝、防止开裂，确保混凝土质量尤为关键。其技术难点不仅在于强度与抗渗抗冻等级，更需解决早期温升裂缝控制与长期低温韧性维持的矛盾。

本文基于唐山 LNG 天然气储罐项目所用混凝土进行探讨，研究超低温混凝土的工作性能、和易性、混凝土温度及抗压强度及抗冻融等性能。通过材料优选、配合比动态调整及全过程温控，构建了一套可复用的超低温混凝土质量控制体系，为同类工程提供技术范式。

本工程简介，承台：半径45m、厚1.4m，混凝土量 8900m³ ，属于大体积混凝土，按照施工方案将承台分为 5 个区，采用跳仓法施工。储罐墙体高 43. 12m ，分十一层浇筑，标准层 3.92m ，墙体厚度 0.7m ，单个储罐墙体混凝土量 8374m³ 。承台和墙体混凝土强度等级均为C50，抗渗等级为P8，抗冻等级为F200。

一、原材料选取

水泥：选取唐山冀东水泥有限公司 P.O42.5 水泥，满足 GB175-2007 及GB51081-2015 规范中的相关指标要求，其主要性能指标见表1

粉煤灰：选用大唐同舟F 类II 级粉煤灰，其性能符合GB/T1596-2017 规范中F 类Ⅱ级粉煤灰的技术指标，其主要性能见表2

矿粉：选用曹妃甸石砼 S95 级矿粉，其性能 GB/T18046-2017 规范中 S95 级的指标要求， 矿粉比表面积不小于 400m³/Kg ；活性指数28d 不小于 95%

粗骨料：唐山滦县砂石厂，碎石产品符 JGJ53-2006 规范中相关的技术要求；最大粒径为 20mm 的连续级配 ; 含泥量 ⟨0，5% ; 泥块含量为 0; 氯离子含量⟨0.01% ; 碎石针片状颗粒 <10% （严于国标 15%% ），且不得混入风化颗粒；增强骨料嵌锁作用以抑制冻胀变形。坚固性（ 质量损失） ⟨8% ; 压碎指标 ;

细骨料：唐山滦县砂石厂，材料符合 JGJ52-2006 规范中相关的技术要求；必须是天然河砂 ， Ⅱ区中砂，细度模数为 2.3～2.8 ; 含泥量 ⟨2.0% ; 泥块含量 ⟨0，5% ; 天然河砂的氯离子限值（ <0.02% ）规避钢筋锈蚀 ; 坚固性 （ 质量损失 ） ⟨8% ;

外加剂：选用曹妃甸区明晨建筑材料有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，设计掺量≤ 2.5%，产品应具有缓凝、减水和少量引气的复合功能；符合GB8076-2008 中的技术要求；新拌混凝土的坍落度1h 经时损失小于 20mm ；混凝土中的含气量在3. 0～5 .5% 之间；与现场使用的水泥适应性应良好；

膨胀剂：选用天津市金盛源有限公司生产的 JS-CMA，Ⅱ型型膨胀剂，设计掺量为 6～8% ，产品对混凝土应具有一定的补偿收缩功能；符合 GB/T23439-2017 中的技术要求；与现场使用的水泥适应性经试验应良好；

二、生产配合比确定与调整

超低温 C50P8F200 混凝土配合比委托具有资质的第三方试验室出具，配合比设计原则：水泥与掺合料的协同效应：P.O42.5 水泥的高 C₃S 含量（ ）保障早期强度，但水化热风险突出。F 类Ⅱ级粉煤灰（需水量比 103% ）与 S95矿粉（比表面积≥ 400m²/kg ）以双掺技术（总掺量 30% ）实现三重优化：

（1）降低水化热峰值 20% 以上；

（2）改善浆体密实度，减少可冻结水含量；

（3）提升 Ca（0H）₂ 转化率，增强低温界面粘结力。

混凝土原材料生产厂家及产品规格型号必须与第三方试验室出具的混凝土配合比中描述的一致，理论配合比见表 3，水胶比 0.31，砂率 40% ；根据理论配合比，首先要在实验室进行试配，对外加剂掺量、用水量进行微调，并检测混凝土坍落度、扩展度、含气量、坍落度经时损失等指标，调整至各项指标均满足要求后，制作三组以上标准试件检测抗压强度，以消除误差。当某种材料指标出现明显变化时，应先在实验室进行试配调整，满足要求后，才能使用，按照试配结果，开盘前根据砂石含水率实时调整生产配合比，例如：砂子含水率 4% ，石子含水率 0% ，生产配合比见表4。

三、生产过程质量控制

1、原材料质量控制

原材料的质量和稳定性是混凝土生产质量稳定的基础，首先要编制完善的混凝土原材料进厂管理制度，其质量控制过程必须严格按照质量管理制度执行。材料进场首先核对材料质量证明文件，品种、规格、型号，进行外观检查，然后按照规定的抽检频次取样抽检，进行快速检测，快检合格后方可入库。粉煤灰、膨胀剂和外加剂进场每车进行检验，砂、石骨料同一批次按每 600t 进行抽检，矿粉同一批次按每 200t 进行抽检，水泥同一批次按每 500t 进行抽检，并进行复检。其次，原材料进厂存储和堆放合理，分仓存放，严禁混杂，各种材料标识牌应清晰标明材料名称、数量以及检验状态。

