不同超低溫及其再回至常溫時混凝土受拉強度試驗研究*

劉景俊 梁海雅 韓猛 時旭東 崔一丹

1.中國石化青島液化天然氣有限責任公司 266499

2.清華大學土木工程系 北京100084

引言

天然氣作為一種清潔高效能源，近年來需求量持續地增長［1］。天然氣常溫環境下為氣態，目前通常對其采用低溫液化的方式進行運輸和存儲。液化天然氣（LNG）的溫度約為-165℃，混凝土憑借其超低溫下良好的性能常被用于建造這類大型低溫儲罐。由于常壓下天然氣的液化溫度約為-165℃，且隨著罐內儲量的變化、罐內外環境溫度的變化以及儲罐閑置維修等情況，LNG儲罐中的混凝土會經歷超低溫再回至常溫等多種超低溫作用工況。混凝土超低溫力學性能必然會對LNG儲罐類混凝土結構的受力性能及其安全性產生影響，故有關這方面的研究對天然氣等行業的發展有著重要意義。

已有的混凝土超低溫力學性能的研究大多以其受壓性能為主，而在其受拉強度方面的探討相對較少。一些學者［2，3］通過試驗給出低溫下混凝土受拉強度與受壓強度間的近似關系；還有些學者［4-6］通過試驗探討了不同關鍵因素對混凝土低溫受拉強度的影響并給出相關表達式。但這些研究主要關注于低溫作用下的混凝土受拉強度變化規律，而對不同超低溫作用工況如經歷超低溫作用后再回至常溫時的受拉強度變化情況及其離散性等則極少涉及，故有必要在這些方面進行探討。

本文基于某液化天然氣工程并考慮這類工程的實際情況，然后再結合已有的相關研究，通過對不同超低溫時以及經歷超低溫再回至常溫時的混凝土進行劈裂抗拉試驗，探討其混凝土受拉強度變化規律，并考察其離散特性，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。

1 試驗概況

1.1 試驗內容及其試件

根據已有的相關研究［7-9］，超低溫作用下混凝土的受力性能受很多因素的影響，如混凝土的強度等級、含水率以及作用的低溫和升降溫速率等。本文按實際液化天然氣工程情況，試驗考察的混凝土強度等級為C50，選取-40℃、-80℃、-120℃、-160℃及-190℃共5 種作用溫度，并再分為超低溫時加載和經歷超低溫再回至常溫時加載兩種情況，主要探討不同超低溫作用以及經歷超低溫回至常溫作用對混凝土受拉強度及其離散性的影響。試驗內容及其試件編號如表1 所示。其中，NTS-*和CTS-＆-*分別表示混凝土常溫和作用的超低溫為＆時受拉強度試驗的第*個試件；CRTS-＆-*表示混凝土作用的超低溫為＆后再回至常溫時受拉強度試驗的第*個試件。例如，編號CRTS-40-3 表示混凝土作用超低溫為-40℃后再回至常溫時進行受拉強度試驗的第3個試件。為考察混凝土受拉強度的離散性，結合已有的試驗情況相同作用工況試件數為5 ～9 個。

所有試件均為邊長100mm 的立方體形式。為避免其他因素對試驗結果的影響，試件混凝土的組分和配合比均相同。其混凝土配合比為水泥∶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5mm ～16mm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。

1.2 試驗裝置和試驗流程

混凝土超低溫性能試驗裝置包括超低溫加載系統、超低溫作用系統以及超低溫量測系統等。其中，超低溫加載系統為與超低溫作用試驗爐相配套的加載試驗機，超低溫作用系統為超低溫作用試驗爐及其制冷劑儲存罐，超低溫量測系統則為與之配套的量測、數據采集、顯示和貯存裝置。混凝土超低溫性能試驗的主要試驗裝置如圖1 所示。

圖1 混凝土超低溫性能試驗的主要試驗裝置Fig.1 The main test equipment for the ultra low temperature performance test of concrete

