能源結構用普通和高強混凝土溫度循環效應研究

姜永勝 蘇 娟 郭冠群 蘇龍龍 曾 啟

（1 海洋石油工程股份有限公司；2 華南理工大學土木與交通學院）

0 引言

當前，我國各類能源結構工程如超過20 萬方的大型LNG 儲罐結構和核電站等的建設如火如荼。然而，從混凝土結構澆筑到其服役的全生命周期中，混凝土可能會受到不同的溫度作用，如LNG 儲罐的主體混凝土結構長期處于復雜的熱-濕環境中。長期作用下有混凝土的凍融循環；短期作用下，從澆筑過程中的水化熱到使用階段可能出現的火災等都會對混凝土結構產生很大的影響。雖然混凝土是惰性材料且具有較好的耐高溫性能，但是溫度對混凝土結構的力學性能和長期性能具有較大影響。事實上，溫度是一個比較復雜的作用，最高溫度、作用時間、升降溫方式、溫度應力狀態等都會影響混凝土的受力性能[1-3]。而根據溫度作用的不同，混凝土材料退化的機理也不盡相同。

混凝土在受到溫度循環作用時的力學特性通常與最高溫度和循環次數有關。目前的研究多是關于混凝土一次升降溫后的殘余性能或高溫性能[4-13]，針對多次溫度循環作用后混凝土殘余性能的研究相對較少。一般認為，當混凝土所受的最高溫度不超過200℃時，一次升降溫對其力學性能的影響不大，但是當溫度循環達到一定的次數之后，混凝土材料將受到較大的損傷，隨著循環次數的增多混凝土表現出明顯的強度軟化和剛度退化現象。然而，這一定性認識目前尚沒有較好的理論研究和較為完整的試驗結果支撐。因此，本文針對普通和高強混凝土在不超過200℃的高周溫度循環作用下的力學行為進行試驗研究，以期認識亞高溫循環作用對普通和高強混凝土力學性能的影響效應，為一些特種混凝土結構，如安全殼、工業煙囪、高溫設備支撐結構等提供設計依據。

1 試驗方案

通過開展受溫度循環作用后的混凝土棱柱體（100mm×100mm×300mm）試驗，研究其宏觀力學性能受溫度循環作用的效應。試驗主要記錄了混凝土試件受溫度循環作用后的變形、質量損失、表面孔隙與裂縫發展，和受壓應力-應變全曲線等。試驗分為如下兩組：

⑴試驗A：最高溫度150℃，小粒徑粗骨料混凝土試驗，C30 普通混凝土；

⑵試驗B：最高溫度200℃，大粒徑粗骨料混凝土試驗，C60 高強混凝土。

1.1 材料組分及配合比

澆筑混凝土棱柱體試件所用材料主要包括水泥、水、粗骨料、細骨料和高性能減水劑等，其中：

⑴凝膠體：兩組試驗均采用標號為42.5R 的普通硅酸鹽水泥。

⑵粗骨料：兩組試驗所用粗骨料不同，試驗A 采用小粒徑花崗巖骨料，強度較低，主要成分為SiO2，粒徑小于10mm，澆筑時含水率約為0.5%；試驗B 采用大粒徑骨料，強度高，主要成分為碳酸鈣，粒徑10mm～20mm，澆筑時含水率約為0.5%。

⑶細骨料：兩組試驗所用細骨料均為普通石英砂，主要成分為SiO2，澆筑時含水率約為2%。

兩組試驗中，混凝土試件的配合比（水泥:水:粗骨料:細骨料）分別為：試驗A：440:218:862:985；試驗B：440:192.6:838.7:978.6。兩組試驗減水劑的用量均為1200ml/m3。將四種成分攪拌均勻，放入混凝土試模內振搗，48 小時后拆模。

1.2 試驗方法

待試件澆筑、拆模自然養護28 天后，混凝土試件強度達到標準值，然后采用馬沸爐開展升降溫循環試驗。采用加速試驗的方法，降低升降溫循環的周期，試件升降溫循環周期約為1 天，升降溫循環示意圖如圖1 所示。試驗A 與試驗B 分別針對不同的溫度循環次數進行分組，試件最多循環50 次，試驗的主要目的在于研究溫度循環次數對混凝土耐久性以及力學性能的影響。

圖1 混凝土試件升降溫循環示意圖

待所有的混凝土試件達到試驗設定的溫度循環次數之后，用石膏找平試件上下表面，之后進行軸壓試驗。試驗采用4000kN 的MATEST 試驗機加載，采用位移加載控制，加載速率為0.18mm/min。試驗設備以及試驗變形采集配置分別如圖2 與圖3 所示。

