時旭東 韓大全 于金偉 梁海雅 王筱萌

1.清華大學土木工程系 北京100084

2.中國石化青島液化天然氣有限責任公司 266499

引言

天然氣作為清潔高效的化石能源，近年來在我國能源結構中的地位不斷地提高［1］。因天然氣液化時體積約為氣態(tài)時的1／600，故其存儲和運輸常采用液化的形式。但此時的溫度約達-165℃［2］，屬于超低溫的范疇，且隨液化天然氣（LNG）儲量的變化，其儲罐結構混凝土還可能遭受常溫至給定超低溫間不同溫度的作用。因此，有必要對混凝土經歷常溫至給定超低溫間各種溫度作用工況的力學性能及其超低溫下離散特性進行研究。

目前，有關混凝土超低溫下的力學性能已有不少的研究。一些學者給出了混凝土超低溫作用下受壓強度與含水率、作用的超低溫間的關系［3～5］；還有一些學者［6，7］對混凝土經歷常溫至給定超低溫不同溫度區(qū)間凍融循環(huán)作用工況下的力學性能進行了探討，其結果表明，混凝土經歷-190℃再回至常溫其受壓強度將出現(xiàn)惡化，經歷超低溫凍融循環(huán)作用其受壓強度隨凍融循環(huán)作用次數增多也呈惡化趨勢；文獻［8］通過試驗給出超低溫下混凝土受拉強度變化規(guī)律，并表明其試驗結果離散性較大；文獻［9］給出不同強度等級混凝土-190℃時相對受壓強度及其標準差，表明混凝土超低溫受壓強度離散性較大，但文獻［8］和文獻［9］均未進行深入地探討。

由于混凝土超低溫下受力性能涉及到的影響因素眾多，目前已有的相關研究尚未能全面地反映其變化規(guī)律，還需進一步地對諸如混凝土經歷各超低溫再回溫的受力性能等進行探討，并考察其離散特性。本文基于某液化天然氣工程并考慮這類工況的實際情況，然后再結合已有的相關研究，探討經歷不同超低溫混凝土在其超低溫時及其再回至常溫時受壓強度和離散性變化規(guī)律，以便為LNG儲罐類混凝土結構設計及其安全性能評估提供依據。

1 試驗概況

已有的試驗表明，混凝土超低溫作用時及經歷超低溫作用回至常溫時的力學性能與未經歷超低溫作用間有顯著差異［10］，并與混凝土的強度等級、含水率以及作用的超低溫和升降溫速率等有關。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作用后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壓強度及其離散性的影響。具體的試驗內容和相應的試件編號見表1。

表1 試驗內容及其試件編號Tab.1 Test content and specimen number

表1 中，NCS-＃和CCS-＆-＃分別表示混凝土常溫和作用的超低溫為＆時受壓強度試驗的第＃個試件；CRCS-＆-＃表示混凝土作用的超低溫為＆后再回至常溫時受壓強度試驗的第＃個試件。例如，編號CRCS-40-9 表示混凝土作用超低溫為-40℃后再回至常溫時進行受壓強度試驗的第9個試件。為考察混凝土受壓強度的離散性，結合已有的試驗情況，相同作用工況進行4 ～9 個試件的試驗。

因混凝土的熱惰性，為避免試件混凝土溫度分布不均以及降溫過程中由其造成的內部結構損傷，結合已有的混凝土低溫溫度場試驗結果［11］，本次試驗采用1℃／min 的速率降至預定超低溫時再恒溫6h；對需再回至常溫的試件，將其從超低溫試驗爐中取出裝入塑料膜包裹袋密閉至常溫下48h。

本次試驗采用的混凝土試件均為100mm ×100mm ×100mm 的立方體，其混凝土配合比見表2。其中，水泥采用P. O 42.5 普通硅酸鹽水泥，摻合料為礦粉和粉煤灰，粗骨料為5mm ～16mm連續(xù)級配碎石，細骨料為河砂，外加劑為聚羧酸高性能減水劑。

