不同超低温及其再回至常温时混凝土受拉强度试验研究*

刘景俊 梁海雅 韩猛 时旭东 崔一丹

1.中国石化青岛液化天然气有限责任公司 266499

2.清华大学土木工程系 北京100084

引言

天然气作为一种清洁高效能源，近年来需求量持续地增长［1］。天然气常温环境下为气态，目前通常对其采用低温液化的方式进行运输和存储。液化天然气（LNG）的温度约为-165℃，混凝土凭借其超低温下良好的性能常被用于建造这类大型低温储罐。由于常压下天然气的液化温度约为-165℃，且随着罐内储量的变化、罐内外环境温度的变化以及储罐闲置维修等情况，LNG储罐中的混凝土会经历超低温再回至常温等多种超低温作用工况。混凝土超低温力学性能必然会对LNG储罐类混凝土结构的受力性能及其安全性产生影响，故有关这方面的研究对天然气等行业的发展有着重要意义。

已有的混凝土超低温力学性能的研究大多以其受压性能为主，而在其受拉强度方面的探讨相对较少。一些学者［2，3］通过试验给出低温下混凝土受拉强度与受压强度间的近似关系；还有些学者［4-6］通过试验探讨了不同关键因素对混凝土低温受拉强度的影响并给出相关表达式。但这些研究主要关注于低温作用下的混凝土受拉强度变化规律，而对不同超低温作用工况如经历超低温作用后再回至常温时的受拉强度变化情况及其离散性等则极少涉及，故有必要在这些方面进行探讨。

本文基于某液化天然气工程并考虑这类工程的实际情况，然后再结合已有的相关研究，通过对不同超低温时以及经历超低温再回至常温时的混凝土进行劈裂抗拉试验，探讨其混凝土受拉强度变化规律，并考察其离散特性，以便为LNG储罐类混凝土结构设计和安全性能评估提供依据。

1 试验概况

1.1 试验内容及其试件

根据已有的相关研究［7-9］，超低温作用下混凝土的受力性能受很多因素的影响，如混凝土的强度等级、含水率以及作用的低温和升降温速率等。本文按实际液化天然气工程情况，试验考察的混凝土强度等级为C50，选取-40℃、-80℃、-120℃、-160℃及-190℃共5 种作用温度，并再分为超低温时加载和经历超低温再回至常温时加载两种情况，主要探讨不同超低温作用以及经历超低温回至常温作用对混凝土受拉强度及其离散性的影响。试验内容及其试件编号如表1 所示。其中，NTS-*和CTS-＆-*分别表示混凝土常温和作用的超低温为＆时受拉强度试验的第*个试件；CRTS-＆-*表示混凝土作用的超低温为＆后再回至常温时受拉强度试验的第*个试件。例如，编号CRTS-40-3 表示混凝土作用超低温为-40℃后再回至常温时进行受拉强度试验的第3个试件。为考察混凝土受拉强度的离散性，结合已有的试验情况相同作用工况试件数为5 ～9 个。

所有试件均为边长100mm 的立方体形式。为避免其他因素对试验结果的影响，试件混凝土的组分和配合比均相同。其混凝土配合比为水泥∶矿粉∶粉煤灰∶砂∶石∶水∶外加剂＝1∶0.1∶0.1∶2.07∶2.43∶0.36∶0.017。其中，水泥为P. O 42.5 普通硅酸盐水泥；掺合料为S95 级矿粉和Ⅱ级粉煤灰；粗骨料为5mm ～16mm连续级配碎石；细骨料为河砂、中砂；外加剂为聚羧酸高性能减水剂。

1.2 试验装置和试验流程

混凝土超低温性能试验装置包括超低温加载系统、超低温作用系统以及超低温量测系统等。其中，超低温加载系统为与超低温作用试验炉相配套的加载试验机，超低温作用系统为超低温作用试验炉及其制冷剂储存罐，超低温量测系统则为与之配套的量测、数据采集、显示和贮存装置。混凝土超低温性能试验的主要试验装置如图1 所示。

图1 混凝土超低温性能试验的主要试验装置Fig.1 The main test equipment for the ultra low temperature performance test of concrete

首先将混凝土试件置于超低温试验炉内，根据已有的混凝土低温温度场试验结果［7］，采用1℃／min 的降温速率降至给定超低温再恒温6h，以确保试件温度分布均匀以及避免降温过程中因温度分布梯度过大造成的内部结构损伤。对于常温降至给定超低温时加载的试件，以不大于0.2MPa／s加载速度均匀加载至其劈裂抗拉破坏获取破坏时最大荷载值；对于常温降至给定超低温再回至常温时加载的试件，先降至给定超低温并恒温6h 后取出装入密闭塑料膜包裹袋至常温下48h后再以相同加载方式加载至其劈裂抗拉破坏获取破坏时最大荷载值。

