不同超低温作用工况混凝土受拉受压强度间关系试验研究

时旭东 崔一丹 韩源海

(清华大学土木工程系 北京 100084)

1 引言

随碳达峰、碳中和等战略的提出和绿色低碳理念的落实,天然气作为低碳型绿色清洁能源在一次能源消费结构中所占比例持续地上升[1]。目前通常采取低温常压方式将天然气置于约-165 ℃的超低温环境中液化存储,混凝土则成为建造大型液化天然气(LNG)储罐结构的基本材料[2]。实际工程中的LNG储罐类混凝土结构既要确保其安全度,又要避免混凝土开裂以满足其运行过程中的密闭功能。由于此类混凝土结构所处的实际超低温环境较为复杂且多变,其结构中不同位置的混凝土必然会处于受压、受拉等多种受力状态。因此,对不同超低温作用工况下混凝土受压、受拉强度间及其离散性间关系进行研究具有实际工程应用价值。

目前已有一些学者对超低温作用下混凝土的力学特性进行了研究[2-10],但多仅针对作用的低温以及混凝土的含水率和强度等级等因素、较少涉及到不同的超低温工况对混凝土强度的影响[7-10],且也多仅关注单因素[7-8]或多因素耦合作用下[9-10]混凝土受拉强度或受压强度等单一力学指标的变化特性,而对如混凝土超低温下受压与受拉强度间关系等情况研究很少。故有必要在这方面进行探讨。

本研究将基于LNG 储罐结构中混凝土的实际超低温环境情况和已有的相关研究结果,通过试验考察典型工况下混凝土受拉、受压强度及其离散性的变化情况,探讨不同超低温作用工况对混凝土受拉、受压强度间及其离散性间关系的影响,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。

2 试验概况

2.1 试验内容及其试件

考虑LNG 类储罐结构混凝土实际可能遭遇的超低温环境情况,这里选取-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃、-160 ℃及-190 ℃共5 种具有代表性的作用温度,并分为超低温时以及两种较为极端的经历超低温再回至常温方式即直接和以较为缓慢的速率(1 ℃/min)回至常温时共3 种工况进行加载,以探讨不同超低温作用工况下混凝土受拉、受压强度间及其离散性间的关系。

试验试件均为同批浇注的边长100 mm 的立方体,混凝土的设计强度等级均为C50、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,粗骨料为粒径5—16 mm 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。

本次试验的内容及其试件编号如表1 所示。试件编号中,C1 或C2、C3 分别对应于常温降至给定超低温以及常温降至给定超低温后直接回至常温和以1 ℃/min 匀速地回至常温3 种温度作用工况,这里相应地简称为工况1、工况2 和工况3;TS 或CS 分别表示进行受拉和受压强度试验,紧随TS 或CS 的数字表示作用的超低温温度值;而最右侧的数字则表示相同工况和超低温温度下混凝土受拉或受压强度试验试件的顺序号。混凝土超低温受拉和受压强度相同工况和超低温温度下均分别取5 个和4 个试件进行试验以考察其离散性。

表1 试验内容及其试件编号Table 1 Test content and specimen number

2.2 试验装置和试验流程

本试验的试验装置包括超低温作用系统、加载系统以及量测系统等。其中,超低温作用系统包括超低温试验炉及其制冷剂储存罐等,加载系统为与超低温试验炉相配套的加载试验机,量测系统则为与加载系统配套的量测装置。

根据已有的混凝土低温温度场研究结果[11],为避免降温速率过快造成混凝土内部结构损伤,所有工况的试验采用1 ℃/min 速率降温至给定超低温。为消除降温至给定超低温值时试件内部温度因混凝土的热惰性分布不均匀,所有试件达给定超低温时均恒温6 h。其中,工况1 对应于由常温降至给定超低温再恒温6 h 然后直接加载;工况2 对应于先降至给定超低温并恒温6 h,然后从超低温试验炉内取出试件装入密闭塑料膜包裹袋至常温下48 h 后再加载;工况3 对应于先降至给定超低温并恒温6 h 后再以1 ℃/ min速率回至常温,然后从超低温试验炉内取出试件装入密闭塑料膜包裹袋至常温下48 h 后再加载。

对于加载阶段,所有的受拉强度和受压强度试件分别以不大于0.2 MPa/s 加载速度施加劈裂抗拉荷载和以不大于0.6 MPa/s 加载速度施加轴心受压荷载至其破坏。不同超低温作用工况混凝土受拉受压强度试验的流程如图1 所示。

