泡沫玻璃砖超低温受压性能试验研究

时旭东 吕 超 郑建华 李金光 张天申

(1清华大学土木工程系 北京 100084)

(2中国寰球工程公司 北京 100029)

1 引言

随现代工业发展造成的环境恶化加剧和人们环保意识的不断提高，液化天然气(LNG)作为一种清洁能源得到大量而广泛的应用。但在其运输和储存的过程中需对其储存设施进行良好的隔热保温处理以维持其常压液态温度(约－165℃)状态。泡沫玻璃砖因其密度低、强度相对较高、导热系数小、抗冻性能好、耐腐蚀和易加工等性能［1］在LNG等低温领域得到广泛的应用。

泡沫玻璃材料是经过预热、熔融、发泡与退火等工艺制成的。其气泡孔径在0.1¯3 mm之间，孔隙率可达80%¯95%［2-3］。目前对其探讨主要集中于其分类、生产工艺、保温性能以及实际应用等方面，缺乏其力学性能、尤其超低温下的力学性能研究。在LNG等隔热保温工程中，尽管泡沫玻璃材料形成的块材并不参与结构受力、且自身容重很小，但因堆积高度多较高其自重荷载作用不可忽略，并还需考虑超低温的影响，即泡沫玻璃砖还应满足一定的受力要求，否则可能导致其良好的隔热保温性能难以在这类工程中实现。故本文通过泡沫玻璃砖超低温试验研究获知其受力变化规律，以便为其实际工程应用提供依据。

2 试验概况

试验主要考察温度、容重和制作精细程度对泡沫玻璃砖受压强度的影响。作用的低温值取－190℃，并进行常温试验以便进行受力性能对比;容重是反映泡沫玻璃砖孔隙程度的重要指标，不同容重相应的受力性能有所不同，这里根据超低温环境中实际应用的容重范围取两种容重进行考察;泡沫玻璃砖的性能还与制作工艺水平有关，这里选择其它条件相近仅制作精细程度有所不同的两个厂家泡沫玻璃砖进行试验比较。

试件按试验要求随机抽取尺寸为600 mm×450 mm×150 mm泡沫玻璃砖手工对称裁切成尺寸为300 mm×225 mm×150 mm制成。其中，受压面尺寸为300 mm×225 mm，受压高度为150 mm。考虑到泡沫玻璃砖受力性能离散性较大，每种工况的试件取6个。表1为试验内容及其试件编号。其中，试件编号PCS-#﹩-※-＆表示给定温度为※℃的温度作用工况下第＆个具有#类容重和﹩级精细制作的泡沫玻璃砖受压试验试件，如PCS-AA-190-2则表示作用温度为－190℃的第2个具有A类容重(1.247 kN/m3)和A级(高)精细制作的泡沫玻璃砖受压试验试件。

表1 试验内容及其试件编号Table 1 Experiment contents and specimen numbers

泡沫玻璃砖低温受力性能试验装置由清华大学结构工程研究所超低温性能研究组自行研制，包括试件加载系统、低温作用系统和数据量测记录系统3部分(图1)。

图1 泡沫玻璃砖低温受压试验总体示意图Fig.2 Schematic diagram of cryogenic compressive experiment

3 试验宏观现象

3.1 温度的影响

常温下试件加载过程中基本均有两次明显的爆裂声，分别出现在试件开裂和破坏时。试件侧面中部多出现连通的水平裂缝。随荷载增加，该裂缝宽度明显增大，并伴有鱼刺状的众多细微裂纹出现(图2)。部分试件破坏时表面剥落严重，局部压碎，甚至整个试件碎裂成小块(图3)。其受压面上破坏时均出现大量粉末状物(图4)。

图2 常温试件破坏水平裂缝Fig.2 Horizontal fracture of specimen at room temperature

试件超低温作用过程中均有响声，但其外观未见有损伤现象。加载中爆裂声的响度与次数均较常温有所增加，但明显的爆裂声仅发生两次。与常温相似，两次爆裂声分别对应于试件开裂与破坏。

图3 常温试件局部压碎剥落Fig.3 Local failure of specimen at room temperature

图4 常温试件破坏时的受压面Fig.4 Load face of specimen at room temperature

超低温作用下各试件破坏形态基本相同，首先侧面中部出现明显的水平裂缝，然后加宽并在其上下出现众多细微裂缝。试件除个别出现压溃成块状现象外其余破坏时均较完整(图5)。

