XYPEX“赛柏斯”钢纤维抗渗混凝土

在化工炼油项目防止地下水污染措施中的应用

 

王  晛  于  明  张成武  李  涛

 

（中国石油工程建设公司华东设计分公司　中国石油呼和浩特石化分公司）

 

摘要：钢纤维抗渗混凝土是一种有广阔前景的新型材料，本文将结合工程实例阐述其在炼油化工防止地下水污染方面的应用。

 

关键词：水污染　污染区　XYPEX掺合剂　渗透结晶　钢纤维抗渗混凝土

 

引言

地下水污染已经成为当今社会不得不重视的问题，其中由石油和石油化工产品造成的污染是其中的一个主要原因。随着石油的大规模勘探、开采，石油化工业的发展  产品的广泛应用，石油及石油化工产品对于地下水的污染已经成为我国政府环保和各职能部门不可忽视的头等重大问题。

石化装置和其它生产装置一样都不可避免的产生有污染的排放物。正常情况下，生产装置和油品罐区可能发生油品跑、冒、滴、漏即无组织排放，通常达到流通量或贮存量的0.01%，油品中只有少部分挥发进入环境空气中，大部分则可能通过地表渗层进入地表水和土壤中。油品对地下水的污染已经成为环境治理的重点内容，国家环保部在石化项目环境评价时将防止地下水污染做为重点进行评价，以防止和避免各种有害有污染的液体、气体对地下水及空气造成严重污染而造成对地球、对人类生存产生严重危害。

 

一、工程概况

1.“庆阳石化分公司300万吨/年炼油搬迁改造集中加工项目”是为中国石油在长庆油田区域内炼油企业发展经济规模的需要，促进油田和地方经济的协调、和谐、有序的发展，尽快改变庆阳老区落后面貌，变资源优势为经济、社会发展强势，由中国石油天然气投资的一个全厂综合性炼油化工项目。项目包括常压蒸馏，重油催化裂化、催化连续重整（含催化干气PSA）、柴油加氢改质、气体分馏、MTBE、聚丙烯、硫磺回收（含酸性水气提、溶剂再生）、汽油烃重组、联合脱硫等十套装置，以及与之相配套的油品储运、公用工程等辅助生产设施；厂外包括配套的输油管道、供电、供水、固体废物填埋场等工程。

厂址位于甘肃省庆阳市西峰区董志镇，占地面积799998.757㎡，合计1199.9885亩。地处黄土高原，地基土属自重湿陷性黄土，场地湿陷性黄土在水平和垂直方向上分布不均匀，湿陷性黄土的底界埋深为16.0m左右，湿陷等级为Ⅱ级，湿陷程度为轻微～中等的特殊地基土。通过对黄土地基渗透进行试验，测得黄土的渗透量为0.028～0.60m³/d，垂直渗透系数为0.34～7.85m/d，污染物易通过垂直渗透进入到地下水。

2.根据环境保护部《关于中国石油庆阳石化分公司300万吨级炼油搬迁改造集中加工项目环境影响报告书的批复》要求，公司编制了《庆阳项目防止污染地下水措施实施方案》。方案根据可能泄漏物质的性质将污染防治区划分为一般污染防治区、重点污染防治区和特殊污染防治区。

——污染防治区是指在生产过程中有可能发生物料、化学品或含有污染物的介质泄漏至地面的区域，主要包括生产装置区、物料储罐区、汽车装卸区、酸碱站、化学品库、污水处理场、废物临时储存区等；

——一般污染防治区是指无毒性或毒性小的生产装置区、物料储罐区、装置区外管廊及气态产品装车区等；

——重点污染区是指危害性大、毒性较大的生产装置区、物料储罐区、化学品库、液态产品装卸车区等；

——特殊污染防治区主要包括各种污水收集池、储存池等区域。

二、材料选用

1.对于污染区的结构防渗，传统的做法一般采用固废填埋场的处理方案，在污染区地下铺设HDPE（高密度聚乙烯）土工防渗膜。土工防渗膜在国外应用超过50年、国内达40年，由于HDPE膜具有极低的渗透性能（工程上为非透水材料，水蒸气渗透系数＜10-13cm/s）；优异的抗化学性能（耐酸、碱、油脂、盐等）；优异的耐老化性能（可达＞80～100年）等优点，可较好的起到防渗作用。

