不同超低温及其再回至常温时混凝土受压强度试验研究*

时旭东 韩大全 于金伟 梁海雅 王筱萌

1.清华大学土木工程系 北京100084

2.中国石化青岛液化天然气有限责任公司 266499

引言

天然气作为清洁高效的化石能源，近年来在我国能源结构中的地位不断地提高［1］。因天然气液化时体积约为气态时的1／600，故其存储和运输常采用液化的形式。但此时的温度约达-165℃［2］，属于超低温的范畴，且随液化天然气（LNG）储量的变化，其储罐结构混凝土还可能遭受常温至给定超低温间不同温度的作用。因此，有必要对混凝土经历常温至给定超低温间各种温度作用工况的力学性能及其超低温下离散特性进行研究。

目前，有关混凝土超低温下的力学性能已有不少的研究。一些学者给出了混凝土超低温作用下受压强度与含水率、作用的超低温间的关系［3～5］；还有一些学者［6，7］对混凝土经历常温至给定超低温不同温度区间冻融循环作用工况下的力学性能进行了探讨，其结果表明，混凝土经历-190℃再回至常温其受压强度将出现恶化，经历超低温冻融循环作用其受压强度随冻融循环作用次数增多也呈恶化趋势；文献［8］通过试验给出超低温下混凝土受拉强度变化规律，并表明其试验结果离散性较大；文献［9］给出不同强度等级混凝土-190℃时相对受压强度及其标准差，表明混凝土超低温受压强度离散性较大，但文献［8］和文献［9］均未进行深入地探讨。

由于混凝土超低温下受力性能涉及到的影响因素众多，目前已有的相关研究尚未能全面地反映其变化规律，还需进一步地对诸如混凝土经历各超低温再回温的受力性能等进行探讨，并考察其离散特性。本文基于某液化天然气工程并考虑这类工况的实际情况，然后再结合已有的相关研究，探讨经历不同超低温混凝土在其超低温时及其再回至常温时受压强度和离散性变化规律，以便为LNG储罐类混凝土结构设计及其安全性能评估提供依据。

1 试验概况

已有的试验表明，混凝土超低温作用时及经历超低温作用回至常温时的力学性能与未经历超低温作用间有显著差异［10］，并与混凝土的强度等级、含水率以及作用的超低温和升降温速率等有关。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作用后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压强度及其离散性的影响。具体的试验内容和相应的试件编号见表1。

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

表1 中，NCS-＃和CCS-＆-＃分别表示混凝土常温和作用的超低温为＆时受压强度试验的第＃个试件；CRCS-＆-＃表示混凝土作用的超低温为＆后再回至常温时受压强度试验的第＃个试件。例如，编号CRCS-40-9 表示混凝土作用超低温为-40℃后再回至常温时进行受压强度试验的第9个试件。为考察混凝土受压强度的离散性，结合已有的试验情况，相同作用工况进行4 ～9 个试件的试验。

因混凝土的热惰性，为避免试件混凝土温度分布不均以及降温过程中由其造成的内部结构损伤，结合已有的混凝土低温温度场试验结果［11］，本次试验采用1℃／min 的速率降至预定超低温时再恒温6h；对需再回至常温的试件，将其从超低温试验炉中取出装入塑料膜包裹袋密闭至常温下48h。

本次试验采用的混凝土试件均为100mm ×100mm ×100mm 的立方体，其混凝土配合比见表2。其中，水泥采用P. O 42.5 普通硅酸盐水泥，掺合料为矿粉和粉煤灰，粗骨料为5mm ～16mm连续级配碎石，细骨料为河砂，外加剂为聚羧酸高性能减水剂。

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

试验装置包括超低温作用与控制系统、超低温加载系统及超低温量测系统，如图1 所示。超低温作用与控制系统由超低温试验炉和制冷剂组成，并由程序智能控制超低温试验炉内温度，以实现预定的降温速率和维持恒定超低温；超低温加载系统为与超低温试验炉相配套的2000kN 加载试验机；超低温量测系统为与超低温加载系统相配套的量测、数据采集、显示和贮存装置。本次混凝土超低温作用及再回至常温时受压试验流程如图2 所示。