图5 超低温试件破坏形态Fig.5 Failure mode of specimen at cryogenic temperature

可见，常温与超低温试件的试验宏观现象基本相似，但超低温下脆性明显增强。

3.2 容重的影响

A类(高)容重试件加载时各侧面中部存在明显的水平裂缝，并最终因其发展而破坏(图2)。而B类(低)容重试件加载时各侧面中部也出现水平裂缝，但表面剥落严重(图6)。

3.3 制作精细程度的影响

同容重的影响相似，A级(高)和B级(低)制作精细程度试件都因侧面中部出现水平裂缝而破坏，但后者水平裂缝的发展不像前者那样充分、且各侧面剥落严重。

4 试验结果及其分析

4.1 温度的影响

常温泡沫玻璃砖典型的应力-应变曲线如图7所示。从图中可看出，应力-应变曲线有两次应力峰值。首次应力峰值发生于试件侧面即将出现水平裂缝时，开裂后应力急剧下降。但随加载进行应力仍能继续增加，直至试件破坏。试验获得的常温试件受压强度平均值如表2所示。

图7 常温泡沫玻璃砖应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curve of specimen at room temperature

表2 常温试件受压强度试验结果Table 2 Compressive experiment results of specimen at room temperature

表2中所取的极限荷载为加载过程的最大应力。从表中可看出，PCS-BA-20-1¯6、PCS-AA-20-1¯6和PCS-AB-20-1¯6试件的开裂荷载较高，接近或等于极限荷载;而PCS-BB-20-1¯6试件的开裂荷载较低，其极限荷载要明显高于开裂荷载。

超低温泡沫玻璃砖典型的应力-应变曲线如图8所示。从图中可看出，应力-应变曲线同常温一样存在两个应力峰值，分别对应于开裂荷载与极限荷载。试验获得的超低温试件受压强度平均值如表3所示。

图8 超低温泡沫玻璃砖应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curve of specimen at cryogenic temperature

表3 超低温试件受压强度试验结果Table 3 Compressive experiment results of specimen at cryogenic temperatur

可见，超低温下泡沫玻璃砖的开裂荷载均低于极限荷载。

表4和表5分别为常温与超低温泡沫玻璃砖的开裂荷载及极限荷载对比表，表6为常温与超低温泡沫玻璃砖的极限荷载与开裂荷载之比。从这些表可看出:

(1)泡沫玻璃砖超低温的开裂荷载低于常温。因泡沫玻璃砖超低温下脆性增强、变形能力减弱，在较小变形下即开裂，因而开裂荷载相对较低。

(2)泡沫玻璃砖超低温的极限荷载一般也低于常温。这表明超低温不能提高试件的有效受压面积，反而低温作用使其裂缝增多、脆性增强，致使其极限荷载有所降低。

(3)泡沫玻璃砖超低温极限荷载与开裂荷载之比明显高于常温，前者可达125%¯130%而后者则大多不超过105%。这表明泡沫玻璃砖超低温的开裂并不是其承载力达到极限状态。当取开裂荷载作为泡沫玻璃砖的设计强度时，应注意常温和超低温作用下强度储备的差异。

表4 常温与超低温的开裂荷载对比Table 4 Comparison of cracking load at room and cryogenic temperature

表6 常温与超低温的极限荷载/开裂荷载Table 6 Comparison of ultimate/cracking load at room and cryogenic temperature

4.2 容重的影响

常温下A类(高)和B类(低)容重试件典型的应力-应变曲线如图9和图10所示，超低温下则如图11和图12所示。从图中可看出，无论温度高低，B类(低)容重试件加载过程均较长，整个应力-应变曲线呈波动状，表明除明显开裂导致应力巨变外开裂后还存在较大的塑性变形和其它裂缝的出现和发展;而A类(高)容重试件也有波动但很少，破坏较为迅速、呈明显的脆性，表明一旦出现裂缝便预示基本达到其极限状况，开裂后其塑性变形能力相比B类明显地低。

图9 B类容重常温试件典型的应力-应变曲线Fig.9 Stress-strain curve of specimen with bulk density B

图10 A类容重常温试件典型应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain curve of specimen with bulk density A

图11 B类容重超低温试件典型的应力-应变曲线Fig.11 Stress-strain curve of cryogenic specimen with bulk density B

图12 A类容重超低温试件典型的应力-应变曲线Fig.12 Stress-strain curve of cryogenic specimen with bulk density A

两者强度对比见表2及表3，可得以下结论:

(1)泡沫玻璃砖强度与容重密切相关。常温与超低温下，A类(高)容重试件开裂荷载与极限荷载均明显高于B类(低)容重试件。高容重的泡沫玻璃砖因其孔隙率低、密实度高，使其无论常温还是超低温的强度均显著提高。

(2)常温和超低温度下B类(低)容重泡沫玻璃砖开裂后破坏过程均较长、且后期应力还将增长。这主要由于低容重泡沫玻璃砖孔隙率高，孔隙易损且造成的应力变化平缓，进而使应力重分布较为充分，使得开裂后其应力不降反而继续增长。

