不同強度等級混凝土遭受超低溫凍融循環作用的受壓強度試驗研究

時旭東，汪文強，田佳倫

(清華大學土木工程系，北京 100084)

據相關統計數據[1]表明，2017年全球液化天然氣總需求同比增長了2900萬t，而中國在經濟持續增長和“煤改氣”政策的推動下總需求更達3800萬t，并躍居全球第二大進口國。巨量的液化天然氣需求，對運輸和儲存設施的規模、安全性及經濟性等提出了更高的要求。因天然氣由氣態降溫至-165 ℃呈液態狀時的體積約為常溫時的1/600[2]，常采用低溫液化的形式儲存。而混凝土作為液化天然氣(LNG)儲罐結構的基本建造材料，對其超低溫下受力性能研究顯然十分重要。隨 LNG儲罐內儲量變化，罐內一些位置的溫度也會發生相應的變化。此時儲罐結構的混凝土實際上處于溫度反復升降的另類凍融環境中。溫度可能在某些超低溫溫度區間內波動，也可能在常溫與超低溫間的大溫度區間變化[3]。因此，有必要獲知混凝土超低溫凍融作用的受力性能。

目前，一些學者已從混凝土的強度等級、含水率以及凍融循環作用的次數、溫度區間等方面對超低溫下混凝土的受力性能進行了研究，如戢文占等[4]對 3種不同強度等級的混凝土試件分別降溫至-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃以及-165 ℃測定其受壓強度，發現不同強度等級混凝土的受壓強度增長趨勢較為一致，均隨溫度的降低而逐漸增大；Montejo等[5]通過對混凝土 20℃~-196 ℃溫度區間內的超低溫加載試驗。結果表明：混凝土超低溫下受壓強度增量與其含水率成正相關關系；筆者所在的課題組[6－8]也探討了不同的強度等級和含水率混凝土經歷超低溫作用后其受力性能的變化規律。但已有的研究多集中于混凝土未經歷凍融循環作用時超低溫環境下的受力性能研究，對混凝土經歷凍融循環作用后的受力性能研究尚處于起步階段。鑒于不同罐容的 LNG儲罐以及儲罐的不同部位所采用的混凝土強度等級不同，本文主要探討不同強度等級混凝土經歷超低溫凍融循環作用后受壓強度的變化規律。

1 試驗概況

考慮到LNG儲罐結構混凝土強度等級合理區間基本上位于C40~C60，本次試驗取C40、C50和C60這 3種強度等級混凝土考察其經歷超低溫凍融循環作用后受壓強度變化規律。結合本課題組已有的相關研究情況，這里選取 15 ℃~-120 ℃和 15℃~-190 ℃兩種超低溫凍融循環作用的溫度區間，其凍融循環作用次數分別為0次、16次和30次。

試件均采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱體，分4批澆注，其混凝土配合比見表1。其中，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，石子為5 mm~20 mm連續級配碎石，砂為河砂、中砂，礦粉為S95礦粉，外加劑為聚羧酸減水劑。表1中的 GAP、GBP及GCP表示其混凝土的含水率相近但設計強度等級分別為C40、C50和C60，GDP表示混凝土的設計強度等級為C60但其含水率相對較高。

表1 不同組別試件的混凝土配合比Table 1 Mixing proportions of concrete specimens of different strength grades

表2是不同強度等級混凝土經歷凍融循環作用的試驗內容及其試件編號。其中，各試件組別均設置基準試件和超低溫凍融循環作用試件。以 GAP試件組別為例，其基準試件為未經歷(0次)凍融循環作用時上、下限溫度時加載的試件，編號 GAP-& 表示組別為GAP(即混凝土設計強度等級為C40)的第 & 個基準試件。超低溫凍融循環作用試件為經歷給定凍融循環作用后上、下限溫度時加載的試件，其凍融循環作用次數分別選取16次和30次。凍融循環作用區間的上限溫度統一取 15 ℃，而下限溫度則分別取至-120 ℃和-190 ℃，并按 1 ℃/min的速率進行升降溫，以上限溫度降溫至下限溫度再回至上限溫度記為 1次凍融循環作用。其中，編號GAP-#-& 表示組別為 GAP(即混凝土設計強度等級為 C40)經歷下限溫度為-#℃的凍融循環作用后進行加載的第 & 個試件，如 GAP-120-5表示組別為GAP經歷下限溫度為-120 ℃的凍融循環作用后進行加載的第5個試件。