但是土工膜的最大缺点是抗穿刺性较差，特别是我国工程回填土里面含有工业垃圾、铁、玻璃、陶瓷等尖锐的东西，在填埋过程中由于机械的碾压很容易使土工膜破损，从而造成防渗层的损坏而失去效果。而且对于炼油化工装置，由于地下基础占据整个装置面积的30%左右，基础底标高不统一，加之地下线管线错综复杂，如采用HDPE膜的防渗方案，施工实施难度极大，很多高低不平等因素，无法保证施工质量。HDPE膜费时费工费力且工程投资很大。

2.为确保工程防渗质量，节约工程投资，通过借鉴国内外一些先进的设计理念和设计方案，结合石油化工装置自身的特点，决定利用装置的现有混凝土地坪，采用地表防渗的办法。地表防渗的方法是：通过改良地面混凝土，在混凝土中掺入XYPEX掺合剂和钢纤维使其成为钢纤维防渗混凝土，替代HDPE膜，来达到工程防渗、防腐、防易燃及环保要求。

由于环保部要求防渗材料的渗透系数≤10^-12cm/s。普通添加剂根本无法达到要求。经过多方咨询考察，采用XYPEX的掺合剂作为防渗混凝土添加剂，完全能够满足环保部门防渗要求，掺合剂的性能指标见表1。

XYPEX“赛柏斯”产品是用加拿大XYPEX化学公司以硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、石英砂等为基材，掺入活性化学物质混配而成的粉末状防渗材料，是一种以渗透结晶方式为主、环保型、无机的催化剂功能性材料。掺合剂与混凝土混合搅拌后，经过催化原理在混凝土中形成枝蔓状的结晶体，填塞毛细孔道，从而使混凝土内部变得更加密实、防渗。其线性膨胀系数与混凝土基本一致，防渗年限基本与混凝土结构的寿命相同，具有增强混凝土强度和耐久性延缓混凝土的碳化过程，阻止钢筋锈蚀的功能。对于混凝土结构出现的裂缝遇水后有自我修复的能力，如果混凝土产生裂缝，遇到水又可以二次、三次等多次产生结晶，封堵裂缝，故其防渗作用是永久性的。

 

表1　掺合剂性能指标一览表

 

未经处理的混凝土，可以看到在切面照片上呈现的氢氧化钙立方体和菱形六面体的胶凝体和微粒。如下图：
 

     

添加XYPEX“赛柏斯”掺合剂的混凝土，在28天后，可以看到混凝土的毛细管中已经生成了致密的、充分发展的结晶体结构，因此能长期承受强大水压及各种液体的侵蚀。

经检测XYPEX“赛柏斯”掺合剂对于各种液体有很好的防渗能力，渗透系数达到与HDPE膜相同等级的10^-12cm/s。

通常在大面积混凝土地面浇注、养护及使用过程中的很容易开裂，为此我们的做法是采用在混凝土中掺入XYPEX“赛柏斯”掺合剂再掺入钢纤维。连排钢纤维抗拉强度高（大于1000Mpa），增加混凝土的抗冲切、抗剪切能力，两端弯钩可保证钢丝和混凝土之间的最佳锚定，有效地传送和分配应力，控制裂缝，且钢纤维使用水溶性胶水粘结成排，见水速溶，使纤维搅拌均匀，与混凝土XYPEX“赛柏斯”掺合剂使钢纤维起到很好的不锈蚀作用。

