不同超低溫作用工況混凝土受拉受壓強度間關系試驗研究

時旭東 崔一丹 韓源海

(清華大學土木工程系 北京 100084)

1 引言

隨碳達峰、碳中和等戰略的提出和綠色低碳理念的落實,天然氣作為低碳型綠色清潔能源在一次能源消費結構中所占比例持續地上升[1]。目前通常采取低溫常壓方式將天然氣置于約-165 ℃的超低溫環境中液化存儲,混凝土則成為建造大型液化天然氣(LNG)儲罐結構的基本材料[2]。實際工程中的LNG儲罐類混凝土結構既要確保其安全度,又要避免混凝土開裂以滿足其運行過程中的密閉功能。由于此類混凝土結構所處的實際超低溫環境較為復雜且多變,其結構中不同位置的混凝土必然會處于受壓、受拉等多種受力狀態。因此,對不同超低溫作用工況下混凝土受壓、受拉強度間及其離散性間關系進行研究具有實際工程應用價值。

目前已有一些學者對超低溫作用下混凝土的力學特性進行了研究[2-10],但多僅針對作用的低溫以及混凝土的含水率和強度等級等因素、較少涉及到不同的超低溫工況對混凝土強度的影響[7-10],且也多僅關注單因素[7-8]或多因素耦合作用下[9-10]混凝土受拉強度或受壓強度等單一力學指標的變化特性,而對如混凝土超低溫下受壓與受拉強度間關系等情況研究很少。故有必要在這方面進行探討。

本研究將基于LNG 儲罐結構中混凝土的實際超低溫環境情況和已有的相關研究結果,通過試驗考察典型工況下混凝土受拉、受壓強度及其離散性的變化情況,探討不同超低溫作用工況對混凝土受拉、受壓強度間及其離散性間關系的影響,以便為LNG 儲罐類混凝土結構設計和安全性能評估提供依據。

2 試驗概況

2.1 試驗內容及其試件

考慮LNG 類儲罐結構混凝土實際可能遭遇的超低溫環境情況,這里選取-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃、-160 ℃及-190 ℃共5 種具有代表性的作用溫度,并分為超低溫時以及兩種較為極端的經歷超低溫再回至常溫方式即直接和以較為緩慢的速率(1 ℃/min)回至常溫時共3 種工況進行加載,以探討不同超低溫作用工況下混凝土受拉、受壓強度間及其離散性間的關系。

試驗試件均為同批澆注的邊長100 mm 的立方體,混凝土的設計強度等級均為C50、配合比為水泥∶礦粉∶粉煤灰∶砂∶石∶水∶外加劑=1∶0.1∶0.1∶2.07∶2.43∶0.36∶0.017。其中,水泥為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥,摻合料為S95 級礦粉和Ⅱ級粉煤灰,粗骨料為粒徑5—16 mm 連續級配碎石,細骨料為河砂、中砂,外加劑為聚羧酸高性能減水劑。

本次試驗的內容及其試件編號如表1 所示。試件編號中,C1 或C2、C3 分別對應于常溫降至給定超低溫以及常溫降至給定超低溫后直接回至常溫和以1 ℃/min 勻速地回至常溫3 種溫度作用工況,這里相應地簡稱為工況1、工況2 和工況3;TS 或CS 分別表示進行受拉和受壓強度試驗,緊隨TS 或CS 的數字表示作用的超低溫溫度值;而最右側的數字則表示相同工況和超低溫溫度下混凝土受拉或受壓強度試驗試件的順序號?；炷脸蜏厥芾褪軌簭姸认嗤r和超低溫溫度下均分別取5 個和4 個試件進行試驗以考察其離散性。

表1 試驗內容及其試件編號Table 1 Test content and specimen number

2.2 試驗裝置和試驗流程

本試驗的試驗裝置包括超低溫作用系統、加載系統以及量測系統等。其中,超低溫作用系統包括超低溫試驗爐及其制冷劑儲存罐等,加載系統為與超低溫試驗爐相配套的加載試驗機,量測系統則為與加載系統配套的量測裝置。

根據已有的混凝土低溫溫度場研究結果[11],為避免降溫速率過快造成混凝土內部結構損傷,所有工況的試驗采用1 ℃/min 速率降溫至給定超低溫。為消除降溫至給定超低溫值時試件內部溫度因混凝土的熱惰性分布不均勻,所有試件達給定超低溫時均恒溫6 h。其中,工況1 對應于由常溫降至給定超低溫再恒溫6 h 然后直接加載;工況2 對應于先降至給定超低溫并恒溫6 h,然后從超低溫試驗爐內取出試件裝入密閉塑料膜包裹袋至常溫下48 h 后再加載;工況3 對應于先降至給定超低溫并恒溫6 h 后再以1 ℃/ min速率回至常溫,然后從超低溫試驗爐內取出試件裝入密閉塑料膜包裹袋至常溫下48 h 后再加載。