生产前测定所使用的砂石骨料含水率，检验结果及时通知生产人员，并对上料工人、生产操作人员进行交底，防止骨料料仓材料与配合比不一致。

2、生产过程质量控制

为确保混凝土连续供应，在开盘生产前合理安排生产人员，根据运输距离以及浇筑速度，合理安排罐车、泵车数量，规划好运输线路等情况，满足现场施工要求后才能进行开盘生产，确保混凝土连续浇筑；核对混凝土原材料使用、料仓投料顺序、混凝土配合比、生产计量、搅拌时间等参数设置，每盘搅拌时间要求不低于 90s，保证混凝土拌合均匀性；操作人员要根据搅拌机电流和视频监控系统实时监控混凝土的质量情况，应特别注意搅拌机的电流表。若电流高，则料稠 ; 若电流低，则料稀。出现异常情况及时向质检人员汇报，共同查找原因并进行调整。混凝土出厂检验是生产的重要环节，需加强管理，当一车生产完成后，要通过罐车后料斗观察整车混凝土状态，主要检验混凝土的坍落度是否满足要求，拌合物是否均匀，粘聚性和保水性如何，并将检验结果反馈到拌合楼操作员和试验员。必要时应当每车均检测工作性。检查合格后方可出厂，杜绝不合格品出厂现象。

当施工现场混凝土坍落度出现明显变化时，必须及时进行配合比微调，微调后能够确保出厂混凝土施工性能符合施工要求。泵车操作员和现场人员发现混凝土坍落度太小或者离析等非正常现象，必须立即停止泵送并通知搅拌站查明原因。严禁将润管砂浆打入结构部位模板内。混凝土浇筑时，严禁往混凝土里加水。

采用混凝土企业运营管理系统，实现生产过程数字化、信息化、智能化。从而加强对混凝土生产的管理控制，从原材进场，到混凝土生产控制完工结算，清晰准确的掌控生产的每一个环节，使搅拌站管理更清晰明确，生产任务、车辆情况、原材储备一目了然，减少人力物力，方便生产管理。混凝土生产过程中减少中间传递环节，有效减少和杜绝错误产生，提高生产效率。使用 GPS 系统可以直接有效的反应车辆的使用情况、现场车辆的等待情况，控制混凝土发车速度，杜绝压车时间问题。

3、机械设备管理

制定预拌混凝土生产应急预案。例如，当生产过程中一条生产线设备发生故障时，应立即进行抢修，另一条生产线应持续生产，确保混凝土浇筑的连续进行。平时工作人员要做好关键设备的保养维护工作，如设备零件损坏，应及时更换。定期组织专业人员对搅拌楼的计量器具进行检查。每次混凝土开盘前，搅拌站的机械维修工、电工及搅拌机操作员必须对搅拌楼设备、运送车辆及泵车进行检查，只有在机械设备、运输车辆及泵车处于正常状态下方可进行混凝土生产。

混凝土罐车装运混凝土时，罐车内不得有积水，必须先放干净。混凝土在运输过程中应保持混凝土的均匀性，避免分层离析、泌水等现象发生。混凝土搅拌车必须准确无误运输至指定的施工地点，必须随车带着《预拌混凝土交验单》，严禁送错施工地点和施工部位。

对掺加外加剂的混凝土：当气温 >25^∘C 时，混凝土搅拌车必须在 120 分钟内运输至指定的施工地点并开始浇筑；当气温≤ 25℃时，混凝土搅拌车必须在150 分钟内运输至指定的施工地点并开始浇筑。

4、混凝土温度控制措施

混凝土水化热主要集中在浇筑后的早期，对硅酸盐水泥主要集中在浇筑后的 1～ 3d，在此期间由于水化热的累积，使混凝土的温度急剧上升形成所谓的升温阶段，出现了温度峰值 （ 一般出现于浇筑后 24～48h） 。因此，对于 LNG储罐承台大体积混凝土，为防止温度裂缝的产生，延缓混凝土放热峰值时间，控制混凝土初期温度尤为重要。如采用智能化温控系统：