图1 混凝土超低温性能试验装置Fig.1 Test devices used for obtaining performance of concrete under ultralow temperature

图2 混凝土超低温作用及其再回至常温时受压试验流程Fig.2 Experiment flow chart of compressive strengths of concrete subjected to ultralow temperature and returning to room temperature

2 试验宏观现象

2.1 超低温作用前后试件表观情况

试件表面颜色随作用的超低温降低逐渐地显现出差异，但始终不明显；与未经历超低温作用时相比也未有很明显的差异，不过经历超低温作用再回至常温时的表面颜色均未恢复到未经历低温作用的常温时状态。图3 是经历-40℃作用再回至常温时试件CRCS-40-1的表面颜色变化情况。

图3 试件超低温作用前后表观颜色变化情况Fig.3 Apparent color changing situation of specimens before and after experiencing ultralow temperature

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，也未见其棱角因冻或回温而缺失等损伤。试件受压加载面超低温作用及其再回至常温时未见有明显的变化，其面基本平整。

2.2 加载时宏观现象及试件破坏形态

无论是经历各超低温作用还是再回至常温时，试件在其加载过程中均有裂缝开展发出的劈裂声，但未见有连续密集状。所有试件在整个加载过程中发出的劈裂声次数不尽相同但均不多，其中有些试件仅在加载后期才出现劈裂声。劈裂声均较轻微，不同温度作用工况间差异也不明显。

同样试件受压破坏时均伴有声响，但不同温度作用工况破坏时发出的响声大小和清脆程度存在明显差异。未经历超低温作用的常温试件破坏时的声响均小、短促而闷哑；对于经历超低温作用试件，超低温时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、较长且很清脆，而再回至常温时加载的破坏声响则随作用的超低温降低始终为微弱、短促且沙哑。

经历各种超低温作用试件，无论是超低温时还是再回至常温时加载，在其加载受压的4 侧面均发生剥落，仅个别试件受压4 侧面的其中一侧面存在剥落程度相对较轻情况。可见，试件经历各种超低温作用工况未使其出现轴心受压偏心情况。

图4 ～图6 分别是试件未经历超低温作用、经历常温至-190℃间各超低温以及再回至常温时加载受压破坏情况。可见，未经历超低温作用试件以及各超低温时或经历超低温再回至常温时加载试件，其破坏形态均为对顶锥状，但其破坏后上下受压面残留部分不尽相同。对于超低温时加载试件，其破坏后形成的上下受压面残留部分随作用的超低温降低基本上逐渐地变小、甚至完全破碎；而对于未经历超低温作用和经历超低温再回至常温时加载试件，其破坏后形成的上下受压面均有残留部分且相差不大。

图4 试件未经历超低温作用加载受压破坏情况Fig.4 Compressive failure characteristics of specimens without experiencing ultralow temperature

图5 试件经历常温至-190℃间各超低温时加载受压破坏情况Fig.5 Compressive failure characteristics of specimens experiencing various ultralow temperatures from room temperature to -190℃

图6 试件经历常温至-190℃间各超低温再回至常温时加载受压破坏情况Fig.6 Compressive failure characteristics of specimens experiencing various ultralow temperatures from room temperature to -190℃and then returning to room temperature

3 试验结果及其分析

表3 为由试验给出的混凝土经历不同超低温作用工况受压强度试验结果。为便于分析比较，将混凝土超低温时及经历超低温再回至常温时的受压强度及其变异系数分别除以未经历超低温作用的常温试件混凝土受压强度及其变异系数，得到混凝土的超低温相对受压强度λcs和经历超低温再回至常温相对受压强度λrcs，以及混凝土的超低温相对受压强度变异系数δcs和经历超低温再回至常温相对受压强度变异系数δrcs；将混凝土经历超低温再回至常温时受压强度及其变异系数分别除以其超低温时受压强度及其变异系数，得到其基于超低温相对受压强度λCTrcs及相对受压强度变异系数δCTrcs。