本次混凝土经历超低温及其再回至常温时劈裂抗拉强度试验的流程如图2 所示。

图2 混凝土经历超低温及其再回至常温时劈裂抗拉强度试验流程Fig.2 Flow chart of experimental study on tensile strength of concrete subjected to ultralow temperatures and returning to room temperature

2 试验宏观现象及其试件破坏特征

2.1 超低温作用前后试件表观情况

经历超低温作用试件，其表面的颜色随作用的超低温降低逐渐地显现出差异但不明显；与未经历超低温作用时相比也未有很明显的差异，但经历超低温作用再回至常温时的表面颜色未恢复到未经历低温作用的常温时状态。

经历各种超低温作用试件，无论是超低温作用时还是再回至常温时其表面均未见明显的龟裂、蜕皮等现象，也未发现其棱角因冻或回温而缺失。试件劈裂抗拉加载面超低温作用及其再回至常温时均未见有明显的变化，其面基本平整。

2.2 劈裂抗拉加载时宏观现象及试件破坏特征

无论是经历各超低温作用还是再回至常温时，试件在其劈裂抗拉加载过程中均有非密集状的裂缝开展发出的劈裂声。所有试件在整个加载过程中发出的劈裂声次数虽不同但均较少。这些劈裂声均较轻微，不同温度作用工况间差异也不明显。

同样试件劈裂抗拉破坏时均伴有声响，但不同温度作用工况破坏时发出的响声及其清脆程度存在明显的差异。未经历超低温作用的常温试件破坏时的声响均小且短促、闷哑；对于经历超低温作用试件，超低温时劈裂抗拉加载的破坏声响随作用的超低温降低由微弱、短促且闷哑逐渐地转为巨响、稍长且清脆，而再回至常温时劈裂抗拉加载的破坏声响又接近于未经历超低温作用的常温试件，且随作用的超低温降低相差不大。

图3 为试件常温、-40℃、-80℃、-120℃、-160℃以及-190℃时劈裂抗拉加载的破坏面情况。可看出，随作用的超低温降低，因砂浆与粗骨料间粘结性能提高导致破坏面粗骨料被劈裂情况更加明显，相应的砂浆与粗骨料界面间的拉脱破坏现象更少甚至未见有这种现象，破坏面也因其更加平整。但经历不同超低温作用的试件破坏面内部均可见松酥和砂浆与粗骨料界面处裂缝等情况。

图3 试件常温和经历不同超低温时加载的破坏面情况Fig.3 The failure surface of specimens under loading at room temperature and different ultralow temperatures

图4 为试件经历-40℃、-80℃、-120℃、-160℃以及-190℃再回至常温时劈裂抗拉加载的破坏面情况。对于这种温度作用工况试件，其破坏面特征与作用的超低温间未显现出明显的规律性。各试件破坏面处内部基本上均存在松酥和砂浆与粗骨料界面处裂缝等情况，破坏面处都有些残渣，也存在一些滑移面但较少。但不同超低温再回至常温时加载的破坏面情况差异较大，且相较于未经历超低温作用试件，破坏面差异现象更加明显。各试件破坏面凸凹情况差异也较大，没有超低温时劈裂抗拉加载试件的破坏面平整，但大体上也平整。其破坏面上粗骨料大多被劈裂，有些试件也可见其破坏面的砂浆与粗骨料界面处拉脱破坏情况。

图4 试件常温和经历不同超低温再回至常温时加载的破坏面情况Fig.4 The failure surface of the specimen under loading at room temperature and returning to room temperature from different ultralow temperatures

3 试验结果及其分析

为便于分析比较，将超低温时和经历超低温再回至常温时加载试验获得的混凝土受拉强度除以未经历超低温作用的常温试件（基准试件）混凝土受拉强度，分别得到混凝土的超低温相对受拉强度λts和经历超低温再回至常温相对受拉强度λrts，相应地分别给出混凝土的超低温受拉强度变异系数δts和经历超低温再回至常温受拉强度变异系数δrts，然后据此探讨混凝土超低温时及经历超低温再回至常温时受拉强度变化规律及其离散性。

