低溫環(huán)境下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 王 春 金 罕 施玉平

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)提出了更高要求，天然氣因其清潔高效的特點(diǎn)逐漸取代了煤炭等傳統(tǒng)能源。在這樣的大背景下，LNG（Liquid Natural Gas，液化天然氣）儲(chǔ)罐從2018年開始迎來又一個(gè)建設(shè)高峰期，超大型薄膜 LNG儲(chǔ)罐和全混凝土 LNG儲(chǔ)罐建設(shè)中對(duì)混凝土的低溫性能提出了更高的要求。大型 LNG儲(chǔ)罐外壁全部采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng) LNG發(fā)生泄漏時(shí)，外罐將遭受低溫所產(chǎn)生的溫度荷載，因此需對(duì) LNG儲(chǔ)罐外罐所使用的混凝土進(jìn)行超低溫環(huán)境下的力學(xué)性能檢測(cè)，以確保 LNG儲(chǔ)罐在泄漏等意外事故發(fā)生時(shí)的安全性。

本試驗(yàn)研究以上海 LNG項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐擴(kuò)建工程為背景，參考 GB 51081—2015《低溫環(huán)境混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，對(duì)48個(gè)混凝土立方體試塊和48個(gè)棱柱體試件進(jìn)行低溫下的混凝土性能測(cè)試。根據(jù)魏強(qiáng)等人《超低溫凍融循環(huán)對(duì)混凝土材料性能的影響》（2013年第s1期《工程力學(xué)》）、時(shí)旭東等人《低溫-常溫循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究》（2012年第7期《混凝土與水泥制品》）所述，混凝土在經(jīng)歷低溫凍融循環(huán)后力學(xué)性能將大幅降低。為保證混凝土在低溫下的適用性，選用 23個(gè)混凝土立方體試塊進(jìn)行抗凍性能測(cè)試，試驗(yàn)參考 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。本試驗(yàn)均在天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料

混凝土原材料除常用的普通硅酸鹽水泥、粗細(xì)骨料以及拌合水以外，另?yè)饺氲V粉和粉煤灰等活性細(xì)粉填料增加混凝土密實(shí)度，并加入高效減水劑作外加劑保證混凝土和易性及坍落度等不受影響的條件下減小水膠比以提高其抗凍性能。試驗(yàn)所用混凝土配合比見表1。

表1 試驗(yàn)用混凝土配合比kg/m3

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要包括低溫混凝土性能測(cè)試和低溫混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)兩個(gè)部分。除熱膨脹系數(shù)測(cè)試采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱體以外，其余試件均為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。含水率測(cè)試溫度點(diǎn)為常溫和－190 ℃，其余均設(shè)定－40 ℃、－80 ℃、－120 ℃和－190 ℃四個(gè)溫度點(diǎn)。試件持溫過程中的溫度波動(dòng)范圍不超過0.5 ℃。

低溫混凝土性能測(cè)試包含含水率測(cè)試、強(qiáng)度測(cè)試和熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范要求，采用 24個(gè)試件進(jìn)行含水率測(cè)試，每組設(shè)平行試件6個(gè)，每個(gè)溫度點(diǎn)各2組試件；試件置于超低溫預(yù)冷箱內(nèi)利用液氮進(jìn)行降溫并持溫48 h；持溫過程結(jié)束后，將試件移至恒溫干燥箱內(nèi)升溫至150 ℃并恒溫15 d；試件烘干結(jié)束后進(jìn)行稱重，與降溫前的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比計(jì)算其含水率。混凝土強(qiáng)度測(cè)試平行試件數(shù)量與進(jìn)行含水率測(cè)試試件數(shù)量相同；試件持溫結(jié)束后將其移至超低溫加載箱中，利用200 t液壓伺服壓力機(jī)加載進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，加載速率為0.5～0.8 MPa/s。為減小試驗(yàn)誤差，熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)溫度為目標(biāo)溫度上下浮動(dòng) 10 ℃的溫度點(diǎn)（－190 ℃組為 5 ℃），每個(gè)溫度點(diǎn)6個(gè)平行試件，共48個(gè)。試驗(yàn)前按圖1所示在試件兩端面各標(biāo)識(shí)3個(gè)量測(cè)點(diǎn)，通過測(cè)定低溫作用前后對(duì)應(yīng)量測(cè)點(diǎn)間的長(zhǎng)度變化計(jì)算其熱膨脹系數(shù)。

采用慢凍法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，未凍融循環(huán)平行試塊為3個(gè)，凍融循環(huán)組的平行試塊為5個(gè)，共46個(gè)。進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)的試塊泡水4 d后移至超低溫冰箱及超低溫預(yù)冷箱內(nèi)進(jìn)行降溫，持溫結(jié)束后再次泡水。試塊每完成一次降溫和泡水過程視為一次凍融循環(huán)，本試驗(yàn)共進(jìn)行 10次凍融循環(huán)，根據(jù)凍融前后試塊抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的變化衡量其凍融循環(huán)損失。