图1 不同超低温作用工况混凝土受拉受压强度试验流程图Fig.1 Flow chart of concrete tensile and compressive strength test under different ultralow temperature action conditions

3 试验结果及其分析

为方便比较分析,将试验获得的3 种工况(工况1、工况2 及工况3)下混凝土的受压强度和受拉强度相应地除以其未经历超低温作用的受压强度或受拉强度分别得到3 种工况混凝土的相对受压强度(λ1cs、λ2cs及λ3cs)和相对受拉强度(λ1ts、λ2ts及λ3ts);为讨论不同超低温作用工况混凝土受压、受拉强度的离散性,还分别给出3 种工况(工况1、工况2 及工况3)混凝土的受压强度变异系数(δ1cs、δ2cs及δ3cs)和受拉强度变异系数(δ1ts、δ2ts及δ3ts)。然后据此探讨不同超低温作用工况混凝土受拉、受压强度间以及离散性间的关系。

3.1 不同超低温作用工况混凝土受拉受压强度间关系

图2 为降温至给定超低温时(工况1)混凝土的相对受拉强度λ1ts、相对受压强度λ1cs与作用的超低温T间的关系。可看到,λ1ts和λ1cs的值均大于1,即表明混凝土的受拉强度和受压强度超低温下均有所提升,但λ1ts和λ1cs随T的变化规律却有所不同。λ1cs随T降低除-40 ℃时增大幅度稍大外总体上呈波动地增大的变化趋势,-190 ℃时达峰值,其值为2.04;而λ1ts随T降低则呈先增大后有所减小的阶段性变化态势。其中,0— -120 ℃温度区间时,λ1ts随T降低逐渐地增大,但增大速率随T进一步地降低而减慢。λ1ts在-120 ℃附近达最大值,其值为2.13;-120— -190 ℃温度区间时,λ1ts随T降低将逐渐地减小。-190 ℃时的λ1ts值回至1.68。

图2 降温至给定超低温(工况1)的混凝土λ1ts-T、λ1cs-T 间关系Fig.2 λ1ts-T and λ1cs-T relation of concrete at given ultralow temperatures (condition 1)

同一作用的低温T下,λ1ts和λ1cs间的相对关系也呈现出一定的阶段性变化特性。0— -120 ℃温度区间时,λ1ts>λ1cs>1,即此时相同超低温作用下混凝土受拉强度的提高幅度大于受压强度;而-160—-190 ℃温度区间时,λ1cs>λ1ts>1,即此时相同超低温作用下混凝土受压强度的提高幅度却大于受拉强度,且两者的差值随T降低还有所增大。出现这种现象的主要原因在于混凝土的孔隙水随作用的超低温降低不断地结冰和其薄弱处即砂浆与粗骨料界面处的黏结性能低温作用下增强。它们都将导致混凝土受压强度的提高,而混凝土受拉强度的提高则主要取决于后者。

图3 为降温至给定超低温后再直接回至常温时(工况2)混凝土的相对受拉强度λ2ts、相对受压强度λ2cs与作用的超低温T间的关系。可看到,对于λ2cs,随T降低总体上呈先增大后较为平稳的变化趋势。-40 ℃时λ2cs便达其峰值,其值为1.43。当T低于-40 ℃时,λ2cs基本上与作用的超低温值无关,也即可不考虑更低超低温对λ2cs的影响;而对于λ2ts,随T降低则呈波动状且较为稳态的变化趋势。λ2ts基本上在1.00 附近上下波动,其波动范围约在0.71 至1.21之间。

图3 降温至给定超低温后再直接回至常温(工况2)时的混凝土λ2ts-T、λ2cs-T 间关系Fig.3 λ2ts-T and λ2cs-T relation of concrete subjected to returning to room temperature directly from given ultralow temperatures (condition 2)

不过随T降低,λ2cs始终大于λ2ts,即相同超低温作用后再直接回至常温(工况2)时混凝土的受压强度提高幅度始终大于受拉强度。

图4 为降温至给定超低温后再以1 ℃/ min 匀速地回至常温时(工况3)混凝土的相对受拉强度λ3ts、相对受压强度λ3cs与作用的超低温T间的关系。可看到,工况3 下λ3cs和λ3ts随T降低的变化规律较为相似,均呈波动且较为稳态的变化趋势。λ3cs和λ3ts绝大多数情况下均略大于1,即混凝土的受压强度和受拉强度在经历超低温后再以1 ℃/ min 匀速地回至常温时的受压、受拉强度均未有恶化。λ3cs和λ3ts的值约在1.10 处上下波动,且波动幅度随T降低呈稍有减小态势,但λ3ts的波动幅度要大于λ3cs。其中,λ3ts的波动范围为0.97 至1.38,而λ3cs的波动范围仅在1.01 至1.18 之间。