3.1 超低温作用对混凝土超低温时受拉强度及其离散性的影响

图5a 是由试验给出的降温至给定超低温时进行劈裂抗拉加载的混凝土相对受拉强度λts与其作用的超低温T间的关系。可看出，随作用的超低温降低，λts总体上呈不断地增大趋势，但具体到各超低温作用区间其变化规律又有所不同。从常温降至-80℃时，λts有较显著的增加，且随作用的超低温呈线性变化趋势。-80℃时的受拉强度约为未经历超低温作用的常温试件混凝土的2 倍；-80℃至-120℃区间，λts变化幅度显著地降低，此时的λts基本上处于较为稳定状态，该温度区间为混凝土超低温时受拉强度峰值区；温度降至-120℃后，λts不再随作用的超低温降低增加，而呈下降态势，不过-160℃后λts又开始趋于稳定变化状况。-190℃时的λts仍达未经历超低温作用的常温试件混凝土的1.68 倍。可见，混凝土受拉强度并非随作用的超低温降低而不断地提高，存在峰值的超低温区间。

图5b是由试验给出的降温至给定超低温时混凝土受拉强度的变异系数δts与其作用的超低温T间的关系。可看出，随作用的超低温降低，δts总体上呈减小趋势。其中，降温至-160℃时的δts最小，从常温时的37%降至10%。同时，不同超低温作用下的δts均比常温时要小。可见，作用的超低温并未使混凝土受拉强度的离散性变大，反而使其减小且减小程度与作用的超低温有关。产生这一现象的主要原因在于超低温作用使混凝土的砂浆与粗骨料间粘结性能提高，进而改善了混凝土薄弱处的离散性。

图5 降温至给定超低温时的混凝土λts-T 和δts-T 间关系Fig.5 λts-T and δts-T relation of concrete at given cryogenic temperatures

3.2 超低温作用对混凝土经历超低温再回至常温时受拉强度及其离散性的影响

图6a是由试验给出的降温至给定超低温再回至常温时加载的混凝土相对受拉强度λrts与其作用的超低温T间的关系。可看出，随作用的超低温降低再回至常温，λrts总体上呈波动状且较为稳态的变化趋势。相对于未经历超低温作用的常温试件混凝土受拉强度，经历不同超低温再回至常温时λrts的波动幅度在0.71 至1.37 之间。虽不同超低温作用工况下混凝土相对受拉强度的波动幅度较大，但从其变化趋势可看出，降温至各给定超低温再回至常温这种作用工况并未使混凝土受拉强度出现恶化态势。

图6 降温至给定超低温再回至常温时的混凝土λrts-T 和δrts-T 关系Fig.6 λrts-T and δrts-T relation of concrete at given cryogenic temperatures and returning to room temperature

图6b是由试验给出的降温至给定超低温再回至常温时加载的混凝土受拉强度变异系数δrts与其作用的超低温T间的关系。可看出，随作用的超低温降低再回至常温，δrts总体上呈先减小后增大的趋势。其中，δrts在-120℃时达到最小；-120℃后虽然有所上升，但均比未经历超低温作用的常温试件混凝土的δrts要小。可见，作用的超低温再回至常温这种工况并未使混凝土受拉强度的离散性变大，反而同超低温时劈裂抗拉加载这种工况相似，结果使其也减小且减小程度与作用的超低温有关。产生这一现象的主要原因在于混凝土经历超低温再回至常温时的砂浆与粗骨料间粘结性能虽未能提高，但由于温度应力及其正反变化使此处诸如应力集中和变形协调等受力状态发生了一定的改变，进而改善了混凝土薄弱处的离散性。

3.3 混凝土超低温时与其再回至常温时受拉强度及其离散性间比较

图7 是由试验获得的降温至各给定超低温再回至常温时加载与降温至各给定超低温时加载的混凝土受拉强度及其变异系数间比值变化情况。

从图7a 中可看出，随作用的超低温降低，经历超低温再回至常温时与超低温时的混凝土受拉强度比值均小于1 且基本上呈减小趋势。产生这一变化特征在于试件经历超低温作用再回至常温时混凝土受拉强度始终要比超低温作用时小，且两者相差的幅度随作用的超低温降低导致的混凝土超低温时受拉强度不断地提高而使其呈增大趋势。其中，当作用的超低温降至-120℃时，其比值竟降至0.33。这表明混凝土受拉强度在-120℃附近的经历超低温再回至常温时与超低温时劈裂抗拉加载两种作用工况背离程度较为严重。故在LNG 储罐类混凝土结构设计及其安全性能评估时应注意不同超低温作用工况下混凝土受拉强度变化特点。

图7 超低温再回至常温时与超低温时混凝土受拉强度及其变异系数比值Fig.7 Ratio of concrete tensile strength and its variation coefficient at ultralow temperatures and returning to room temperature