圖1 低溫混凝土熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)棱柱體量測(cè)點(diǎn)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 低溫條件下混凝土力學(xué)性能

經(jīng)歷低溫作用以及高溫烘干后，混凝土試塊表面未出現(xiàn)明顯變化，混凝土含水率測(cè)試結(jié)果見表2。可以明顯看出，低溫作用對(duì)混凝土含水率的影響極小，且各組含水率之間差別較小，可為抗壓強(qiáng)度的評(píng)判做出指導(dǎo)。

表2 混凝土含水率測(cè)試結(jié)果

如圖2所示，低溫條件下混凝土抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而逐步提高。按照規(guī)范要求考慮含水率的影響后，所有試塊的抗壓強(qiáng)度平均值以及最小值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論計(jì)算值。按照此配比所制作的混凝土在低溫下強(qiáng)度安全儲(chǔ)備足夠，可以較好的運(yùn)用于LNG儲(chǔ)罐中。

圖2 低溫條件下混凝土抗壓強(qiáng)度變化

熱膨脹系數(shù)指混凝土在單位溫度變化時(shí)所產(chǎn)生的長(zhǎng)度量值的變化，衡量了混凝土受溫度作用而產(chǎn)生漲縮的程度。低溫條件下混凝土試件的熱膨脹系數(shù)見圖3。在低溫作用下，混凝土熱膨脹系數(shù)逐漸減小，且溫度越低，熱膨脹系數(shù)降低幅度越大。在考慮含水率的影響后，混凝土熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值，也同樣證明該混凝土配合比在LNG儲(chǔ)罐的建設(shè)之中具有較高的適用性。

圖3 低溫條件下混凝土熱膨脹系數(shù)

3.2 低溫條件下混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)

在經(jīng)歷低溫凍融循環(huán)作用后，混凝土表面會(huì)出現(xiàn)孔洞貫通、孔徑變大等情況，且隨著循環(huán)下限溫度的降低，混凝土表面劣化逐漸加重。利用凍融后的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度損失衡量混凝土受凍融損傷程度，由圖4可以看出，凍融循環(huán)作用使得混凝土強(qiáng)度降低，且降低幅度隨著循環(huán)下限溫度的降低而增大。在－40 ℃、－80 ℃、－120 ℃和－190 ℃下，經(jīng)歷 10次循環(huán)后，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度分別降低0.4%、1.6%、3.7%和6.5%，抗拉強(qiáng)度分別降低2.3%、3.4%、8.9%和14.7%。混凝土抗拉強(qiáng)度損失高于抗壓強(qiáng)度，這主要是由于混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)凍融過程中由溫度變化和孔隙水凍脹所導(dǎo)致的應(yīng)力更為敏感。降低后混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度仍高于其強(qiáng)度理論計(jì)算值，可以繼續(xù)使用。

圖4 凍融循環(huán)后混凝土強(qiáng)度變化

4 結(jié)語

通過對(duì)低溫條件下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的討論，對(duì)LNG儲(chǔ)罐建設(shè)提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)低溫作用后混凝土含水率與常溫狀態(tài)相差不大，低溫作用對(duì)其影響可以忽略。

(2)在低溫作用下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而提高，且混凝土在低溫下的強(qiáng)度與含水率息息相關(guān)，進(jìn)行強(qiáng)度指標(biāo)判斷時(shí)需考慮含水率的影響。

(3)混凝土熱膨脹系數(shù)隨著溫度的降低而減小，含水率對(duì)熱膨脹系數(shù)影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮含水率的影響。

(4)混凝土抗壓強(qiáng)度及熱膨脹系數(shù)值均滿足規(guī)范要求，此混凝土配合比可以較好的指導(dǎo) LNG儲(chǔ)罐外罐的建設(shè)。

(5)混凝土受凍融作用后抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，溫度越低，強(qiáng)度降低幅度越大，且抗拉強(qiáng)度損失大于抗壓強(qiáng)度。在按照規(guī)范進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)的測(cè)試外，還需考慮凍融對(duì)混凝土的影響，以保證在規(guī)定循環(huán)次數(shù)內(nèi)混凝土強(qiáng)度劣化后仍能滿足使用需求。

(6)全混凝土 LNG儲(chǔ)罐和薄膜罐的推廣和應(yīng)用，需要對(duì)混凝土的低溫性能做進(jìn)一步研究，比如最優(yōu)或最低的含水率，最優(yōu)含氣率以及如何提高混凝土的抗凍融作用循環(huán)次數(shù)和抗拉強(qiáng)度降低等。