3.综合考虑国内外一些成功案例，为提高工程质量，又尽可能的节约投资，特制订了钢纤维抗渗混凝土配合比如下：

①钢纤维抗渗混凝土地面“掺合剂”参考掺入量：

120mm厚的混凝土掺量：1.5%

250mm厚的混凝土掺量：1.0%

注：掺量是以混凝土中胶凝材料（水泥、粉煤灰、矿粉）总量的百分比计算。

②防渗钢纤维混凝土中“钢纤维”参考用量：（SD75长度60mm，直径0.75mm）

重点防治区域为20kg/m³

特殊防治区域为20kg/m³

一般防治区域为16kg/m³

注：以上用量为每立方混凝土用量。

为验证其防渗效果及检测“XYPEX”钢纤维混凝土的材料性能，按上述配比在庆阳项目工地现场进行了实验。实验采用C30混凝土10m×6m厚度为120mm，和C30混凝土5m×6m厚度250mm等两组。混凝土配合比如下表：

表2　C30混凝土8m³（用于120mm厚试块）

 

表3　C30混凝土8m³（用于250mm厚试块）

 

经28天养护，取样（各取Φ185×175、Φ175×150样品各两组，一组用来检测防渗性能，另一块用于检测抗震、抗裂性能）送北京市建筑材料质量监督站检测，结果抗渗系数分别为6.47^-13cm/s、4.99^-13cm/s满足要求。

三、污染区防渗做法

1.一般污染防治区采用灰土垫层与现浇防渗钢纤维混凝土面层（混凝土防渗等级不小于S6，混凝土S6级渗透系数为0.419×10^-8cm/s）。

   2.重点污染防治区装置区地面防渗采用现浇防渗钢纤维混凝土层（渗透系数不大于1.0×10^-12cm/s）。

 

 

 

 3.特殊污染防治区池体防渗做法采用混凝土池体采用防渗XYPEX“赛柏斯”钢纤维混凝土（渗透系数不大于1.0×10^-12cm/s），池体内表面刷防渗涂料面层（渗透系数不大于1.0×10^-12cm/s）。

 

 

 

 

 四、工程施工

由于炼油化工项目的施工特点，各装置单元施工周期长短不一，钢纤维抗渗混凝土的施工历时5月，共浇筑XYPEX“赛柏斯”钢纤维抗渗混凝土38920.92m³。共检测160余组工程试块，所有试块的各项指标均满足要求。

五、结语

1.XYPEX“赛柏斯”钢纤维抗渗混凝土为国内炼油化工项目首次采用材料，2010年投入使用，经1年多跟踪观察抽样检测，地面及水池未出现裂缝、表皮脱落和爆裂现象，各项指标测试合格。不仅起到防渗作用，同时大大提高了地面的抗冲击、抗切性及耐磨性和抗疲劳强度。延长了混凝土的使用寿命，节约地面的维修维护费用。

2.经比较，采用XYPEX“赛柏斯”钢纤维抗渗混凝土做防渗材料比传统的防渗材料节约投资约30%，大大降低了防止地下水污染的措施费用。为其他炼油化工项目提供了一个可借鉴的案例。

3.地下水污染是由于人为因素造成地下水质恶化的现象，我国地下水体的保护、安全情况并不乐观，污染比较严重。随着国家对环保的日益重视，民众对环保意识的觉醒，防污治理已成为重中之重。XYPEX“赛柏斯”钢纤维抗渗混凝土作为一种新型的防渗材料有着广阔的应用前景。

 

王  晛（1968.7--）汉族，工程师，扬州大学工学院，在中石油工程建设公司华东设计分公司一直从事结构工程设计。

于  明：（1962.10--）满族，工程师，华北石油理工大学，中国石油呼和浩特石化分公司，多年从事化工炼油项目建设，HSE管理工作。

张成武：（1964.2--）汉族，工程师，中国石油大学毕业，中国石油庆阳石化分公司，多年从事化工炼油项目建设，QHSE管理工作。

李  涛（1956.5—）汉族，工程师，长春理工大学。