對于加載階段,所有的受拉強度和受壓強度試件分別以不大于0.2 MPa/s 加載速度施加劈裂抗拉荷載和以不大于0.6 MPa/s 加載速度施加軸心受壓荷載至其破壞。不同超低溫作用工況混凝土受拉受壓強度試驗的流程如圖1 所示。

圖1 不同超低溫作用工況混凝土受拉受壓強度試驗流程圖Fig.1 Flow chart of concrete tensile and compressive strength test under different ultralow temperature action conditions

3 試驗結果及其分析

為方便比較分析,將試驗獲得的3 種工況(工況1、工況2 及工況3)下混凝土的受壓強度和受拉強度相應地除以其未經歷超低溫作用的受壓強度或受拉強度分別得到3 種工況混凝土的相對受壓強度(λ1cs、λ2cs及λ3cs)和相對受拉強度(λ1ts、λ2ts及λ3ts);為討論不同超低溫作用工況混凝土受壓、受拉強度的離散性,還分別給出3 種工況(工況1、工況2 及工況3)混凝土的受壓強度變異系數(δ1cs、δ2cs及δ3cs)和受拉強度變異系數(δ1ts、δ2ts及δ3ts)。然后據此探討不同超低溫作用工況混凝土受拉、受壓強度間以及離散性間的關系。

3.1 不同超低溫作用工況混凝土受拉受壓強度間關系

圖2 為降溫至給定超低溫時(工況1)混凝土的相對受拉強度λ1ts、相對受壓強度λ1cs與作用的超低溫T間的關系?？煽吹?λ1ts和λ1cs的值均大于1,即表明混凝土的受拉強度和受壓強度超低溫下均有所提升,但λ1ts和λ1cs隨T的變化規律卻有所不同。λ1cs隨T降低除-40 ℃時增大幅度稍大外總體上呈波動地增大的變化趨勢,-190 ℃時達峰值,其值為2.04;而λ1ts隨T降低則呈先增大后有所減小的階段性變化態勢。其中,0— -120 ℃溫度區間時,λ1ts隨T降低逐漸地增大,但增大速率隨T進一步地降低而減慢。λ1ts在-120 ℃附近達最大值,其值為2.13;-120— -190 ℃溫度區間時,λ1ts隨T降低將逐漸地減小。-190 ℃時的λ1ts值回至1.68。

圖2 降溫至給定超低溫(工況1)的混凝土λ1ts-T、λ1cs-T 間關系Fig.2 λ1ts-T and λ1cs-T relation of concrete at given ultralow temperatures (condition 1)

同一作用的低溫T下,λ1ts和λ1cs間的相對關系也呈現出一定的階段性變化特性。0— -120 ℃溫度區間時,λ1ts>λ1cs>1,即此時相同超低溫作用下混凝土受拉強度的提高幅度大于受壓強度;而-160—-190 ℃溫度區間時,λ1cs>λ1ts>1,即此時相同超低溫作用下混凝土受壓強度的提高幅度卻大于受拉強度,且兩者的差值隨T降低還有所增大。出現這種現象的主要原因在于混凝土的孔隙水隨作用的超低溫降低不斷地結冰和其薄弱處即砂漿與粗骨料界面處的黏結性能低溫作用下增強。它們都將導致混凝土受壓強度的提高,而混凝土受拉強度的提高則主要取決于后者。

圖3 為降溫至給定超低溫后再直接回至常溫時(工況2)混凝土的相對受拉強度λ2ts、相對受壓強度λ2cs與作用的超低溫T間的關系?？煽吹?對于λ2cs,隨T降低總體上呈先增大后較為平穩的變化趨勢。-40 ℃時λ2cs便達其峰值,其值為1.43。當T低于-40 ℃時,λ2cs基本上與作用的超低溫值無關,也即可不考慮更低超低溫對λ2cs的影響;而對于λ2ts,隨T降低則呈波動狀且較為穩態的變化趨勢。λ2ts基本上在1.00 附近上下波動,其波動范圍約在0.71 至1.21之間。

圖3 降溫至給定超低溫后再直接回至常溫(工況2)時的混凝土λ2ts-T、λ2cs-T 間關系Fig.3 λ2ts-T and λ2cs-T relation of concrete subjected to returning to room temperature directly from given ultralow temperatures (condition 2)