表2 試驗內容及其試件編號Table 2 Experiment contents and specimen numbers

試驗包括超低溫凍融循環作用、單軸受壓加載、混凝土含水率測定，以及試驗量測和數據處理 4部分。其中，超低溫凍融循環作用通過超低溫試驗爐由液氮作為制冷劑實現，并由程控按給定的速率升降溫至目標溫度。考慮混凝土的熱惰性，所有試件均按1 ℃/min的速率升降溫。為確保試件溫度分布均勻，按相關研究成果[9]，試件在上、下限溫度時均在設定溫度保持恒溫不少于 4.5 h；通過由與超低溫試驗爐相配套的 2000 kN液壓試驗機對試件進行單軸受壓加載，并由專用的量測裝置和數據采集系統獲取其受壓強度等試驗數據；試件的混凝土含水率則由專用的程控烘烤箱進行最高溫度不高于 200 ℃的溫度環境中烘烤獲取。圖1是本次不同強度等級混凝土超低溫凍融循環作用受壓強度試驗的流程圖。

圖1 混凝土超低溫凍融循環作用受壓強度試驗流程圖Fig.1 Flow chart of compressive strength experiments for concrete experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

2 試驗宏觀現象及其試件破壞形態

2.1 試驗宏觀現象

經歷超低溫凍融循環作用的不同混凝土強度等級試件，其表面均未因不同的溫度區間和凍融循環作用次數呈現出明顯的差異，與凍融循環作用前相比也未見其變化。圖2是經歷 30次溫度區間15 ℃~-190 ℃凍融循環作用試件凍融前后的照片。從圖2可以看出，凍融作用后試件表面并未出現諸如裂紋、孔洞邊界變化以及混凝土剝落和棱邊棱角缺損等新的損傷現象。

圖2 試件經歷超低溫凍融循環作用前后表觀情況Fig.2 Surface states of specimen before and after experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

2.2 試件破壞形態

試件無論是否經歷凍融循環作用，其上、下限溫度時單軸受壓加載后的破壞形態基本上類似，均大致呈對頂錐狀。但不同超低溫凍融循環作用工況下，混凝土強度等級對試件加載形成的破壞面特征等影響有所不同。

2.2.1 上限溫度時混凝土強度等級的影響

圖3是不同混凝土強度等級試件經歷16次溫度區間 15℃~-120 ℃凍融循環作用后上限溫度加載時的破壞情況照片。可見，混凝土強度等級分別為C40和C50試件GAP-120-1和GBP-120-1的破壞面處存在明顯的砂漿骨料脫離、粗骨料處凹凸不平現象，殘留塊體表面也表現得較為酥松。其中前者這些現象更加明顯；而混凝土強度等級為C60試件GCP-120-3的破壞面則相對較為平整，粗骨料處無明顯的凹凸現象，骨料與砂漿結合得也更為密實，破壞面處粗骨料基本上均被劈裂，破壞時形成的塊體多而小。經歷溫度區間 15 ℃~-190℃凍融循環作用試件的破壞面特征情況相似，經歷凍融循環作用次數較多試件的破壞面則顯得稍松疏。

圖4是不同混凝土強度等級試件未經歷凍融作用和經歷30次溫度區間15 ℃~-190 ℃凍融循環作用后上限溫度加載時的破壞情況照片。可見，兩者的破壞形態基本接近。

圖3 不同混凝土強度等級試件經歷超低溫凍融循環作用后上限溫度時的受壓破壞情況Fig.3 Compressive failure characteristics at upper limit temperature for specimens of different concrete strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

圖4 不同混凝土強度等級試件未經歷和經歷凍融循環作用上限溫度時的受壓破壞情況Fig.4 Compressive failure characteristics at upper limit temperature for specimens of different concrete strength grades not experiencing and experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