图4 降温至给定超低温后再以1 ℃/min 匀速地回至常温时(工况3)的混凝土λ3ts-T、λ3cs-T 间关系Fig.4 λ3ts-T and λ3cs-T relation of concrete subjected to returning to room temperature at a rate of 1 ℃/min from given ultralow temperatures (condition 3)

3.2 不同超低温作用工况混凝土受拉受压强度离散性间关系

图5 为降温至给定超低温时(工况1)混凝土的受拉强度变异系数δ1ts、受压强度变异系数δ1cs与作用的超低温T间的关系。可看到,常温下混凝土的受压强度变异系数明显地小于受拉强度变异系数,即常温下混凝土受压强度离散性显著地低于受拉强度离散性。但随T降低,δ1cs呈波动且增大速率较缓慢的变化趋势;而δ1ts则呈波动地减小的变化趋势,且0—-80 ℃温度区间时减小速率较快、-80— -190 ℃温度区间时减小速率较慢。但当T低于-80 ℃后,δ1cs和δ1ts的值变得较为接近,可认为此时的混凝土受压、受拉强度离散性趋于一致。产生这一现象的主要原因在于作用的超低温使混凝土的薄弱处即砂浆与粗骨料界面附近受力性能得到大幅的改善,进而减少由此处带来的强度离散性,但因混凝土的脆性也将明显增加导致混凝土受压强度离散性并未因其而改善。

图5 降温至给定超低温(工况1)的混凝土δ1ts-T、δ1cs-T 间关系Fig.5 δ1ts-T and δ1cs-T relation of concrete at given ultralow temperature (condition 1)

图6 为降温至给定超低温后再直接回至常温时(工况2)混凝土的受拉强度变异系数δ2ts、受压强度变异系数δ2cs与作用的超低温T间的关系。可看到,工况2 下δ2cs和δ2ts随T降低的变化规律较为相似,均呈波动地减小的变化趋势。但δ2ts的波动幅度明显大于δ2cs,并且δ2ts总是大于δ2cs。这表明不论作用的超低温高低此工况混凝土的受拉强度离散性总是显著地大于受压强度。

图6 降温至给定超低温再直接回至常温时(工况2)的混凝土δ2ts-T、δ2cs-T 间关系Fig.6 δ2ts-T and δ2cs-T relation of concrete subjected to returning to room temperature directly from given ultralow temperatures (condition 2)

图7 为降温至给定超低温后再以1 ℃/min 匀速地回至常温时(工况3)混凝土的受拉强度变异系数δ3ts、受压强度变异系数δ3cs与作用的超低温T间的关系。可看到,此工况下δ3cs和δ3ts随T降低的变化规律与工况2 较为相似,均呈波动地减小的变化趋势且δ3ts总是大于δ3cs。但δ3ts的波动幅度明显大于δ3cs,且δ3ts随T降低下降的幅度极为显著。不过T低于-120 ℃后,δ3ts和δ3cs却变得较为接近且变化趋于一致。

图7 降温至给定超低温再以1 ℃/min 匀速地回至常温时(工况3)的混凝土δ3ts-T、δ3cs-T 间关系Fig.7 δ3ts-T,δ3cs-T relation of concrete subjected to returning to room temperature at a rate of 1 ℃/min from given ultralow temperatures (condition 3)

3.3 不同超低温作用工况对混凝土受拉受压强度间及其离散性间关系影响

为便于比较不同超低温作用工况对混凝土受拉、受压强度间以及其离散性间关系的影响,这里由试验获得的结果分别给出3 种作用工况(工况1、工况2及工况3)下混凝土相对受拉受压强度差值比即混凝土的相对受拉强度与相对受压强度差值除以相对受压强度及3 种作用工况(工况1、工况2 及工况3)下混凝土受拉受压强度变异系数差值比即混凝土的受拉强度变异系数与受压强度变异系数差值除以受压强度变异系数。其中,