从图7b 中可看出，同经历超低温再回至常温时与超低温时的混凝土受拉强度比值相比，其变异系数比值随作用的超低温降低的变化规律则有所不同，它虽也呈波动状但呈明显的增大趋势。这表明经历超低温作用再回至常温时混凝土受拉强度离散性随作用的超低温降低减小程度要低于超低温作用时。

3.4 不同超低温区间混凝土超低温时及其再回至常温时受拉强度及其离散性

依据试验选取的超低温考察常温～-40℃、-40℃～-80℃、-80℃～-120℃、-120℃～-160℃及-160℃～-190℃等5 个超低温区间，由试验获得的结果分别计算各个超低温区间下限温度时与上限温度时混凝土相对受拉强度变化率Δλts及其变异系数变化率Δδts。同样，由试验获得的结果可计算得到各超低温区间经历超低温再回至常温时混凝土相对受拉强度变化率Δλrts及其变异系数变化率Δδrts。

图8a为不同超低温区间降温至给定超低温时及其再回至常温时混凝土相对受拉强度的变化率Δλts、Δλrts。从图中可看出，各超低温区间降温至给定超低温时的Δλts在0 附近上下波动，其变化幅度在-0.34 到0.67 之间。但较高超低温温度区间的Δλts始终为正，而较低超低温温度区间的Δλts始终为负。而且即使在较高或较低的各超低温区间，Δλts的变化也是不同的；各超低温区间降温至给定超低温再回至常温时的Δλrts与Δλts相比则有所不同。虽开始降温的各个超低温区间的混凝土相对受拉强度均呈逐渐下降趋势，但随作用的超低温降低Δλrts很快便进入负值区间，直至进入较低超低温区间（- 120℃ ～

-160℃）才恢复至正值区间，不过随后Δλrts又进入负值区间。可见，降温至给定超低温再回至常温时的混凝土受拉强度变化较为复杂，没有明显的变化规律。总之，实际LNG 储罐类混凝土结构设计应注意混凝土受拉强度在各超低温区间及其不同的超低温作用工况变化的差异性。

图8b为不同超低温区间降温至给定超低温时及其再回至常温时混凝土受拉强度变异系数的变化率Δδts、Δδrts。从图中可看出，无论降温至给定超低温时还是降温至给定超低温再回至常温时，它们在超低温区间的混凝土受拉强度变异系数变化率的变化趋势相近，均随超低温区间的上下限温度降低逐渐地增大，仅降温至给定超低温时波动性较大。Δδts和Δδrts在常温～-160℃共4个超低温区间内均小于0。这表明在这些超低温区间内随作用的超低温降低混凝土受拉强度变异系数均呈逐渐地减小趋势。但较低超低温温度区间混凝土受拉强度离散性变化率要比较高超低温温度区间大。

图8 不同超低温区间降温至给定超低温时及其再回至常温时混凝土受拉强度及其变异系数变化率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 结论

通过对降温至给定超低温时及其再回至常温时混凝土受拉强度试验，可得到以下主要结论：

1.超低温时及其再回至常温时的混凝土试件劈裂抗拉破坏面特征与未经历超低温的常温试件基本相同，仅超低温时试件破坏面更加平整、破坏面处未见未有劈裂的粗骨料，其脆性破坏特征更加明显。

2.随作用的超低温降低，混凝土超低温受拉强度总体上呈不断地增大趋势，但其变异系数却波动地减小、且均低于未经历超低温作用的常温时。

3.经历超低温再回至常温时混凝土受拉强度随作用的超低温降低呈波动状且基本上较为稳态的变化趋势，未显现出恶化迹象。而其变异系数却呈先减小后增大的变化趋势，但均低于未经历超低温作用的常温时。

4.随作用的超低温降低，混凝土超低温时与经历超低温再回至常温时的受拉强度比值始终小于1 且基本上呈减小趋势，但其变异系数比值则呈增大趋势。故实际LNG 储罐类混凝土结构设计及其安全性能评估时应注意经历不同超低温作用的超低温时及其再回至常温时混凝土受拉强度和离散性变化的差异性。

5.降温至给定超低温时及其再回至常温时各温度区间混凝土受拉强度变化率变化较为复杂。对于前者，在较高超低温温度区间的混凝土受拉强度变化率始终为正，而在较低超低温温度区间则始终为负；对于后者，随作用的超低温区间上下限温度降低，其混凝土受拉强度变化率呈正负反复变化状态，没有明显的规律性。

6.降温至给定超低温和经历超低温再回至常温在超低温区间混凝土受拉强度变异系数变化率的变化趋势相近，均随超低温区间的上下限温度降低逐渐地增大，仅降温至给定超低温时的波动性较大。