首先將混凝土試件置于超低溫試驗爐內，根據已有的混凝土低溫溫度場試驗結果［7］，采用1℃／min 的降溫速率降至給定超低溫再恒溫6h，以確保試件溫度分布均勻以及避免降溫過程中因溫度分布梯度過大造成的內部結構損傷。對于常溫降至給定超低溫時加載的試件，以不大于0.2MPa／s加載速度均勻加載至其劈裂抗拉破壞獲取破壞時最大荷載值；對于常溫降至給定超低溫再回至常溫時加載的試件，先降至給定超低溫并恒溫6h 后取出裝入密閉塑料膜包裹袋至常溫下48h后再以相同加載方式加載至其劈裂抗拉破壞獲取破壞時最大荷載值。

本次混凝土經歷超低溫及其再回至常溫時劈裂抗拉強度試驗的流程如圖2 所示。

圖2 混凝土經歷超低溫及其再回至常溫時劈裂抗拉強度試驗流程Fig.2 Flow chart of experimental study on tensile strength of concrete subjected to ultralow temperatures and returning to room temperature

2 試驗宏觀現象及其試件破壞特征

2.1 超低溫作用前后試件表觀情況

經歷超低溫作用試件，其表面的顏色隨作用的超低溫降低逐漸地顯現出差異但不明顯；與未經歷超低溫作用時相比也未有很明顯的差異，但經歷超低溫作用再回至常溫時的表面顏色未恢復到未經歷低溫作用的常溫時狀態。

經歷各種超低溫作用試件，無論是超低溫作用時還是再回至常溫時其表面均未見明顯的龜裂、蛻皮等現象，也未發現其棱角因凍或回溫而缺失。試件劈裂抗拉加載面超低溫作用及其再回至常溫時均未見有明顯的變化，其面基本平整。

2.2 劈裂抗拉加載時宏觀現象及試件破壞特征

無論是經歷各超低溫作用還是再回至常溫時，試件在其劈裂抗拉加載過程中均有非密集狀的裂縫開展發出的劈裂聲。所有試件在整個加載過程中發出的劈裂聲次數雖不同但均較少。這些劈裂聲均較輕微，不同溫度作用工況間差異也不明顯。

同樣試件劈裂抗拉破壞時均伴有聲響，但不同溫度作用工況破壞時發出的響聲及其清脆程度存在明顯的差異。未經歷超低溫作用的常溫試件破壞時的聲響均小且短促、悶啞；對于經歷超低溫作用試件，超低溫時劈裂抗拉加載的破壞聲響隨作用的超低溫降低由微弱、短促且悶啞逐漸地轉為巨響、稍長且清脆，而再回至常溫時劈裂抗拉加載的破壞聲響又接近于未經歷超低溫作用的常溫試件，且隨作用的超低溫降低相差不大。

圖3 為試件常溫、-40℃、-80℃、-120℃、-160℃以及-190℃時劈裂抗拉加載的破壞面情況。可看出，隨作用的超低溫降低，因砂漿與粗骨料間粘結性能提高導致破壞面粗骨料被劈裂情況更加明顯，相應的砂漿與粗骨料界面間的拉脫破壞現象更少甚至未見有這種現象，破壞面也因其更加平整。但經歷不同超低溫作用的試件破壞面內部均可見松酥和砂漿與粗骨料界面處裂縫等情況。

圖3 試件常溫和經歷不同超低溫時加載的破壞面情況Fig.3 The failure surface of specimens under loading at room temperature and different ultralow temperatures

