超低温环境力学试验装置的开发及应用前景

廖 娟，张 涛，吴树勤，李小座，戟文占，张 楠，王冬雁，王宝华，张东华

(1.中国建筑股份有限公司 技术中心,北京 101300；2.中国建筑第二工程局有限公司，北京 100054)

超低温环境力学试验装置的开发及应用前景

廖 娟1，张 涛1，吴树勤2，李小座2，戟文占1，张 楠1，王冬雁1，王宝华1，张东华1

(1.中国建筑股份有限公司 技术中心,北京 101300；2.中国建筑第二工程局有限公司，北京 100054)

结合200 t万能液压试验机的特点，按试验装置主要功能需求和使用方式进行系统设计，开发一套超低温环境力学试验装置。现场测试结果表明，该装置完全具备在室温至-196℃环境温度范围内对混凝土抗压性能和钢筋拉伸性能进行一体化准确测试能力，能够满足在低温环境开展材料力学性能试验研究工作及低温工程技术服务的需要，具有很好的应用前景。

超低温；试验装置；混凝土；钢筋

混凝土、钢筋作为人类使用最大宗的人造建筑结构材料，因其优异的力学性能与耐久性以及低廉的造价，在东北、西藏等寒冷及严寒地区建造房屋、铁路等工程设施中得到广泛应用，并逐步向大型化、超高层、极端特种环境应用方向发展。如应用于液化天然气贮罐超低温结构及冷藏仓库等极端服役环境下的低温结构中。

混凝土、钢筋等在超低温下所呈现的力学、耐久等性能与其在常温及低温下有很大差异，而国内在超低温领域缺乏必要的测试设备和研究手段，超低温对材料性能的影响规律和作用机理目前尚不清楚，以致超低温工程材料的研究及工程应用技术停滞不前。

以天然气(liquefied natural gas，LNG)混凝土低温储罐为例，目前，项目施工关键技术大都来自于国外，如法国的罐体预应力技术、比利时的外罐墙体多卡模板技术体系和卢森堡的低温钢筋等。与LNG低温储罐紧密相关的超低温环境下混凝土、钢筋的力学行为及特性试验研究不多[1-10]，国外也只有英美等少数发达国家按照相关的设计规范要求[11-15]，参考一些文献进行试验设计并做过相关试验，并没有相应的测试规范。国内研究较多的是低温环境(-20 ℃～-50 ℃)下混凝土、钢筋等工程材料的性能，对于环境温度达到超低温状态(-165 ℃)以下的LNG混凝土储罐，由于缺乏相应的试验设备，大多只能参考国外文献进行总结，并得出相关结论，缺乏必要的验证手段,工程关键技术的应用存在一定瓶颈，受制于国外。这就间接导致了我国土木工程行业的产品在超低温领域最尖端技术上的缺失，中国土建企业与国外企业技术实力差距悬殊，缺乏同世界级大企业进行竞争的能力，大大削弱了我国土建企业的国际竞争力。因此，有必要开发与超低温材料研究密切相关的测试装置及试验技术，实现超低温力学性能测试，从技术源头上解决超低温工程应用效应的关键难题，为国内其他建筑材料在超低温环境下的性能研究及工程应用打下基础。

1 超低温环境力学试验装置开发

结合低温工程多以测试混凝土、钢筋等力值较大的材料为主的实际需求，同时又兼顾其他建筑材料测试范围大、精度高的特点，采用200 t万能液压试验机作为主机设备开发配套超低温环境力学试验装置。既充分利用原有设备资源，又能拓展该设备相关功能。200 t万能液压试验机具有运行行程较大的特点，通过独特设计的试验夹具连接万能液压试验机和超低温环境力学试验装置,实现共同工作，使材料在一个恒定的超低温环境下能进行比较准确的力学性能测试。当需要测试超低温混凝土抗压强度或钢筋拉伸强度时，则将超低温环境模拟试验箱放置于万能试验机压缩平台上，分别通过设计专用的混凝土抗压试验夹具或钢筋拉伸实验夹具实现超低温环境箱箱体、试件与试验机的整体连接。

1.1 超低温环境力学试验装置测试系统设计

超低温环境力学试验装置集成国内现有成熟低温控制技术，在功能设计及夹具设计有所创新的基础上开发出来的。该试验装置能将试样冷却到设定温度并具有保温能力,能保证试验温度的稳定性和均匀性。同时， 既要能测试拉伸试件，又要能测试压缩试件。围绕上述功能需求设计测试系统，需要创造一个能进行力学性能测试的环境试验空间，且试验环境温度可控恒定。环境试验空间通过超低温环境箱的构造设计来实现，箱体内环境温度能在一定时间内保持恒定；力学控制及温度控制则通过万能试验机力学控制系统和试验装置温度控制系统来实现。整个力学试验过程在一个相对密闭的试验箱体内进行，从而确定由超低温环境箱、配套的拉伸及压缩力学试验夹具、冷媒输送系统、温度控制系统等构成该装置测试系统，如图1所示。