表3 混凝土受压强度及其变异系数Tab.3 Compressive strength and variation coefficient of concrete

3.1 超低温作用对混凝土超低温时相对受压强度及其离散性的影响

图7 为由试验获得的混凝土超低温时相对受压强度λcs和相对受压强度变异系数δcs随作用的超低温变化关系。由图7a 可看出，随作用的超低温降低，λcs总体上呈不断地增大趋势，但具有明显的波动性。从常温降至-40℃时，λcs有较明显的增加；-40℃时λcs达1.46，但随后却不再增加而下降；-80℃时λcs下降至仅1.20；当作用的超低温低于-80℃后，λcs再次呈不断地增加趋势；至-160℃时，λcs已达2.04；再继续降温的λcs则保持较为平稳状态。可见，混凝土超低温时受压强度较常温时有较大幅度的提高，但随作用的超低温降低变化规律较为复杂。

从图7b 可看出，随作用的超低温降低，δcs总体上呈波动地增大趋势，但增大幅度明显小于λcs、且波动状况也与λcs不相对应。从常温降至-40℃时，δcs有较显著的减小；-40℃时δcs达0.69，而此时混凝土受压强度却处于局部位置的峰值，但随后δcs开始增大；至-80℃时δcs达1.49，而此时混凝土受压强度却处于局部位置的谷底；随作用的超低温继续降低，波动幅度减小且呈较为缓慢的减小态势。可见，作用的超低温使混凝土超低温时受压强度离散性有增大趋势但不明显，且超低温不太低时δcs与λcs对应关系较为密切。

图7 混凝土超低温时相对受压强度λcs及其变异系数δcs随作用的超低温变化关系Fig.7 Relative compressive strength λcs and variation coefficient δcs of concrete at ultralow temperature with increase in exerted ultralow temperature

3.2 超低温作用对混凝土经历超低温再回至常温时相对受压强度及其离散性的影响

图8 为由试验获得的混凝土经历超低温再回至常温时相对受压强度λrcs和相对受压强度变异系数δrcs随作用的超低温变化关系。

由图8a可看出，随作用的超低温降低，λrcs呈先快速上升后保持较为稳定的趋势。降至-40℃再回至常温时的λrcs不仅不降低反而有明显的增加，此时λrcs达1.43；但随作用的超低温继续降低再回至常温时，λrcs不再继续地增加，而是保持较为平稳的波动状态，其值基本上稳定于1.40。可见，不同于自然环境的常规冻融作用，经历超低温作用再回至常温作用工况并未使混凝土受压强度恶化。由图8b 可看出，随作用的超低温降低，δrcs总体上呈具有较大波动幅度的减小趋势。从常温降至-40℃时，δrcs显著地减小，而此时混凝土受压强度却处于峰值位置；但随作用的超低温继续降低，δrcs开始显著地增大，最大达1.03。不过之后又呈减小状态，-160℃时仅有0.33，与λrcs也不再呈明显的对应关系。总之，降温至给定超低温然后恒温至规定时间再回至常温作用工况导致混凝土受压强度离散性变化规律较为复杂，但随作用的超低温降低并没有使其离散性有增大迹象。

图8 混凝土经历超低温再回至常温时相对受压强度λrcs及其变异系数δrcs随作用的超低温变化关系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 超低温作用对混凝土经历超低温再回至常温时基于超低温相对受压强度及其离散性的影响

图9 为由试验获得的混凝土经历超低温再回至常温时基于超低温相对受压强度λCTrcs和相对受压强度变异系数δCTrcs随作用的超低温降低变化关系。

图9 混凝土经历超低温再回至常温时基于超低温相对受压强度及其变异系数随作用的超低温变化关系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

由图9a可看出，与λrcs完全不同，随作用的超低温降低，λCTrcs基本上呈减小趋势。其中，从常温降至-40℃时，λCTrcs基本上保持不变；继续降温λCTrcs则开始增加，至-80℃时达1.17；之后便开始呈逐渐下降趋势。出现这一现象的主要原因在于混凝土超低温下受压强度的提高以及不同超低温时提高的幅度不同。从图9b 中可看出，δCTrcs的变化趋势同δrcs相近。由于δrcs随作用的超低温降低波动地增大，这必然不会改变δCTrcs的变化趋势，仅使δCTrcs随作用的超低温降低减小趋势变得更加明显。