表2 試件混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of concrete

試驗裝置包括超低溫作用與控制系統(tǒng)、超低溫加載系統(tǒng)及超低溫量測系統(tǒng)，如圖1 所示。超低溫作用與控制系統(tǒng)由超低溫試驗爐和制冷劑組成，并由程序智能控制超低溫試驗爐內溫度，以實現(xiàn)預定的降溫速率和維持恒定超低溫；超低溫加載系統(tǒng)為與超低溫試驗爐相配套的2000kN 加載試驗機；超低溫量測系統(tǒng)為與超低溫加載系統(tǒng)相配套的量測、數據采集、顯示和貯存裝置。本次混凝土超低溫作用及再回至常溫時受壓試驗流程如圖2 所示。

圖1 混凝土超低溫性能試驗裝置Fig.1 Test devices used for obtaining performance of concrete under ultralow temperature

圖2 混凝土超低溫作用及其再回至常溫時受壓試驗流程Fig.2 Experiment flow chart of compressive strengths of concrete subjected to ultralow temperature and returning to room temperature

2 試驗宏觀現(xiàn)象

2.1 超低溫作用前后試件表觀情況

試件表面顏色隨作用的超低溫降低逐漸地顯現(xiàn)出差異，但始終不明顯；與未經歷超低溫作用時相比也未有很明顯的差異，不過經歷超低溫作用再回至常溫時的表面顏色均未恢復到未經歷低溫作用的常溫時狀態(tài)。圖3 是經歷-40℃作用再回至常溫時試件CRCS-40-1的表面顏色變化情況。

圖3 試件超低溫作用前后表觀顏色變化情況Fig.3 Apparent color changing situation of specimens before and after experiencing ultralow temperature

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(xiàn)象，也未見其棱角因凍或回溫而缺失等損傷。試件受壓加載面超低溫作用及其再回至常溫時未見有明顯的變化，其面基本平整。

2.2 加載時宏觀現(xiàn)象及試件破壞形態(tài)

無論是經歷各超低溫作用還是再回至常溫時，試件在其加載過程中均有裂縫開展發(fā)出的劈裂聲，但未見有連續(xù)密集狀。所有試件在整個加載過程中發(fā)出的劈裂聲次數不盡相同但均不多，其中有些試件僅在加載后期才出現(xiàn)劈裂聲。劈裂聲均較輕微，不同溫度作用工況間差異也不明顯。

同樣試件受壓破壞時均伴有聲響，但不同溫度作用工況破壞時發(fā)出的響聲大小和清脆程度存在明顯差異。未經歷超低溫作用的常溫試件破壞時的聲響均小、短促而悶??；對于經歷超低溫作用試件，超低溫時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、較長且很清脆，而再回至常溫時加載的破壞聲響則隨作用的超低溫降低始終為微弱、短促且沙啞。

經歷各種超低溫作用試件，無論是超低溫時還是再回至常溫時加載，在其加載受壓的4 側面均發(fā)生剝落，僅個別試件受壓4 側面的其中一側面存在剝落程度相對較輕情況。可見，試件經歷各種超低溫作用工況未使其出現(xiàn)軸心受壓偏心情況。

圖4 ～圖6 分別是試件未經歷超低溫作用、經歷常溫至-190℃間各超低溫以及再回至常溫時加載受壓破壞情況?？梢姡唇洑v超低溫作用試件以及各超低溫時或經歷超低溫再回至常溫時加載試件，其破壞形態(tài)均為對頂錐狀，但其破壞后上下受壓面殘留部分不盡相同。對于超低溫時加載試件，其破壞后形成的上下受壓面殘留部分隨作用的超低溫降低基本上逐漸地變小、甚至完全破碎；而對于未經歷超低溫作用和經歷超低溫再回至常溫時加載試件，其破壞后形成的上下受壓面均有殘留部分且相差不大。

圖4 試件未經歷超低溫作用加載受壓破壞情況Fig.4 Compressive failure characteristics of specimens without experiencing ultralow temperature