不過隨T降低,λ2cs始終大于λ2ts,即相同超低溫作用后再直接回至常溫(工況2)時混凝土的受壓強度提高幅度始終大于受拉強度。

圖4 為降溫至給定超低溫后再以1 ℃/ min 勻速地回至常溫時(工況3)混凝土的相對受拉強度λ3ts、相對受壓強度λ3cs與作用的超低溫T間的關系?？煽吹?工況3 下λ3cs和λ3ts隨T降低的變化規律較為相似,均呈波動且較為穩態的變化趨勢。λ3cs和λ3ts絕大多數情況下均略大于1,即混凝土的受壓強度和受拉強度在經歷超低溫后再以1 ℃/ min 勻速地回至常溫時的受壓、受拉強度均未有惡化。λ3cs和λ3ts的值約在1.10 處上下波動,且波動幅度隨T降低呈稍有減小態勢,但λ3ts的波動幅度要大于λ3cs。其中,λ3ts的波動范圍為0.97 至1.38,而λ3cs的波動范圍僅在1.01 至1.18 之間。

圖4 降溫至給定超低溫后再以1 ℃/min 勻速地回至常溫時(工況3)的混凝土λ3ts-T、λ3cs-T 間關系Fig.4 λ3ts-T and λ3cs-T relation of concrete subjected to returning to room temperature at a rate of 1 ℃/min from given ultralow temperatures (condition 3)

3.2 不同超低溫作用工況混凝土受拉受壓強度離散性間關系

圖5 為降溫至給定超低溫時(工況1)混凝土的受拉強度變異系數δ1ts、受壓強度變異系數δ1cs與作用的超低溫T間的關系?？煽吹?常溫下混凝土的受壓強度變異系數明顯地小于受拉強度變異系數,即常溫下混凝土受壓強度離散性顯著地低于受拉強度離散性。但隨T降低,δ1cs呈波動且增大速率較緩慢的變化趨勢;而δ1ts則呈波動地減小的變化趨勢,且0—-80 ℃溫度區間時減小速率較快、-80— -190 ℃溫度區間時減小速率較慢。但當T低于-80 ℃后,δ1cs和δ1ts的值變得較為接近,可認為此時的混凝土受壓、受拉強度離散性趨于一致。產生這一現象的主要原因在于作用的超低溫使混凝土的薄弱處即砂漿與粗骨料界面附近受力性能得到大幅的改善,進而減少由此處帶來的強度離散性,但因混凝土的脆性也將明顯增加導致混凝土受壓強度離散性并未因其而改善。

圖5 降溫至給定超低溫(工況1)的混凝土δ1ts-T、δ1cs-T 間關系Fig.5 δ1ts-T and δ1cs-T relation of concrete at given ultralow temperature (condition 1)

圖6 為降溫至給定超低溫后再直接回至常溫時(工況2)混凝土的受拉強度變異系數δ2ts、受壓強度變異系數δ2cs與作用的超低溫T間的關系?？煽吹?工況2 下δ2cs和δ2ts隨T降低的變化規律較為相似,均呈波動地減小的變化趨勢。但δ2ts的波動幅度明顯大于δ2cs,并且δ2ts總是大于δ2cs。這表明不論作用的超低溫高低此工況混凝土的受拉強度離散性總是顯著地大于受壓強度。

圖6 降溫至給定超低溫再直接回至常溫時(工況2)的混凝土δ2ts-T、δ2cs-T 間關系Fig.6 δ2ts-T and δ2cs-T relation of concrete subjected to returning to room temperature directly from given ultralow temperatures (condition 2)

圖7 為降溫至給定超低溫后再以1 ℃/min 勻速地回至常溫時(工況3)混凝土的受拉強度變異系數δ3ts、受壓強度變異系數δ3cs與作用的超低溫T間的關系?？煽吹?此工況下δ3cs和δ3ts隨T降低的變化規律與工況2 較為相似,均呈波動地減小的變化趨勢且δ3ts總是大于δ3cs。但δ3ts的波動幅度明顯大于δ3cs,且δ3ts隨T降低下降的幅度極為顯著。不過T低于-120 ℃后,δ3ts和δ3cs卻變得較為接近且變化趨于一致。

圖7 降溫至給定超低溫再以1 ℃/min 勻速地回至常溫時(工況3)的混凝土δ3ts-T、δ3cs-T 間關系Fig.7 δ3ts-T,δ3cs-T relation of concrete subjected to returning to room temperature at a rate of 1 ℃/min from given ultralow temperatures (condition 3)

3.3 不同超低溫作用工況對混凝土受拉受壓強度間及其離散性間關系影響

為便于比較不同超低溫作用工況對混凝土受拉、受壓強度間以及其離散性間關系的影響,這里由試驗獲得的結果分別給出3 種作用工況(工況1、工況2及工況3)下混凝土相對受拉受壓強度差值比即混凝土的相對受拉強度與相對受壓強度差值除以相對受壓強度及3 種作用工況(工況1、工況2 及工況3)下混凝土受拉受壓強度變異系數差值比即混凝土的受拉強度變異系數與受壓強度變異系數差值除以受壓強度變異系數。其中,