圖4 為試件經歷-40℃、-80℃、-120℃、-160℃以及-190℃再回至常溫時劈裂抗拉加載的破壞面情況。對于這種溫度作用工況試件，其破壞面特征與作用的超低溫間未顯現出明顯的規律性。各試件破壞面處內部基本上均存在松酥和砂漿與粗骨料界面處裂縫等情況，破壞面處都有些殘渣，也存在一些滑移面但較少。但不同超低溫再回至常溫時加載的破壞面情況差異較大，且相較于未經歷超低溫作用試件，破壞面差異現象更加明顯。各試件破壞面凸凹情況差異也較大，沒有超低溫時劈裂抗拉加載試件的破壞面平整，但大體上也平整。其破壞面上粗骨料大多被劈裂，有些試件也可見其破壞面的砂漿與粗骨料界面處拉脫破壞情況。

圖4 試件常溫和經歷不同超低溫再回至常溫時加載的破壞面情況Fig.4 The failure surface of the specimen under loading at room temperature and returning to room temperature from different ultralow temperatures

3 試驗結果及其分析

為便于分析比較，將超低溫時和經歷超低溫再回至常溫時加載試驗獲得的混凝土受拉強度除以未經歷超低溫作用的常溫試件（基準試件）混凝土受拉強度，分別得到混凝土的超低溫相對受拉強度λts和經歷超低溫再回至常溫相對受拉強度λrts，相應地分別給出混凝土的超低溫受拉強度變異系數δts和經歷超低溫再回至常溫受拉強度變異系數δrts，然后據此探討混凝土超低溫時及經歷超低溫再回至常溫時受拉強度變化規律及其離散性。

3.1 超低溫作用對混凝土超低溫時受拉強度及其離散性的影響

圖5a 是由試驗給出的降溫至給定超低溫時進行劈裂抗拉加載的混凝土相對受拉強度λts與其作用的超低溫T間的關系。可看出，隨作用的超低溫降低，λts總體上呈不斷地增大趨勢，但具體到各超低溫作用區間其變化規律又有所不同。從常溫降至-80℃時，λts有較顯著的增加，且隨作用的超低溫呈線性變化趨勢。-80℃時的受拉強度約為未經歷超低溫作用的常溫試件混凝土的2 倍；-80℃至-120℃區間，λts變化幅度顯著地降低，此時的λts基本上處于較為穩定狀態，該溫度區間為混凝土超低溫時受拉強度峰值區；溫度降至-120℃后，λts不再隨作用的超低溫降低增加，而呈下降態勢，不過-160℃后λts又開始趨于穩定變化狀況。-190℃時的λts仍達未經歷超低溫作用的常溫試件混凝土的1.68 倍。可見，混凝土受拉強度并非隨作用的超低溫降低而不斷地提高，存在峰值的超低溫區間。

圖5b是由試驗給出的降溫至給定超低溫時混凝土受拉強度的變異系數δts與其作用的超低溫T間的關系。可看出，隨作用的超低溫降低，δts總體上呈減小趨勢。其中，降溫至-160℃時的δts最小，從常溫時的37%降至10%。同時，不同超低溫作用下的δts均比常溫時要小。可見，作用的超低溫并未使混凝土受拉強度的離散性變大，反而使其減小且減小程度與作用的超低溫有關。產生這一現象的主要原因在于超低溫作用使混凝土的砂漿與粗骨料間粘結性能提高，進而改善了混凝土薄弱處的離散性。

圖5 降溫至給定超低溫時的混凝土λts-T 和δts-T 間關系Fig.5 λts-T and δts-T relation of concrete at given cryogenic temperatures

3.2 超低溫作用對混凝土經歷超低溫再回至常溫時受拉強度及其離散性的影響

圖6a是由試驗給出的降溫至給定超低溫再回至常溫時加載的混凝土相對受拉強度λrts與其作用的超低溫T間的關系。可看出，隨作用的超低溫降低再回至常溫，λrts總體上呈波動狀且較為穩態的變化趨勢。相對于未經歷超低溫作用的常溫試件混凝土受拉強度，經歷不同超低溫再回至常溫時λrts的波動幅度在0.71 至1.37 之間。雖不同超低溫作用工況下混凝土相對受拉強度的波動幅度較大，但從其變化趨勢可看出，降溫至各給定超低溫再回至常溫這種作用工況并未使混凝土受拉強度出現惡化態勢。