图1 超低温环境力学试验装置测试系统设计总图

各组成单元工作原理各不相同，选择最优配置及经济实用的方案，对各组成单元已有的成熟技术进行集成并在此基础上加以创新，使各组成单元功能相互配合，共同来实现测试功能。

超低温环境箱作为力学试验装置的一个重要组成单元，由箱体、箱盖及密封材料系统构成，其主要功能是为力学试验提供所需的具有恒定环境温度的试验操作空间。它一方面通过专用力学试验夹具连接万能试验机实现力学性能测试；另一方面通过冷媒输送系统、温度控制系统实现测试过程所需的超低温测试环境。在试验过程中，试验夹具和试件均安置于环境箱体内，箱体环境温度可在常温至-196 ℃之间任意调节并且保持设定温度恒定。

冷媒输送系统是力学试验装置的核心,包括液氮储罐、真空绝热液氮管路、低温电磁阀、氮气循环流道及液氮浸泡等单元。利用储气罐内少量液氮气化产生自增压原理，实现液氮从储气罐到超低温环境箱的传输，是一种比较经济实用的方法。打开增压阀时，产生自增压加到液氮上部，使容器能排放液氮或低温氮气。关闭液氮增压阀门后，过高的压力通过增压安全阀泄掉，从而保证使用的安全。

环境温度控制系统由温度传感器及温度控制器组成，其主要功能是实现对整个试验箱环境温度的数据采集、监控记录的实时远程控制。降温时间、设定温度、恒温时间、控温结束等组成温度控制参数，在控制器相关检测软件界面进行设定，采用PID算法自动控制温度，确保箱体内的温度均匀性在±2 ℃以内。当温度传感器采集的环境温度值偏离设定温度值时，PID控制根据测量温度值与设定温度值的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算，输出控制信号给电磁阀，控制液氮进入箱体的流量，促使环境温度值能在要求时间内达到设定温度值；液氮在箱体设定的流道运行，均匀分散，对箱体内放置的试件进行冷却，形成热交换，最后排出箱体外，后续不断补充交换的冷媒源起降温和保温的作用，达到自动控制的目的，如图2所示。

图2 温度控制系统工作原理图

1.2 超低温环境力学试验装置测试能力

通过与200 t万能试验机配合工作，启动超低温环境力学试验装置，在试验装置温度控制器自带软件上分别设定-40 ℃、-165 ℃、-195 ℃等不同温度控制参数，采用现场对比测试方法，检验试验装置实际控制环境温度效果，其中标准温度为铂金标准温度计所测值，显示温度为试验装置测试软件的显示温度值，结果如表1所示。

表1 试验装置环境温度测试结果

2 工程应用前景

超低温环境力学测试装置的成功开发在很大程度上解决了由于无法对材料进行超低温性能测试所带来的建造方自检、建设方验收和安全运营等重大问题，不但完善了国内土木工程低温测试技术，为我国低温测试技术在土木工程等产业的后期长效应用创造了科研试验条件，而且实现了超低温土木工程测试领域的重大突破，直接为投资方、设计方和建造方解决了超低温材料性能测试与验收等现实难题，推进了低温关键材料的研发及核心技术的国有化进程。

超低温环境力学测试装置不仅可用于测定混凝土、钢筋的低温力学性能，还可用于其他材料的低温力学性能的专业检测服务，采用该项测试手段，对超低温环境下的相关土木工程材料性能进行系统试验研究，可为我国政府职能部门决策提供专业的低温工程技术咨询和服务，也为我国尽早颁布专门的大型低温LNG储罐设计与建造规范创造最基本的研究条件。

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[12]BS 8110-1: 1997 Structural use of concrete - Code of practice for design and Construction[S].

[13]BS EN 14620:2006 Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical,flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0℃ and -165℃[S].

[14]ACI 318M-05 Building code requirement for structural concrete[S].

[15]NFPA 59A-2006 Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas (LNG)[S].

Development and Application of a New Device for Testing Mechanical Properties of Building Materials at Cryogenic Temperature

LIAO Juan1, ZHANG Tao1, WU Shuqing2, LI Xiaozhuo2, JI Wenzhan1, ZHANG Nan1, WANG Dongyan1, WANG Baohua1, ZHANG Donghua1

(1. Technical Center, China State Construction Engrg.Corp.LTD. Beijing 101300, China;2. China Construction Second Engineering Bureau, LTD, Beijing 100054, China)

In combination with the characteristics of 200 tons hydraulic universal testing machine, we develop a set of device for testing mechanical properties of building materials at cryogenic temperature. The test results show that the device have the function of testing the compressive property of concrete and tensile property of steel bar from room temperature to -196℃ accurately. The device has a good prospect of application which can meet to carry out mechanical testing research work at low temperatures and Technical Services of Cryogenic Engineering.

ultralow temperature;testing apparatus;concrent;steel bar

2013-09-11

廖 娟(1973-)，女，高级工程师，研究方向：水泥基材料及外加剂应用技术、材料测试技术。

TU244.5

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.007