對于未經歷凍融循環作用的各混凝土強度等級試件，其破壞特征基本相近、破壞形態均呈對頂錐狀，破壞時殘留的受壓面基本上完整；而經歷多次凍融循環作用的破壞特征雖也多相近，但與未經歷凍融循環作用試件相比具有明顯的差異。前者的破壞面可見裂縫和砂漿骨料分離現象，且加載破壞后均有沿加載方向出現的縱向劈裂現象，其中混凝土強度等級較高的試件GBP-190-9和GCP-190-9表現得更加明顯。這表明混凝土經歷凍融循環作用過程中內部累積損傷較為嚴重，使初始裂縫不斷地擴展并產生新的裂縫從而形成這種沿試件縱向劈裂的現象。

2.2.2 下限溫度時混凝土強度等級的影響

圖5是不同混凝土強度等級試件經歷30次溫度區間 15 ℃~-190 ℃凍融循環作用后下限溫度時的受壓破壞情況照片。從圖5可以看到，各混凝土強度等級試件下限溫度時的受壓破壞特征與上限溫度時相比有明顯的差別，但其破壞形態基本相似、均呈對頂錐狀。因加載時混凝土內部孔隙水結冰使破壞面處的粗骨料基本上均被劈裂、因破壞界面的滑移導致的砂漿粉狀明顯地增多，破壞后殘留的受壓面也比上限溫度時小得多。并且隨混凝土強度等級的提高，這些現象表現得更加明顯。經歷溫度區間 15 ℃~-120 ℃凍融循環作用試件所呈現出的這些破壞特征則稍弱，而不同凍融循環作用次數試件間無明顯差異。

圖5 不同混凝土強度等級試件經歷超低溫凍融循環作用后下限溫度時的受壓破壞形態Fig.5 Compressive failure characteristics at lower limit temperature for specimens of different concrete strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

3 試驗結果及其分析

表3是通過對不同混凝土強度等級試件超低溫凍融循環作用后加載獲取的混凝土受壓強度試驗值。為便于分析比較，將經歷超低溫凍融循環作用后混凝土上、下限溫度時的受壓強度相應地分別除以未經凍融混凝土上、下限溫度時的受壓強度(fcU、fcL)獲取其相對受壓強度(上限溫度時為下限溫度時為

表3 經歷超低溫凍融循環作用各強度等級混凝土的受壓強度試驗結果Table 3 Test results of relative concrete compressive strengths of different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

3.1 混凝土含水率的影響

由于不同強度等級混凝土的含水率不同，即使相同強度等級混凝土同一制作條件下的含水率也不盡相同，為避免探討不同強度等級混凝土超低溫凍融循環作用受力性能時因試件混凝土含水率存在的差異影響，本次試驗首先選取設計強度等級C60混凝土，考察相同強度等級不同混凝土含水率在各種超低溫凍融循環作用工況下對混凝土受壓強度的影響，然后從所獲得的試驗結果中分離出因試件的混凝土含水率差異造成的影響。這里將未經歷凍融循環作用混凝土含水率wc作為基準值，將經歷各種超低溫凍融循環作用試件的混凝土含水率與wc的差值除以wc定義為其混凝土相對含水率

圖6是經歷溫度區間 15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃不同凍融循環作用次數后混凝土上、下限溫度時，相對受壓強度與其相對含水率間的變化關系圖。

圖6 給定強度等級不同含水率混凝土經歷超低溫凍融循環作用后的相對受壓強度Fig.6 Relative compressive strengths of concrete for given strength grade and different water contents after experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