（1）预冷技术升级：

首先尽量选择夜间气温较低时段进行浇筑，水泥、矿粉等粉料提前 7 天备料入罐冷却降温，砂石料仓增设“雾炮 + 负压通风”双模降温系统，骨料温度稳定在25℃以下；

拌合水采用动态冰水混合装置（水温 ⩽5^∘C ），通过 PID 算法实时调节冰水比例。

（2）运输过程监控：

罐车加装北斗定位 + 温湿度传感器，数据实时上传至云平台，超温（ > 30℃）自动触发罐体喷淋；

建立浇筑时序模型，依据运输距离、交通状况优化发车间隔，确保混凝土停留时间 <120min （25℃以上环境）。

（3）大体积混凝土温峰调控：

承台埋设分布式光纤测温系统，监测显示内部最高温 62.3^∘C ，内外温差＜22℃（规范限值 25°C ）；

采用低热水泥 + 缓凝型减水剂组合，将温峰出现时间延迟至浇筑后 56h，规避温度应力集中风险。

5、试验管理

建立详细的混凝土生产供应管理台帐，混凝土原材料和出厂混凝土抽样检测管理台账。质量管理必须注重溯源性管理，生产过程要保存完整的过程记录，对生产过程中出现不合格指标时可以追根求源，必须整改并改进。

影响混凝土强度的主要因素是水胶比，因此必须严格控制施工用水量。试验室必须对每一次生产进行开盘鉴定（开盘鉴定资料随第一车混凝土带到现场），会同总包及监理人员见证开盘鉴定过程，并对开盘第一盘（或者第一车）的混凝土进行出厂检验，验证混凝土工作性能、和易性，检验合格后方可出厂。例如某次抽检结果如表 5 所示，混凝土的坍落度、扩展度以及含气量均满足设计要求，1.5h 后损失较小，工作性能良好，满足要求。待生产稳定后，每生产100m³ 取样抽检一次，并制作 150mm*150mm*150mm 标准养护试块，拆模后放置在标准养护室进行养护，检测 7d、28d、56d 强度。混凝土到施工现场后，在浇筑点进行混凝土坍落度、扩展度及入模温度检测，必须满足 190±30mm 的要求且确保能够顺利浇筑到结构部位中。

6、混凝土抗压强度分析

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019 和《混凝土强度检验评定标准》GB50107-2019 标准要求，本文选取了一个天然气储罐的承台及墙体混凝土抗压强度进行统计分析，判定混凝土强度的增长及稳定性情况，以便更好的控制混凝土质量。混凝土强度评定表见表 6，混凝土稳定性分析见图1、图2、图3，混凝土强度增长曲线见图4。

由表 6 可以看出，28d 强度平均值 58.5Mpa，大于 54.3Mpa ， 达到设计强度的 117%，最小值大于 42.5Mpa ，强度评定结果符合要求，判定结果为合格；7d强度平均值 47.0Mpa，达到设计强度的 94% ；56d 强度平均值 62.5Mpa ，达到设计强度的 125% 。

图3 C50 混凝土56d 强度正态分部曲线

由图 4 可以看出混凝土抗压强度在前 7d 增长了 47Mpa，增长速度最快；7d-28d 内增长了 11.5Mpa，增长较快；28d-56d 天增长了 4Mpa，28d 之后强度增长逐渐减慢。符合混凝土水化反应规律。

C50混凝土强度增长曲线

图4 C50 混凝土强度增长曲线

抗压强度是评价混凝土质量的关键指标，因此需要定期对其进行分析，以便能及时发现问题，当抗压强度出现异常变化时，要进行溯源，查找原因，并制定解决措施，确保混凝土质量稳定。

7、混凝土抗冻融试验分析

生产过程中随机取样制作3 组 100mm*100mm*400mm 抗冻融试件，每组3 块，标准养护 28d，采用快速冻融试验机对 C50P8F200 混凝土进行快速冻融试验，28d 龄期试件试验结果如表7 所示。

表 7 快速冻融法试验结果

由以上实验数据可以看出，快速冻融试验（200 次循环）显示，质量损失率（1.9%）与相对动弹模量（82.2%）虽满足 F200 要求，但从微观 SEM 分析揭示：

气泡结构参数是关键：含气量 4.6% 时，气泡间距系数 ⩽200μm （国标要求 ⩽250μm; ），形成连续缓冲空间抵抗冰晶膨胀；

界面过渡区（ITZ）强化：矿粉二次水化产物填充骨料 - 浆体界面微裂缝，冻融后ITZ 宽度从 3.2μm 降至 1.8μm. 。

长期服役建议：

增设引气剂冗余设计（含气量波动范围3. ），应对极端温度波动；

56d 强度验收值提高至 62.5MPa （设计值 ），补偿低温环境下强度折减。

四、结束语

综上所述，超低温预应力混凝土相较于普通混凝土的生产，对质量控制更加严格，从混凝土原材料进场，到搅拌生产出厂，浇筑成型，每一个环节都不容忽视，需要各个环节紧密配合，合理安排生产，严格控制原材料质量，混凝土出厂检验，保证混凝土的连续供应，同时通过多种措施控制混凝土出机和入模温度，并定期总结分析混凝土强度及稳定性，通过粉煤灰 - 矿粉 - 膨胀剂三元复合体系，实现工作性、温控性与耐久性的协同提升。

另外，在混凝土施工方面，如储罐承台大体积混凝土跳仓法施工，浇筑振捣、养护措施、混凝土内外温差的控制等，也是混凝土质量控制的重点，应加以重视，才能确保超低温混凝土的最终成型质量。

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