圖6 降溫至給定超低溫再回至常溫時的混凝土λrts-T 和δrts-T 關系Fig.6 λrts-T and δrts-T relation of concrete at given cryogenic temperatures and returning to room temperature

圖6b是由試驗給出的降溫至給定超低溫再回至常溫時加載的混凝土受拉強度變異系數δrts與其作用的超低溫T間的關系。可看出，隨作用的超低溫降低再回至常溫，δrts總體上呈先減小后增大的趨勢。其中，δrts在-120℃時達到最小；-120℃后雖然有所上升，但均比未經歷超低溫作用的常溫試件混凝土的δrts要小。可見，作用的超低溫再回至常溫這種工況并未使混凝土受拉強度的離散性變大，反而同超低溫時劈裂抗拉加載這種工況相似，結果使其也減小且減小程度與作用的超低溫有關。產生這一現象的主要原因在于混凝土經歷超低溫再回至常溫時的砂漿與粗骨料間粘結性能雖未能提高，但由于溫度應力及其正反變化使此處諸如應力集中和變形協調等受力狀態發生了一定的改變，進而改善了混凝土薄弱處的離散性。

3.3 混凝土超低溫時與其再回至常溫時受拉強度及其離散性間比較

圖7 是由試驗獲得的降溫至各給定超低溫再回至常溫時加載與降溫至各給定超低溫時加載的混凝土受拉強度及其變異系數間比值變化情況。

從圖7a 中可看出，隨作用的超低溫降低，經歷超低溫再回至常溫時與超低溫時的混凝土受拉強度比值均小于1 且基本上呈減小趨勢。產生這一變化特征在于試件經歷超低溫作用再回至常溫時混凝土受拉強度始終要比超低溫作用時小，且兩者相差的幅度隨作用的超低溫降低導致的混凝土超低溫時受拉強度不斷地提高而使其呈增大趨勢。其中，當作用的超低溫降至-120℃時，其比值竟降至0.33。這表明混凝土受拉強度在-120℃附近的經歷超低溫再回至常溫時與超低溫時劈裂抗拉加載兩種作用工況背離程度較為嚴重。故在LNG 儲罐類混凝土結構設計及其安全性能評估時應注意不同超低溫作用工況下混凝土受拉強度變化特點。

圖7 超低溫再回至常溫時與超低溫時混凝土受拉強度及其變異系數比值Fig.7 Ratio of concrete tensile strength and its variation coefficient at ultralow temperatures and returning to room temperature

從圖7b 中可看出，同經歷超低溫再回至常溫時與超低溫時的混凝土受拉強度比值相比，其變異系數比值隨作用的超低溫降低的變化規律則有所不同，它雖也呈波動狀但呈明顯的增大趨勢。這表明經歷超低溫作用再回至常溫時混凝土受拉強度離散性隨作用的超低溫降低減小程度要低于超低溫作用時。

3.4 不同超低溫區間混凝土超低溫時及其再回至常溫時受拉強度及其離散性

依據試驗選取的超低溫考察常溫～-40℃、-40℃～-80℃、-80℃～-120℃、-120℃～-160℃及-160℃～-190℃等5 個超低溫區間，由試驗獲得的結果分別計算各個超低溫區間下限溫度時與上限溫度時混凝土相對受拉強度變化率Δλts及其變異系數變化率Δδts。同樣，由試驗獲得的結果可計算得到各超低溫區間經歷超低溫再回至常溫時混凝土相對受拉強度變化率Δλrts及其變異系數變化率Δδrts。