圖2 MATEST 試驗機

圖3 LVDT 與應變片

2 溫度循環作用后普通混凝土力學性能

2.1 普通混凝土受溫度循環作用后表觀特征

在混凝土受溫度循環作用試驗過程中，記錄了試件表觀特征隨溫度循環次數的變化過程。圖4 為代表性試件的表觀特征變化情況，其中分別表示初始試件、升降溫循環10 次、30 次和50 次后的表觀特征。可見，溫度循環作用對普通混凝土的表觀影響較小，經過50 次溫度循環后試件表面未見裂縫，也基本未見新增孔隙。

圖4 普通混凝土受不同次數溫度循環作用后的表觀變化情況

2.2 普通混凝土受溫度循環作用后質量損失與收縮變形

試驗A 中，C30 普通混凝土質量隨溫度循環次數的變化情況如圖5 所示。經過5 次溫度循環作用后混凝土的質量損失穩定在3%左右。可見，混凝土受溫度循環作用的質量損失主要在前幾次溫度循環過程中，該過程中的質量損失主要是由于試件中的自由水蒸發導致的。試驗中對比了溫度循環作用對混凝土試件干縮變形的影響。以28 天后試件的初始尺寸為基準歸一化，經過不同溫度循環次數，得到自然環境與溫度循環作用后試件的變形及擬合曲線如圖6 所示。可見，溫度循環作用下試件的收縮變形大于自然環境的試件變形，說明溫度循環作用加快了混凝土試件的收縮變形。

圖5 普通混凝土溫度循環下質量損失

圖6 普通混凝土溫度循環下試件變形

2.3 普通混凝土受溫度循環作用后力學性能指標

在C30 普通混凝土的溫度循環試驗中，主要考察混凝土棱柱體的軸壓性能，得到混凝土的峰值應力、峰值應變、彈性模量和應力-應變曲線等力學性能，以及試件破壞形態。

2.3.1 峰值應力

普通混凝土棱柱體抗壓強度初始值為20.11MPa。普通混凝土峰值應力隨溫度循環次數變化情況如圖7所示。可見，隨著溫度循環次數的增多，普通混凝土峰值應力逐漸降低，且主要在第一次溫度循環作用后，降低約16%，經過50 次溫度循環作用后其強度降低約30%。

圖7 普通混凝土溫度循環下峰值應力

2.3.2 峰值應變

普通混凝土峰值應變隨溫度循環次數變化情況如圖8 所示。試驗的初始峰值應變為0.00153。隨著溫度循環次數的增多混凝土的峰值應變呈增大的趨勢。經過50 次溫度循環后峰值應變增大約35%。

圖8 普通混凝土溫度循環下峰值應變

2.3.3 彈性模量

普通混凝土彈性模量隨溫度循環次數變化情況如圖9 所示。普通混凝土棱柱體試件的初始彈性模量為20.4GPa，隨著溫度循環次數的增多，彈模逐漸降低，且降低幅度主要集中在第一次溫度循環之后。第一次溫度循環作用后彈性模量降低約28%，溫度循環50 次之后其彈模降低約50%。

圖9 普通混凝土溫度循環下彈模變化情況

2.3.4 應力-應變曲線

普通混凝土棱柱體受溫度循環作用后應力-應變關系曲線如圖10 所示。可見，隨著溫度循環次數的增多，普通混凝土受壓應力-應變全曲線逐漸平緩，剛度退化，強度軟化。

圖10 普通混凝土溫度循環下應力-應變曲線

3 溫度循環作用后高強混凝土力學性能

3.1 高強混凝土受溫度循環作用后表觀特征

高強混凝土受溫度循環作用試驗中記錄了升降溫循環作用后的試件表面孔隙和裂紋的發展過程。圖11為代表性試件的表觀特征發展過程，分別記錄了試件初始狀態、循環5 次、20 次、28 次、36 次和48 次六種狀態的表觀特征。

圖11 高強混凝土受不同次數溫度循環作用后的表觀變化情況

此外，混凝土棱柱體試件受溫度循環作用時角部是相對薄弱的位置。由于混凝土在升降溫過程中會形成不均勻的溫度場，混凝土內外變形不協調，導致內部應力產生。升降溫過程中主要的應力狀態為外部受拉，內部受壓，外部的拉應力在角部比較集中，所以混凝土容易在外部出現裂縫，在角部出現破損的現象。