3.4 混凝土超低温时与其再回至常温时的相对受压强度及其离散性间比较

图10 为由试验获得的混凝土超低温时与其再回至常温时的相对受压强度及相对受压强度变异系数间差值（Δλrcs＝λrcs-λcs、Δδrcs＝δrcs-δcs）随作用的超低温变化关系。

图10 混凝土超低温时与其再回至常温时相对受压强度及其相对受压强度变异系数间差值随作用的超低温变化关系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

从图10a 可看出，当作用的超低温较高时，Δλrcs基本上在0 附近变化，表明此区间的超低温作用对超低温时及其再回至常温时两种工况下混凝土受压强度影响没有明显差异；仅当超低温-80℃后它们的差异才显现并随作用的超低温降低呈明显的下降趋势。故在实际LNG 储罐类混凝土结构设计时应注意不同超低温作用工况对其混凝土受压强度的影响。相应地从图10b 中可看出，Δδrcs随作用的超低温降低也呈下降趋势，不过其波动幅度很大且均为负值。可见，混凝土经历超低温再回至常温这种一次冻融作用并未使其受压强度相对于超低温时离散性扩大，反而随作用的超低温降低还有所降低。

3.5 不同超低温区间混凝土超低温时及其再回至常温时受压强度变化率及其离散性

依据试验考察的超低温分为常温～-40℃、-40℃～-80℃、-80℃～-120℃、-120℃～-160℃及-160℃～-190℃共5 个超低温区间。通过混凝土超低温时及经历超低温再回至常温时受压强度在各超低温区间下、上限温度时差值除以未经超低温作用的常温受压强度，获取它们在各超低温区间的混凝土受压强度变化率ξcs和ξrcs。采取同样的方式获取混凝土超低温时及经历超低温再回至常温时受压强度变异系数在各超低温区间变化率ψcs和ψrcs。

图11a为混凝土超低温时及经历超低温再回至常温时受压强度在各超低温区间变化率ξcs和ξrcs。可看出，随各超低温区间上下限温度降低，ξcs和ξrcs均呈较为复杂的波动状，不过ξrcs的波动幅值明显比ξcs小，尤其是超低温区间的温度较低时更为明显。这表明较低超低温的温度区间作用对ξrcs影响可忽略，而对于ξcs则不然。故实际工程中应注意混凝土超低温时及其再回至常温时受压强度在不同超低温区间变化特性。

从图11b可看出，随各超低温区间上下限温度降低，ψcs和ψrcs也均呈较为复杂的波动状，但与ξcs和ξrcs的变化规律明显不同。ψcs大体上呈下降趋势；而ψrcs则在0 附近波动，且波动幅度未见收窄。

图11 各超低温区间混凝土超低温时及其再回至常温时受压强度变化率ξcs和ξrcs、 受压强度变异系数变化率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 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压强度试验，可得到如下主要结论：

1.超低温时及其再回至常温时的混凝土试件破坏形态与未经历超低温的常温试件相同，均为对顶锥状；仅超低温时试件破坏后残留的受压面更小、甚至完全破碎，呈明显的脆性破坏特征。

2.随作用的超低温降低，混凝土超低温时受压强度总体上呈不断地增大趋势，但各超低温时增幅差异明显；其受压强度变异系数也呈波动地增大趋势，但其波动幅度不大。

3.经历超低温再回至常温时混凝土受压强度随作用的超低温降低基本上处于稳定的波动状态。经历各超低温然后再回至常温的作用工况并未使混凝土受压强度恶化，相比未经历超低温作用的混凝土受压强度还提高了约40%；而其受压强度变异系数基本上呈减小趋势但波动幅度较大，相比未经历超低温作用的常温时混凝土受压强度离散性未有扩大。

4.混凝土经历超低温再回至常温时基于超低温相对受压强度和相对受压强度变异系数随作用的超低温降低均基本上呈减小趋势。

5.仅作用的超低温较低时才使超低温时及其再回至常温时两种工况对混凝土受压强度影响有明显差异，并且相对于超低温时经历超低温再回至常温时混凝土离散性还有所降低。

6.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压强度变化率变化较为复杂。但超低温区间的温度较低时经历超低温再回至常温作用工况波动很小，此时可忽略不同超低温对其影响；而其受压强度变异系数变化率没有明显的规律性，但随作用的超低温降低未见明显的增大趋势。