對于下限溫度時，除試件經歷 16次溫度區間15 ℃~-120 ℃凍融循環作用后的與間關系有所不同外，其它三種超低溫凍融循環作用工況下呈現出上升而下降的趨勢，且擬合曲線的斜率基本一致。這主要原因在于下限溫度時不僅僅因凍融循環作用過程中造成惡化的混凝土累積損傷Δλ1隨混凝土含水率的增加而增大，降溫過程中隨混凝土內部孔隙水的結冰使其有效受壓面積增大、骨料間粘結性能增強導致的混凝土受壓強度提高效應Δλ2卻隨混凝土含水率增加而提高。超低溫凍融循環作用時這兩種均與混凝土含水率相關、具有相反效應的疊加，最終，將決定混凝土受壓強度的變化趨勢。16次溫度區間 15 ℃~-120 ℃的超低溫凍融循環作用工況導致的兩種效應近似相互抵消，而其他三種工況下，隨凍融循環次數的增加，凍融循環引起的強度損傷Δλ1逐漸累積，并對混凝土強度的影響大于骨料間粘結性能增加引起的強度提高Δλ2，進而導致混凝土受壓強度隨混凝土含水率增加呈下降趨勢。

根據所得的試驗結果可以看出，對于經歷各種超低溫凍融循環作用且混凝土含水率在 3.5%附近的混凝土，混凝土相對含水率增加1%時，混凝土上限溫度時的下降約 0.005、下限溫度時的下降約0.015。這里，將近似地按其分離混凝土含水率差異對不同強度等級混凝土超低溫凍融循環作用工況下受壓強度的影響。

3.2 混凝土強度等級的影響

3.2.1 上限溫度時

圖7是不同強度等級混凝土經歷溫度區間15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃凍融循環作用后上限溫度時的相對受壓強度變化情況。從圖7可以看到，混凝土經歷相同超低溫凍融循環作用工況后，其上限溫度時混凝土相對受壓強度均隨混凝土強度等級提高而有所增大，也即超低溫凍融作用導致的混凝土受壓強度惡化程度將減弱。這與混凝土常規凍融循環作用試驗結果[10]一致。其主要原因在于，隨著混凝土強度等級提高，其水膠比將相應地減小，這使混凝土內部孔隙率小而更加密實，且大部分孔隙的孔徑也較小，進而增強混凝土超低溫凍融循環作用過程中對其內部孔隙水的遷徙和凍脹效應的抑制作用。但不同的超低溫凍融作用溫度區間所表現出的抑制效果卻有所不同，下限溫度較低溫度區間的混凝土強度等級影響相對較弱。通過對所獲得的試驗數據擬合可偏安全地給出經歷不同超低溫溫度區間凍融循環作用混凝土上限溫度時的相對受壓強度與其強度等級(這里用其軸心受壓強度平均值fc,m表示)間的變化關系：

圖7 經歷超低溫凍融循環作用的不同強度等級混凝土上限溫度時相對受壓強度Fig.7 Relative compressive strengths at upper limit temperature for concrete of different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

圖8是不同強度等級混凝土經歷溫度區間15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃凍融循環作用后，其上限溫度時的相對受壓強度與凍融循環作用次數N間關系。可見，凍融循環作用次數對上限溫度時混凝土相對受壓強度也有明顯的影響，但不同超低溫凍融循環作用工況下其相對受壓強度的變化趨勢有所不同。

圖8 不同強度等級混凝土上限溫度時相對受壓強度隨超低溫凍融循環作用次數的變化規律Fig.8 Variation regularities of relative compressive strengths at upper limit temperature for concrete of different strength grades with increase in number of ultralow temperature freeze-thaw cycles

從圖8可以看出，上限溫度時加載，不同強度等級混凝土經歷不同溫度區間凍融循環作用后的相對受壓強度均隨N增加而呈下降趨勢，且下降幅度較為相似。這主要原因在于，隨N增加，混凝土內部孔隙水反復結冰膨脹使孔壁也反復受壓，進而導致孔壁附近混凝土微裂縫出現并不斷地發展，結果使混凝土受壓強度呈現出逐漸下降趨勢。其中，強度等級較低的混凝土在不同超低溫凍融作用溫度區間均表現出較大的下降幅度。