图8 为工况1、工况2 以及工况3 混凝土相对受拉受压强度差值比间的比较。可看出,不同超低温作用工况下混凝土相对受拉受压强度差值比随作用的低温T的变化情况有所不同。

图8 工况1、工况2 以及工况3 混凝土相对受拉受压强度差值比-T 间关系Fig.8 -T relation of concrete under condition 1,condition 2 and condition 3

对于降温至给定超低温时(工况1),随T降低呈先增大后减小的变化趋势。T不低于-80 ℃时,为正且随T降低而增大。-80 ℃时达峰值,其值为0.69;而T低于-80 ℃时,则随T降低逐渐减小直至小于0。-190 ℃时的值已减至-0.18。

对于降温至给定超低温后再直接回至常温时(工况2),随T降低总体上呈先减后增的变化趋势。T不低于-120 ℃时,为负且随T降低而 减小。-120 ℃时达最小值,其值为-0.49;T低于-120 ℃时,为负且随T降低而增大。而对于降温至给定超低温后再以1 ℃/min 匀速地回至常温时(工况3),随T降低一直在0 附近呈波动状稍有下降的变化趋势。这表明此时的混凝土相对受拉强度与相对受压强度值较为接近且可忽略作用的超低温变化。

图9 为工况1、工况2 以及工况3 混凝土受拉受压强度变异系数差值比间的比较。可看出,大部分情况下3 种工况下的均大于0,且随作用的低温降低,工况1 的和工况3 的呈波动减小、工况2 的呈波动增加的变化趋势。可见,3 种工况下混凝土受压强度的离散性基本上均小于其受拉强度。

图9 工况1、工况2 以及工况3 混凝土受拉受压强度变异系数差值比-T 间关系Fig.9 -T relation of concert under condition 1,condition 2 and condition 3

由工况1、工况2 以及工况3 混凝土相对受拉受压强度差值比间的比较可看出,工况1 的与工况2 的和工况3 的随作用的超低温T降低的变化规律明显不同;而工况2 的与工况3 的间随T降低的变化特性虽有差异但不很明显,总体上都可归于波动状下降态势,仅前者的波动幅度相对较大。鉴于工况2 和工况3 两种工况分别对应于快速回温和缓慢回温两种极端情况,故实际工程中为简化起见可忽略回温方式对混凝土经历超低温回至常温后相对受拉受压强度差值比的影响。于是可将作用工况分为超低温时和经历超低温再回至常温时两种情况由试验所获得的结果拟合给出其混凝土相对受拉受压强度差值比表达式:

超低温时

经历超低温再回至常温时

于是由的拟合公式可得不同超低温工况下混凝土受拉受压强度比表达式:

超低温时

经历超低温再回至常温时

4 主要结论

通过由常温降至超低温(-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃、-160 ℃和-190 ℃)以及由经历超低温再直接回至常温和以1 ℃/min 匀速地回至常温共3 种超低温作用工况下混凝土受压受拉强度试验,可得以下主要结论:

(1)随作用的超低温降低,混凝土相对受压强度总体上波动地增大,而其相对受拉强度则呈先增大后减小的阶段性变化状。混凝土相对受拉受压强度差值比基本上呈先增大后减小的变化趋势。

(2)对于经历超低温再直接回至常温工况,混凝土相对受压强度随作用的超低温降低呈先增大后平稳的变化状,而其相对受拉强度则呈波动状但较为平稳地变化。混凝土相对受拉受压强度差值比基本上呈先减小后有所增大的变化趋势。

(3)对于经历超低温再以1 ℃/ min 匀速地回至常温工况,混凝土相对受压受拉强度均稍有增大,且随作用的超低温降低呈波动幅度逐渐减小的稳态变化趋势,相互间也逐渐变得较为接近。

(4)随作用的超低温降低,混凝土超低温时受压受拉强度的离散性分别呈缓慢增大和先迅速后缓慢地减小的变化趋势。但作用的超低温较低时两者的离散性接近且变化基本趋于一致。

(5)对于经历超低温再直接和以1 ℃/min 匀速地回至常温工况,混凝土受压强度的离散性均总是小于受拉强度,且两者随作用的超低温降低呈波动状减小的变化趋势,但受压强度的离散性波动幅度要小于受拉强度。

(6)由试验获得的不同超低温作用工况下混凝土受拉受压强度比拟合表达式可为相关规范的编制、修订及低温储罐类结构的设计和安全评定提供参考。