圖8a為不同超低溫區間降溫至給定超低溫時及其再回至常溫時混凝土相對受拉強度的變化率Δλts、Δλrts。從圖中可看出，各超低溫區間降溫至給定超低溫時的Δλts在0 附近上下波動，其變化幅度在-0.34 到0.67 之間。但較高超低溫溫度區間的Δλts始終為正，而較低超低溫溫度區間的Δλts始終為負。而且即使在較高或較低的各超低溫區間，Δλts的變化也是不同的；各超低溫區間降溫至給定超低溫再回至常溫時的Δλrts與Δλts相比則有所不同。雖開始降溫的各個超低溫區間的混凝土相對受拉強度均呈逐漸下降趨勢，但隨作用的超低溫降低Δλrts很快便進入負值區間，直至進入較低超低溫區間（- 120℃ ～

-160℃）才恢復至正值區間，不過隨后Δλrts又進入負值區間。可見，降溫至給定超低溫再回至常溫時的混凝土受拉強度變化較為復雜，沒有明顯的變化規律。總之，實際LNG 儲罐類混凝土結構設計應注意混凝土受拉強度在各超低溫區間及其不同的超低溫作用工況變化的差異性。

圖8b為不同超低溫區間降溫至給定超低溫時及其再回至常溫時混凝土受拉強度變異系數的變化率Δδts、Δδrts。從圖中可看出，無論降溫至給定超低溫時還是降溫至給定超低溫再回至常溫時，它們在超低溫區間的混凝土受拉強度變異系數變化率的變化趨勢相近，均隨超低溫區間的上下限溫度降低逐漸地增大，僅降溫至給定超低溫時波動性較大。Δδts和Δδrts在常溫～-160℃共4個超低溫區間內均小于0。這表明在這些超低溫區間內隨作用的超低溫降低混凝土受拉強度變異系數均呈逐漸地減小趨勢。但較低超低溫溫度區間混凝土受拉強度離散性變化率要比較高超低溫溫度區間大。

圖8 不同超低溫區間降溫至給定超低溫時及其再回至常溫時混凝土受拉強度及其變異系數變化率Fig.8 The variation rate of concrete tensile strength and its variation coefficient at various ultralow temperature ranges and for returning to room temperature from ultralow temperature

4 結論

通過對降溫至給定超低溫時及其再回至常溫時混凝土受拉強度試驗，可得到以下主要結論：

1.超低溫時及其再回至常溫時的混凝土試件劈裂抗拉破壞面特征與未經歷超低溫的常溫試件基本相同，僅超低溫時試件破壞面更加平整、破壞面處未見未有劈裂的粗骨料，其脆性破壞特征更加明顯。

2.隨作用的超低溫降低，混凝土超低溫受拉強度總體上呈不斷地增大趨勢，但其變異系數卻波動地減小、且均低于未經歷超低溫作用的常溫時。

3.經歷超低溫再回至常溫時混凝土受拉強度隨作用的超低溫降低呈波動狀且基本上較為穩態的變化趨勢，未顯現出惡化跡象。而其變異系數卻呈先減小后增大的變化趨勢，但均低于未經歷超低溫作用的常溫時。

4.隨作用的超低溫降低，混凝土超低溫時與經歷超低溫再回至常溫時的受拉強度比值始終小于1 且基本上呈減小趨勢，但其變異系數比值則呈增大趨勢。故實際LNG 儲罐類混凝土結構設計及其安全性能評估時應注意經歷不同超低溫作用的超低溫時及其再回至常溫時混凝土受拉強度和離散性變化的差異性。

5.降溫至給定超低溫時及其再回至常溫時各溫度區間混凝土受拉強度變化率變化較為復雜。對于前者，在較高超低溫溫度區間的混凝土受拉強度變化率始終為正，而在較低超低溫溫度區間則始終為負；對于后者，隨作用的超低溫區間上下限溫度降低，其混凝土受拉強度變化率呈正負反復變化狀態，沒有明顯的規律性。

6.降溫至給定超低溫和經歷超低溫再回至常溫在超低溫區間混凝土受拉強度變異系數變化率的變化趨勢相近，均隨超低溫區間的上下限溫度降低逐漸地增大，僅降溫至給定超低溫時的波動性較大。