3.2.2 下限溫度時

圖9是不同強度等級混凝土經歷溫度區間15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃凍融循環作用后下限溫度時的相對受壓強度變化情況。從圖9可以看到，混凝土經歷相同超低溫凍融循環作用工況后，其下限溫度時相對受壓強度變化規律與上限溫度時截然不同，不同的超低溫凍融作用溫度區間的變化規律也存在明顯的差異。雖溫度區間 15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃的均基本上隨混凝土強度等級提高而有所增大，但前者是超低溫凍融作用導致的混凝土受壓強度惡化有所減弱，而后者則是超低溫凍融作用導致的混凝土受壓強度增強有所提高。這也表明不同下限溫度的超低溫凍融作用所表現出對混凝土受壓強度影響也不同。

圖9 經歷超低溫凍融循環作用的不同強度等級混凝土下限溫度時相對受壓強度Fig.9 Relative concrete compressive strengths at lower limit temperature for different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

圖10是不同強度等級混凝土經歷溫度區間15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃凍融循環作用后，其下限溫度時的相對受壓強度與凍融循環作用次數N間關系。下限溫度時加載，不同強度等級混凝土的在給定的超低溫凍融作用溫度區間工況下隨N增加的變化趨勢相似，但不同的超低溫凍融作用溫度區間則存在明顯的差異。從圖10可以看到，溫度區間15 ℃~-120 ℃的隨N增加逐漸下降；而溫度區間15℃~_190℃的隨N增加卻不斷地提高。產生這種現象的主要原因在于，混凝土受壓強度受凍融循環作用導致的累積損傷Δλ1和低溫混凝土內孔隙水結冰導致的增強效應Δλ2兩方面的影響。隨N增加，混凝土內部孔隙結構將發生變化、孔隙水進行重分布，此時的Δλ1和Δλ2均逐漸增大。對于溫度區間15 ℃~-120 ℃，Δλ1隨N增加而引起的增幅要大于Δλ2。但對于溫度區間15 ℃~-190 ℃，混凝土內孔隙水因結冰導致的增強效應和孔隙水重分布因下限溫度較低而更加充分，結果使Δλ2隨N增加引起的增幅反過來大于Δλ1。可見，不同的超低溫溫度區間導致的混凝土下限溫度時受壓強度，隨凍融循環作用次數的變化規律將有所不同。

圖10 不同強度等級混凝土下限溫度時相對受壓強度隨超低溫凍融循環作用次數的變化規律Fig.10 Variation regularities of relative concrete compressive strengths at lower limit temperature for different strength grades when number of freeze-thaw cycle action cycles was increased

4 與已有的混凝土常規凍融研究結果對比

已有的研究結果[11]表明，混凝土經歷常規凍融循環作用過程中，其內部孔隙水凍結產生的滲透壓力及靜水壓力會造成混凝土細觀結構的損傷，進而影響混凝土的耐久性。這對長期處于自然凍融環境中的混凝土類建構筑物是一種嚴重的危害。為改善混凝土的抗凍性能，一般通過添加引氣劑等方式使混凝土內引入空氣形成大量的微小封閉氣孔、緩解孔隙水在凍脹遷徙過程中產生的壓力，進而避免混凝土出現累積損傷。

混凝土中引氣使其孔隙率增加的同時，其受力性能和熱工性能也必然受到影響。自然凍融環境下混凝土中摻入適量的引氣劑可很好地滿足實際工程的需求，但超低溫凍融環境下混凝土性能與其孔隙狀況和含水率等密切相關。已有工程實踐表明，引氣劑的添加會影響混凝土超低溫性能，過量的引氣劑會使其性能出現明顯的惡化，甚至引發工程事故。故應注意：不能簡單地將改善混凝土自然環境抗凍融性能方法直接應用于超低溫凍融環境混凝土結構中。

目前，國內外許多研究者都對混凝土常規凍融作用性能進行了試驗研究[12－13]。從這些研究結果可以看出，混凝土經歷常規凍融循環作用后上限溫度時的受壓強度會有所下降，且下降幅度與混凝土強度等級密切相關。其中，曹大富等[14]通過對4種不同混凝土強度等級立方體試件進行加載試驗，獲得了混凝土經歷不同次數常規凍融循環作用后的相對受壓強度，并據此還擬合出相應的表達式。