圖5 試件經歷常溫至-190℃間各超低溫時加載受壓破壞情況Fig.5 Compressive failure characteristics of specimens experiencing various ultralow temperatures from room temperature to -190℃

圖6 試件經歷常溫至-190℃間各超低溫再回至常溫時加載受壓破壞情況Fig.6 Compressive failure characteristics of specimens experiencing various ultralow temperatures from room temperature to -190℃and then returning to room temperature

3 試驗結果及其分析

表3 為由試驗給出的混凝土經歷不同超低溫作用工況受壓強度試驗結果。為便于分析比較，將混凝土超低溫時及經歷超低溫再回至常溫時的受壓強度及其變異系數分別除以未經歷超低溫作用的常溫試件混凝土受壓強度及其變異系數，得到混凝土的超低溫相對受壓強度λcs和經歷超低溫再回至常溫相對受壓強度λrcs，以及混凝土的超低溫相對受壓強度變異系數δcs和經歷超低溫再回至常溫相對受壓強度變異系數δrcs；將混凝土經歷超低溫再回至常溫時受壓強度及其變異系數分別除以其超低溫時受壓強度及其變異系數，得到其基于超低溫相對受壓強度λCTrcs及相對受壓強度變異系數δCTrcs。

表3 混凝土受壓強度及其變異系數Tab.3 Compressive strength and variation coefficient of concrete

3.1 超低溫作用對混凝土超低溫時相對受壓強度及其離散性的影響

圖7 為由試驗獲得的混凝土超低溫時相對受壓強度λcs和相對受壓強度變異系數δcs隨作用的超低溫變化關系。由圖7a 可看出，隨作用的超低溫降低，λcs總體上呈不斷地增大趨勢，但具有明顯的波動性。從常溫降至-40℃時，λcs有較明顯的增加；-40℃時λcs達1.46，但隨后卻不再增加而下降；-80℃時λcs下降至僅1.20；當作用的超低溫低于-80℃后，λcs再次呈不斷地增加趨勢；至-160℃時，λcs已達2.04；再繼續(xù)降溫的λcs則保持較為平穩(wěn)狀態(tài)。可見，混凝土超低溫時受壓強度較常溫時有較大幅度的提高，但隨作用的超低溫降低變化規(guī)律較為復雜。

從圖7b 可看出，隨作用的超低溫降低，δcs總體上呈波動地增大趨勢，但增大幅度明顯小于λcs、且波動狀況也與λcs不相對應。從常溫降至-40℃時，δcs有較顯著的減?。?40℃時δcs達0.69，而此時混凝土受壓強度卻處于局部位置的峰值，但隨后δcs開始增大；至-80℃時δcs達1.49，而此時混凝土受壓強度卻處于局部位置的谷底；隨作用的超低溫繼續(xù)降低，波動幅度減小且呈較為緩慢的減小態(tài)勢?？梢?，作用的超低溫使混凝土超低溫時受壓強度離散性有增大趨勢但不明顯，且超低溫不太低時δcs與λcs對應關系較為密切。

圖7 混凝土超低溫時相對受壓強度λcs及其變異系數δcs隨作用的超低溫變化關系Fig.7 Relative compressive strength λcs and variation coefficient δcs of concrete at ultralow temperature with increase in exerted ultralow temperature