4.3 制作精细程度的影响

常温下具有A级(高)和B级(低)制作精细程度试件典型的应力-应变曲线如图7和图13所示，超低温下则分别如图11和图14所示。从图中可看出，制作精细程度对泡沫玻璃砖的应力应变曲线变化规律影响不明显，B级(低)制作精细程度试件应力波动幅度比A级(高)制作精细程度试件稍小。

图13 B级制作精度常温试件典型的应力-应变曲线Fig.13 Stress-strain curve of specimen with production level B

图14 B级制作精度超低温试件典型的应力-应变曲线Fig.14 Stress-strain curve of cryogenic specimen with production level B

结合表4、表5及表6可看出不同制作精细程度的影响:

(1)B级(低)制作精细程度下试件破坏的离散性大，有些破坏过程可能与正常情况不符，如编号为PCS-AB-190-1¯6的试件无应力二次增长，一次开裂即造成破坏。

(2)相同容重的A级制作精细程度试件的开裂荷载与极限荷载均高于B级制作精细程度试件，这表明不同生产工艺与生产过程控制对试件受力性能存在影响，高制作精细程度可减少试件内部缺陷，提高其受压强度。

5 与混凝土受压性能的对比

混凝土立方体试件典型的破坏形态和应力-应变曲线分别如图15和图16所示［4］。与上述试验获得的泡沫玻璃砖受压性能对比可看出:

图15 混凝土典型破坏形态Fig.15 Typical failure mode of concrete

图16 混凝土应力-应变曲线Fig.16 Typical stress-strain curve of concrete

(1)裂缝出现对试件受力影响程度不同。常温与多数超低温下泡沫玻璃砖开裂时瞬间应力大幅跌落随后又急速恢复甚至不断增加，整个应力-应变曲线带有明显的峰谷紧邻波动;而混凝土裂缝开始出现时并不在其应力-应变曲线上呈现出明显的应力降低，更无应力降低还有回升现象，仅表现出塑性变形特征，整个应力-应变曲线基本呈较光滑、连续状。

(2)裂缝出现的位置和走向不同。泡沫玻璃砖基本上首先出现位于其中部的横向裂缝，且最终因横向裂缝不断地发展而破坏;而混凝土的裂缝则首先出现在试件中部然后斜向向上下受压面周边延伸，最终形成八字形裂缝［5］。

(3)试件的破坏形态不同。泡沫玻璃砖破坏主要表观特征是其中部形成与上下受压面近乎平行的水平环形带状裂缝，即使出现剥落，也仅限于试件角部;而混凝土则为典型的对顶锥破坏状，裂缝发展较充分，剥落主要集中在试件中部。

(4)超低温下性能变化不同。超低温作用的混凝土性能较常温有较大程度的改变，其抗压强度随温度降低提高明显［6］。这主要由于混凝土孔隙水结冰使其不断密实［7］;而泡沫玻璃砖虽属多孔材料，但制作使用过程孔隙不含水，超低温下不会出现类似混凝土的情况，反而由于其本身材料的低温脆性提高，使其受力性能有所恶化。

泡沫玻璃砖和混凝土这两种材料出现的宏观现象和破坏形式等差异的原因主要在于前者的泊松比显著高于后者，且单轴受压下处于较大变形状态。泡沫玻璃砖作为一种多孔泡沫材料，其泊松比平均值在1/3左右［8］，而混凝土则多小于0.2。故其受压过程中的横向变形将更为显著。由于受制于受压面摩擦阻力，将在泡沫玻璃砖各侧面中部形成竖向拉力。当该拉力达到泡沫玻璃砖受拉强度时必然在此位置出现水平环向裂缝，进而形成有别于混凝土的破坏形式。

6 结语

通过泡沫玻璃砖常温与超低温单轴受压试验，并与混凝土相关性能对比，可得出如下结论:

(1)泡沫玻璃砖常温和超低温受压基本上首先出现位于其中部的横向裂缝，其破坏形态均呈水平环形带状。

(2)泡沫玻璃砖常温和超低温受压均出现开裂瞬间应力大幅跌落随后又急速恢复甚至不断增加现象。实际工程泡沫玻璃砖的应用时应采用其开裂强度作为其强度设计值。

(3)泡沫玻璃砖的超低温受力性能有所恶化，受压脆性明显;泡沫玻璃砖常温和超低温受压性能均与容重关系密切。容重越大，其强度越高，但脆性更明显;泡沫玻璃砖制作精细程度对其受压性能影响不明显。一般制作精细程度低的离散性大且受压强度要低。

(4)泡沫玻璃砖常温和超低温受力性能明显不同于混凝土，实际工程应用时必须考虑其自身的受力特性，以便使其可靠地作为一种新型保温材料应用于诸如LNG等工业领域中。

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