對于混凝土經歷超低溫凍融循環作用方面的研究，目前，國內外學者所給出的結果多具有局限性、不夠系統和深入，基本上處于起步階段。因超低溫凍融循環作用試驗的成本較高，已有的試驗所進行的凍融循環作用次數相對較少。其中，謝劍等[15]通過試驗給出，C40和C60立方體試件經歷3次溫度區間為常溫至-160 ℃凍融循環作用后的常溫時混凝土相對受壓強度分別為0.91、0.92；C30、C40及C60立方體試件經歷10次溫度區間為常溫至-80 ℃凍融循環作用后的常溫時混凝土相對受壓強度分別為0.74、0.79和1.07。可見，隨著混凝土強度等級的提高，混凝土超低溫下的抗凍性能也有所提高。

圖11是將一些學者給出的混凝土經歷凍融循環作用后其上限溫度時相對受壓強度與本文試驗所得結果的對照。可以看出，經歷不同溫度區間凍融循環作用后所得曲線的變化趨勢大致相同，即隨混凝土強度等級的提高，其上限溫度時相對受壓強度均有所增大。但相比于常規凍融作用，混凝土經歷相同次數超低溫凍融循環作用后對其相對受壓強度所產生的損傷更為嚴重，如C40混凝土經歷16次常規凍融循環作用、溫度區間 15℃~-120 ℃及 15 ℃~-190℃凍融循環作用后其相對受壓強度分別為0.95、0.87、0.77。可見，其損傷隨超低溫凍融循環作用溫度區間下限溫度的降低逐漸增大。故不能簡單地將常規凍融循環作用下的研究成果直接應用于經歷超低溫凍融循環的混凝土結構設計之中。

圖11 經歷超低溫環境和自然環境凍融循環作用的不同強度等級混凝土上限溫度時相對受壓強度Fig.11 Variation regularities of relative concrete compressive strengths at upper limit temperature for different strength grades undergoing ultralow temperature or natural environment temperature freeze-thaw cycle action

5 結論

通過對不同強度等級混凝土進行兩種超低溫溫度區間凍融循環作用受壓強度試驗，可得到以下主要結論：

(1)對于各混凝土強度等級試件，無論是經歷不同的超低溫溫度區間、次數的凍融循環作用，還是凍融循環作用前后，其表觀均未出現明顯的變化，試件破壞形態基本上類似，均大致呈對頂錐狀。但不同超低溫凍融循環作用工況下混凝土強度等級對試件加載的破壞特征影響有所不同。上限溫度時混凝土強度等級較低的破壞面處存在明顯的凹凸不平現象，表現得較為酥松；下限溫度時破壞面處的粗骨料基本上均被劈裂，破壞后殘留的受壓面也比上限溫度時小得多，并且混凝土強度等級高的表現得更加明顯。

(2)混凝土經歷超低溫凍融循環作用后上、下限溫度時相對受壓強度均隨其含水率增加而呈下降趨勢。

(3)混凝土經歷相同超低溫凍融循環作用工況后，其上限溫度時相對受壓強度均隨強度等級提高而有所增大，但不同強度等級混凝土的相對受壓強度均隨凍融循環作用次數的增加而呈下降趨勢，且下降幅度較為相似。

(4)混凝土經歷不同的超低溫凍融循環作用工況后，其下限溫度時相對受壓強度隨強度等級提高的變化規律不盡相同，也與上限溫度時有所不同。不同超低溫溫度區間的混凝土相對受壓強度雖均基本上隨混凝土強度等級提高而有所增大，但增大的原因存在明顯的差異；給定的超低溫凍融作用溫度區間工況下混凝土相對受壓強度隨凍融循環作用次數增加的變化趨勢相似，但不同溫度區間變化趨勢不同。

(5)常規凍融作用和超低溫凍融作用對混凝土性能影響不同，經歷超低溫凍融循環作用后的混凝土相對受壓強度惡化更為嚴重。實際工程中應注意不能簡單地將改善混凝土自然環境抗凍融性能方法直接應用于超低溫凍融環境混凝土結構中，也不能直接將常規凍融循環作用下的研究成果直接應用于經歷超低溫凍融循環的混凝土結構設計之中。