3.2 超低溫作用對混凝土經歷超低溫再回至常溫時相對受壓強度及其離散性的影響

圖8 為由試驗獲得的混凝土經歷超低溫再回至常溫時相對受壓強度λrcs和相對受壓強度變異系數δrcs隨作用的超低溫變化關系。

由圖8a可看出，隨作用的超低溫降低，λrcs呈先快速上升后保持較為穩(wěn)定的趨勢。降至-40℃再回至常溫時的λrcs不僅不降低反而有明顯的增加，此時λrcs達1.43；但隨作用的超低溫繼續(xù)降低再回至常溫時，λrcs不再繼續(xù)地增加，而是保持較為平穩(wěn)的波動狀態(tài)，其值基本上穩(wěn)定于1.40?？梢姡煌谧匀画h(huán)境的常規(guī)凍融作用，經歷超低溫作用再回至常溫作用工況并未使混凝土受壓強度惡化。由圖8b 可看出，隨作用的超低溫降低，δrcs總體上呈具有較大波動幅度的減小趨勢。從常溫降至-40℃時，δrcs顯著地減小，而此時混凝土受壓強度卻處于峰值位置；但隨作用的超低溫繼續(xù)降低，δrcs開始顯著地增大，最大達1.03。不過之后又呈減小狀態(tài)，-160℃時僅有0.33，與λrcs也不再呈明顯的對應關系。總之，降溫至給定超低溫然后恒溫至規(guī)定時間再回至常溫作用工況導致混凝土受壓強度離散性變化規(guī)律較為復雜，但隨作用的超低溫降低并沒有使其離散性有增大跡象。

圖8 混凝土經歷超低溫再回至常溫時相對受壓強度λrcs及其變異系數δrcs隨作用的超低溫變化關系Fig.8 Relative compressive strength λrcs and variation coefficient δrcs of concrete experiencing ultralow temperature and then returning to room temperature with increase in exerted ultralow temperature

3.3 超低溫作用對混凝土經歷超低溫再回至常溫時基于超低溫相對受壓強度及其離散性的影響

圖9 為由試驗獲得的混凝土經歷超低溫再回至常溫時基于超低溫相對受壓強度λCTrcs和相對受壓強度變異系數δCTrcs隨作用的超低溫降低變化關系。

圖9 混凝土經歷超低溫再回至常溫時基于超低溫相對受壓強度及其變異系數隨作用的超低溫變化關系Fig.9 Relative compressive strength and variation coefficient based on ultralow temperature of concrete experiencing ultralow temperature and then returning to room temperature with increase in exerted ultralow temperature

由圖9a可看出，與λrcs完全不同，隨作用的超低溫降低，λCTrcs基本上呈減小趨勢。其中，從常溫降至-40℃時，λCTrcs基本上保持不變；繼續(xù)降溫λCTrcs則開始增加，至-80℃時達1.17；之后便開始呈逐漸下降趨勢。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于混凝土超低溫下受壓強度的提高以及不同超低溫時提高的幅度不同。從圖9b 中可看出，δCTrcs的變化趨勢同δrcs相近。由于δrcs隨作用的超低溫降低波動地增大，這必然不會改變δCTrcs的變化趨勢，僅使δCTrcs隨作用的超低溫降低減小趨勢變得更加明顯。

3.4 混凝土超低溫時與其再回至常溫時的相對受壓強度及其離散性間比較

圖10 為由試驗獲得的混凝土超低溫時與其再回至常溫時的相對受壓強度及相對受壓強度變異系數間差值（Δλrcs＝λrcs-λcs、Δδrcs＝δrcs-δcs）隨作用的超低溫變化關系。

圖10 混凝土超低溫時與其再回至常溫時相對受壓強度及其相對受壓強度變異系數間差值隨作用的超低溫變化關系Fig.10 Difference between relative compressive strength and variation coefficient of concrete at ultralow temperature and for returning to room temperature with increase in exerted ultralow temperature

從圖10a 可看出，當作用的超低溫較高時，Δλrcs基本上在0 附近變化，表明此區(qū)間的超低溫作用對超低溫時及其再回至常溫時兩種工況下混凝土受壓強度影響沒有明顯差異；僅當超低溫-80℃后它們的差異才顯現(xiàn)并隨作用的超低溫降低呈明顯的下降趨勢。故在實際LNG 儲罐類混凝土結構設計時應注意不同超低溫作用工況對其混凝土受壓強度的影響。相應地從圖10b 中可看出，Δδrcs隨作用的超低溫降低也呈下降趨勢，不過其波動幅度很大且均為負值。可見，混凝土經歷超低溫再回至常溫這種一次凍融作用并未使其受壓強度相對于超低溫時離散性擴大，反而隨作用的超低溫降低還有所降低。