3.2 高強混凝土受溫度循環作用后質量損失與收縮變形

試驗記錄到高強混凝土質量損失隨溫度循環次數變化情況如圖12 所示。可見，試件在經過溫度循環作用后質量在前5 次循環中損失較大，在經過5 次升降溫循環后混凝土試件的質量基本保持穩定。由于200℃是一個相對較低的高溫，在這一溫度范圍內，化學結合水不會發生分解，前5 次溫度循環中質量損失較多，主要是由混凝土中的孔隙水（自由水）蒸發導致的。

圖12 高強混凝土溫度循環下質量損失

每次升降溫后混凝土試件的變形情況如圖13 所示。試件的收縮變形在前5 次溫度循環過程中變化較大，之后變化較緩慢。與質量損失圖（圖12）對比可以看出，變形擬合曲線與質量損失形狀大致相似，而且變形與質量損失都是在溫度循環5 次左右趨于穩定，所以可認為溫度循環過程中混凝土的變形主要由干燥收縮引起的。混凝土的干燥收縮受溫度和混凝土內部孔隙水分布的影響，在混凝土試件升溫過程中，由于水分分布不均勻會導致混凝土內外收縮程度不同，形成內應力而導致孔隙和裂縫的產生，這也可能是升降溫循環作用導致混凝土材料性能退化的原因之一。

圖13 高強混凝土溫度循環下試件變形

3.3 高強混凝土受溫度循環作用后力學性能指標

3.3.1 峰值應力

高強混凝土峰值應力隨溫度循環次數變化情況如圖14 所示。隨著溫度循環次數的增多，高強混凝土的峰值應力逐漸降低，初始試件的峰值應力為64MPa，經過一次升降溫循環后峰值應力降低約12%，升降溫循環50次后其峰值應力降低約28%。

圖14 高強混凝土溫度循環下峰值應力

3.3.2 峰值應變

高強混凝土峰值應變隨溫度循環次數變化情況如圖15 所示。可見，高強混凝土受溫度循環作用后峰值應變的離散性較大，大致在0.0025～0.0032 范圍內波動。隨著循環次數的增多，峰值應變總體上呈增大的趨勢。

圖15 高強混凝土溫度循環下峰值應變

3.3.3 彈性模量

高強混凝土的彈性模量根據受壓應力-應變曲線的線性段擬合得到，如圖16 所示。隨著溫度循環次數的增多，高強混凝土的彈性模量顯著降低，一次溫度循環作用后其彈模降低了約17%，當溫度循環作用50 次之后，其彈性模量降低了約48%。在前5 次溫度循環作用時的降低速率較大，之后彈模逐漸降低，但是降低速率減小。

圖16 高強混凝土溫度循環下彈性模量

3.3.4 應力-應變曲線

圖17 給出了溫度循環0 次、1 次、10 次、30 次和50次的高強混凝土應力-應變曲線。可見，經過一次溫度循環作用后混凝土下降段變得平緩，說明混凝土的延性有所提高，當溫度循環超過30 次之后下降段變得較陡，特別是50 次溫度循環作用時，混凝土超過峰值應力后強度直線降低，說明50 次溫度循環作用后混凝土具有明顯的脆性，其延性變差。

圖17 高強混凝土溫度循環下應力-應變曲線

4 研究結論

本文以能源結構用混凝土材料受溫度作用問題為背景，通過系統的試驗研究對比分析了不同溫度循環作用分別對普通和高強混凝土的物理、力學特性等的影響效應，研究得到的主要結論如下：

⑴高強混凝土受溫度循環作用時表觀特征受到的影響大于普通混凝土，普通混凝土經過50 次溫度循環作用后其表觀不出現裂紋，表現出孔隙增大的現象，高強混凝土表觀則出現較明顯的裂紋。

⑵經過第一次溫度循環后，高強混凝土棱柱體軸心抗壓強度降低約12%，普通混凝土強度降低約16%；經過50 次溫度循環后，高強混凝土強度降低約28%，普通混凝土強度降低約30%。

⑶隨著溫度循環次數的增多，普通和高強混凝土的峰值應變均呈增大的趨勢。

⑷經過一次溫度循環作用后，高強混凝土彈性模量降低約17%，普通混凝土彈性模量降低約28%；經過50次溫度循環作用后，高強混凝土彈性模量降低約48%，普通混凝土彈性模量降低約50%。

⑸溫度循環作用會影響混凝土棱柱體受壓破壞模式，經過溫度循環作用后，單一型破壞模式比例減小，混合型破壞模式比例增大。