圖8 為工況1、工況2 以及工況3 混凝土相對受拉受壓強度差值比間的比較?？煽闯?不同超低溫作用工況下混凝土相對受拉受壓強度差值比隨作用的低溫T的變化情況有所不同。

圖8 工況1、工況2 以及工況3 混凝土相對受拉受壓強度差值比-T 間關系Fig.8 -T relation of concrete under condition 1,condition 2 and condition 3

對于降溫至給定超低溫時(工況1),隨T降低呈先增大后減小的變化趨勢。T不低于-80 ℃時,為正且隨T降低而增大。-80 ℃時達峰值,其值為0.69;而T低于-80 ℃時,則隨T降低逐漸減小直至小于0。-190 ℃時的值已減至-0.18。

對于降溫至給定超低溫后再直接回至常溫時(工況2),隨T降低總體上呈先減后增的變化趨勢。T不低于-120 ℃時,為負且隨T降低而 減小。-120 ℃時達最小值,其值為-0.49;T低于-120 ℃時,為負且隨T降低而增大。而對于降溫至給定超低溫后再以1 ℃/min 勻速地回至常溫時(工況3),隨T降低一直在0 附近呈波動狀稍有下降的變化趨勢。這表明此時的混凝土相對受拉強度與相對受壓強度值較為接近且可忽略作用的超低溫變化。

圖9 為工況1、工況2 以及工況3 混凝土受拉受壓強度變異系數差值比間的比較?？煽闯?大部分情況下3 種工況下的均大于0,且隨作用的低溫降低,工況1 的和工況3 的呈波動減小、工況2 的呈波動增加的變化趨勢?？梢?3 種工況下混凝土受壓強度的離散性基本上均小于其受拉強度。

圖9 工況1、工況2 以及工況3 混凝土受拉受壓強度變異系數差值比-T 間關系Fig.9 -T relation of concert under condition 1,condition 2 and condition 3

由工況1、工況2 以及工況3 混凝土相對受拉受壓強度差值比間的比較可看出,工況1 的與工況2 的和工況3 的隨作用的超低溫T降低的變化規律明顯不同;而工況2 的與工況3 的間隨T降低的變化特性雖有差異但不很明顯,總體上都可歸于波動狀下降態勢,僅前者的波動幅度相對較大。鑒于工況2 和工況3 兩種工況分別對應于快速回溫和緩慢回溫兩種極端情況,故實際工程中為簡化起見可忽略回溫方式對混凝土經歷超低溫回至常溫后相對受拉受壓強度差值比的影響。于是可將作用工況分為超低溫時和經歷超低溫再回至常溫時兩種情況由試驗所獲得的結果擬合給出其混凝土相對受拉受壓強度差值比表達式:

超低溫時

經歷超低溫再回至常溫時

于是由的擬合公式可得不同超低溫工況下混凝土受拉受壓強度比表達式:

超低溫時

經歷超低溫再回至常溫時

4 主要結論

通過由常溫降至超低溫(-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃、-160 ℃和-190 ℃)以及由經歷超低溫再直接回至常溫和以1 ℃/min 勻速地回至常溫共3 種超低溫作用工況下混凝土受壓受拉強度試驗,可得以下主要結論:

(1)隨作用的超低溫降低,混凝土相對受壓強度總體上波動地增大,而其相對受拉強度則呈先增大后減小的階段性變化狀?；炷料鄬κ芾軌簭姸炔钪当然旧铣氏仍龃蠛鬁p小的變化趨勢。

(2)對于經歷超低溫再直接回至常溫工況,混凝土相對受壓強度隨作用的超低溫降低呈先增大后平穩的變化狀,而其相對受拉強度則呈波動狀但較為平穩地變化?；炷料鄬κ芾軌簭姸炔钪当然旧铣氏葴p小后有所增大的變化趨勢。

(3)對于經歷超低溫再以1 ℃/ min 勻速地回至常溫工況,混凝土相對受壓受拉強度均稍有增大,且隨作用的超低溫降低呈波動幅度逐漸減小的穩態變化趨勢,相互間也逐漸變得較為接近。

(4)隨作用的超低溫降低,混凝土超低溫時受壓受拉強度的離散性分別呈緩慢增大和先迅速后緩慢地減小的變化趨勢。但作用的超低溫較低時兩者的離散性接近且變化基本趨于一致。

(5)對于經歷超低溫再直接和以1 ℃/min 勻速地回至常溫工況,混凝土受壓強度的離散性均總是小于受拉強度,且兩者隨作用的超低溫降低呈波動狀減小的變化趨勢,但受壓強度的離散性波動幅度要小于受拉強度。

(6)由試驗獲得的不同超低溫作用工況下混凝土受拉受壓強度比擬合表達式可為相關規范的編制、修訂及低溫儲罐類結構的設計和安全評定提供參考。