3.5 不同超低溫區(qū)間混凝土超低溫時及其再回至常溫時受壓強度變化率及其離散性

依據試驗考察的超低溫分為常溫～-40℃、-40℃～-80℃、-80℃～-120℃、-120℃～-160℃及-160℃～-190℃共5 個超低溫區(qū)間。通過混凝土超低溫時及經歷超低溫再回至常溫時受壓強度在各超低溫區(qū)間下、上限溫度時差值除以未經超低溫作用的常溫受壓強度，獲取它們在各超低溫區(qū)間的混凝土受壓強度變化率ξcs和ξrcs。采取同樣的方式獲取混凝土超低溫時及經歷超低溫再回至常溫時受壓強度變異系數在各超低溫區(qū)間變化率ψcs和ψrcs。

圖11a為混凝土超低溫時及經歷超低溫再回至常溫時受壓強度在各超低溫區(qū)間變化率ξcs和ξrcs。可看出，隨各超低溫區(qū)間上下限溫度降低，ξcs和ξrcs均呈較為復雜的波動狀，不過ξrcs的波動幅值明顯比ξcs小，尤其是超低溫區(qū)間的溫度較低時更為明顯。這表明較低超低溫的溫度區(qū)間作用對ξrcs影響可忽略，而對于ξcs則不然。故實際工程中應注意混凝土超低溫時及其再回至常溫時受壓強度在不同超低溫區(qū)間變化特性。

從圖11b可看出，隨各超低溫區(qū)間上下限溫度降低，ψcs和ψrcs也均呈較為復雜的波動狀，但與ξcs和ξrcs的變化規(guī)律明顯不同。ψcs大體上呈下降趨勢；而ψrcs則在0 附近波動，且波動幅度未見收窄。

圖11 各超低溫區(qū)間混凝土超低溫時及其再回至常溫時受壓強度變化率ξcs和ξrcs、 受壓強度變異系數變化率ψcs和ψrcsFig.11 Changing rate ξcs and ξrcs of compressive strength，and changing rate ψcs and ψrcs of compressive strength variation coefficient of concrete in various ultralow temperature ranges at ultralow temperature and for returning to room 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壓強度試驗，可得到如下主要結論：

1.超低溫時及其再回至常溫時的混凝土試件破壞形態(tài)與未經歷超低溫的常溫試件相同，均為對頂錐狀；僅超低溫時試件破壞后殘留的受壓面更小、甚至完全破碎，呈明顯的脆性破壞特征。

2.隨作用的超低溫降低，混凝土超低溫時受壓強度總體上呈不斷地增大趨勢，但各超低溫時增幅差異明顯；其受壓強度變異系數也呈波動地增大趨勢，但其波動幅度不大。

3.經歷超低溫再回至常溫時混凝土受壓強度隨作用的超低溫降低基本上處于穩(wěn)定的波動狀態(tài)。經歷各超低溫然后再回至常溫的作用工況并未使混凝土受壓強度惡化，相比未經歷超低溫作用的混凝土受壓強度還提高了約40%；而其受壓強度變異系數基本上呈減小趨勢但波動幅度較大，相比未經歷超低溫作用的常溫時混凝土受壓強度離散性未有擴大。

4.混凝土經歷超低溫再回至常溫時基于超低溫相對受壓強度和相對受壓強度變異系數隨作用的超低溫降低均基本上呈減小趨勢。

5.僅作用的超低溫較低時才使超低溫時及其再回至常溫時兩種工況對混凝土受壓強度影響有明顯差異，并且相對于超低溫時經歷超低溫再回至常溫時混凝土離散性還有所降低。

6.降溫至給定超低溫時及其再回至常溫時各溫度區(qū)間混凝土受壓強度變化率變化較為復雜。但超低溫區(qū)間的溫度較低時經歷超低溫再回至常溫作用工況波動很小，此時可忽略不同超低溫對其影響；而其受壓強度變異系數變化率沒有明顯的規(guī)律性，但隨作用的超低溫降低未見明顯的增大趨勢。