低温环境下混凝土力学性能试验研究

上海液化天然气有限责任公司 王 春 金 罕 施玉平

1 引言

随着经济的快速发展，人们对环境保护提出了更高要求，天然气因其清洁高效的特点逐渐取代了煤炭等传统能源。在这样的大背景下，LNG（Liquid Natural Gas，液化天然气）储罐从2018年开始迎来又一个建设高峰期，超大型薄膜 LNG储罐和全混凝土 LNG储罐建设中对混凝土的低温性能提出了更高的要求。大型 LNG储罐外壁全部采用预应力混凝土结构，当 LNG发生泄漏时，外罐将遭受低温所产生的温度荷载，因此需对 LNG储罐外罐所使用的混凝土进行超低温环境下的力学性能检测，以确保 LNG储罐在泄漏等意外事故发生时的安全性。

本试验研究以上海 LNG项目储罐扩建工程为背景，参考 GB 51081—2015《低温环境混凝土应用技术规范》，对48个混凝土立方体试块和48个棱柱体试件进行低温下的混凝土性能测试。根据魏强等人《超低温冻融循环对混凝土材料性能的影响》（2013年第s1期《工程力学》）、时旭东等人《低温-常温循环作用下混凝土力学性能试验研究》（2012年第7期《混凝土与水泥制品》）所述，混凝土在经历低温冻融循环后力学性能将大幅降低。为保证混凝土在低温下的适用性，选用 23个混凝土立方体试块进行抗冻性能测试，试验参考 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。本试验均在天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室完成。

2 试验研究

2.1 试验材料

混凝土原材料除常用的普通硅酸盐水泥、粗细骨料以及拌合水以外，另掺入矿粉和粉煤灰等活性细粉填料增加混凝土密实度，并加入高效减水剂作外加剂保证混凝土和易性及坍落度等不受影响的条件下减小水胶比以提高其抗冻性能。试验所用混凝土配合比见表1。

表1 试验用混凝土配合比kg/m3

2.2 试验方法

试验主要包括低温混凝土性能测试和低温混凝土冻融循环试验两个部分。除热膨胀系数测试采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体以外，其余试件均为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。含水率测试温度点为常温和－190 ℃，其余均设定－40 ℃、－80 ℃、－120 ℃和－190 ℃四个温度点。试件持温过程中的温度波动范围不超过0.5 ℃。

低温混凝土性能测试包含含水率测试、强度测试和热膨胀系数试验。根据规范要求，采用 24个试件进行含水率测试，每组设平行试件6个，每个温度点各2组试件；试件置于超低温预冷箱内利用液氮进行降温并持温48 h；持温过程结束后，将试件移至恒温干燥箱内升温至150 ℃并恒温15 d；试件烘干结束后进行称重，与降温前的质量进行对比计算其含水率。混凝土强度测试平行试件数量与进行含水率测试试件数量相同；试件持温结束后将其移至超低温加载箱中，利用200 t液压伺服压力机加载进行强度测试，加载速率为0.5～0.8 MPa/s。为减小试验误差，热膨胀系数试验温度为目标温度上下浮动 10 ℃的温度点（－190 ℃组为 5 ℃），每个温度点6个平行试件，共48个。试验前按图1所示在试件两端面各标识3个量测点，通过测定低温作用前后对应量测点间的长度变化计算其热膨胀系数。

采用慢冻法进行冻融循环试验，未冻融循环平行试块为3个，冻融循环组的平行试块为5个，共46个。进行冻融循环试验的试块泡水4 d后移至超低温冰箱及超低温预冷箱内进行降温，持温结束后再次泡水。试块每完成一次降温和泡水过程视为一次冻融循环，本试验共进行 10次冻融循环，根据冻融前后试块抗压强度和抗拉强度的变化衡量其冻融循环损失。

图1 低温混凝土热膨胀系数试验棱柱体量测点

3 试验结果与讨论

3.1 低温条件下混凝土力学性能

经历低温作用以及高温烘干后，混凝土试块表面未出现明显变化，混凝土含水率测试结果见表2。可以明显看出，低温作用对混凝土含水率的影响极小，且各组含水率之间差别较小，可为抗压强度的评判做出指导。

表2 混凝土含水率测试结果

如图2所示，低温条件下混凝土抗压强度随着温度的降低而逐步提高。按照规范要求考虑含水率的影响后，所有试块的抗压强度平均值以及最小值均远远超出理论计算值。按照此配比所制作的混凝土在低温下强度安全储备足够，可以较好的运用于LNG储罐中。

图2 低温条件下混凝土抗压强度变化

热膨胀系数指混凝土在单位温度变化时所产生的长度量值的变化，衡量了混凝土受温度作用而产生涨缩的程度。低温条件下混凝土试件的热膨胀系数见图3。在低温作用下，混凝土热膨胀系数逐渐减小，且温度越低，热膨胀系数降低幅度越大。在考虑含水率的影响后，混凝土热膨胀系数试验值远远小于理论值，也同样证明该混凝土配合比在LNG储罐的建设之中具有较高的适用性。

图3 低温条件下混凝土热膨胀系数

3.2 低温条件下混凝土冻融循环试验

在经历低温冻融循环作用后，混凝土表面会出现孔洞贯通、孔径变大等情况，且随着循环下限温度的降低，混凝土表面劣化逐渐加重。利用冻融后的抗压强度和抗拉强度损失衡量混凝土受冻融损伤程度，由图4可以看出，冻融循环作用使得混凝土强度降低，且降低幅度随着循环下限温度的降低而增大。在－40 ℃、－80 ℃、－120 ℃和－190 ℃下，经历 10次循环后，混凝土试块抗压强度分别降低0.4%、1.6%、3.7%和6.5%，抗拉强度分别降低2.3%、3.4%、8.9%和14.7%。混凝土抗拉强度损失高于抗压强度，这主要是由于混凝土抗拉强度对冻融过程中由温度变化和孔隙水冻胀所导致的应力更为敏感。降低后混凝土的残余抗压强度仍高于其强度理论计算值，可以继续使用。

图4 冻融循环后混凝土强度变化

4 结语

通过对低温条件下混凝土力学性能试验结果的讨论，对LNG储罐建设提出以下几点建议：

(1)低温作用后混凝土含水率与常温状态相差不大，低温作用对其影响可以忽略。

(2)在低温作用下，混凝土抗压强度随着温度的降低而提高，且混凝土在低温下的强度与含水率息息相关，进行强度指标判断时需考虑含水率的影响。

(3)混凝土热膨胀系数随着温度的降低而减小，含水率对热膨胀系数影响较大，设计时应考虑含水率的影响。

(4)混凝土抗压强度及热膨胀系数值均满足规范要求，此混凝土配合比可以较好的指导 LNG储罐外罐的建设。

(5)混凝土受冻融作用后抗压强度和抗拉强度降低，温度越低，强度降低幅度越大，且抗拉强度损失大于抗压强度。在按照规范进行混凝土抗压强度和热膨胀系数的测试外，还需考虑冻融对混凝土的影响，以保证在规定循环次数内混凝土强度劣化后仍能满足使用需求。

(6)全混凝土 LNG储罐和薄膜罐的推广和应用，需要对混凝土的低温性能做进一步研究，比如最优或最低的含水率，最优含气率以及如何提高混凝土的抗冻融作用循环次数和抗拉强度降低等。