低溫環境中新型水泥基材料抗拉性能和微結構的演化行為

張 超，楊海濤，段品佳，黃 歡，劉娟紅

(1.中海石油氣電集團有限責任公司,北京 100028;2.石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043; 3.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083)

0 引 言

2019年全球液化天然氣(liquefied natural gas, LNG)的貿易量達3.6億t，比上年增加0.4億t[1]。LNG貿易的火熱加劇了LNG儲罐的需求。傳統LNG儲罐為雙層筒壁結構。內層筒壁由質量分數為9%的鎳鋼構成；外層筒壁采用混凝土結構，用于分擔內層筒壁的荷載并在內層筒壁失效時起到保護作用[2]。有學者[3]指出采用混凝土替代9%鎳鋼制備內層筒壁可節約46%的成本和33%的工期。但是，LNG儲罐內部的低溫環境(-165 ℃)可能會引起混凝土結構性能的退化。

低溫環境(-40～-197 ℃，GB 51081—2015)下混凝土孔隙中孔溶液會結冰?？兹芤旱谋c與孔徑相關,孔徑越小,冰點越低。大孔(104～105nm)、中等孔(10～104nm)和凝膠孔(3～10 nm)中孔溶液結冰的溫度范圍分別為0～-4 ℃、-20～-30 ℃和-30～-80 ℃[4]?？兹芤航Y冰后體積增加并導致孔隙中水壓力升高，當水壓力值大于混凝土抗拉強度時會誘發微裂縫的產生。與此同時，低溫環境中混凝土基體的性能也會發生退化，表現為C-S-H凝膠內部Ca2+浸出并在表面富集[5]，這會導致C-S-H凝膠的彈性模量減小并誘發微裂縫的產生[6]。C-S-H凝膠的劣化行為受到C-S-H凝膠中Ca/Si的影響[5-6]。此外，不同組分(如石子、砂和膠凝材料顆粒)熱膨脹系數差異誘發的界面應力也是導致低溫環境中混凝土劣化的重要因素[7]。Masad等[2]證實砂漿和骨料之間熱膨脹系數的差異是低溫環境中混凝土失效的主要原因。

低溫環境中混凝土內部可能會產生損傷，并造成80～100 nm孔的數量[8]和總孔隙率[9]顯著增加，同時導致大量微裂縫產生[10]?！?br>