溫度作用對石灰?guī)r的熱學與力學性能影響

張江昆，李 揚*，蘇 瑜，蔡元奇

(1.湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，武漢 430068；2.武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

1 研究背景

石灰?guī)r作為一種常用的建筑材料，多用于混凝土的粗骨料，而從節(jié)省成本出發(fā)，液化天然氣儲存罐常需要采用混凝土材料，此時需要考慮由于液氮泄露導致混凝土處于超低溫環(huán)境下的問題。此外地下的天然氣存儲也需要對巖石的超低溫性能做深入分析。核工程建設領域，在地下煤氣及地熱資源等開發(fā)中，則需要了解巖石在高溫環(huán)境下的熱學以及力學性能。由此可見開展石灰?guī)r在超低溫下以及高溫條件下的熱學及力學性能進行深入研究十分必要。

目前，中外已初步開展了關于建筑材料在非常溫環(huán)境下的性能研究。在高溫領域，Zhang等[1]分析了高溫前后石灰?guī)r的細觀結構變化及力學性能，初步提出有關石灰?guī)r彈性模量隨溫度的變化趨勢。曹瑞東等[2]對石灰?guī)r骨料在經(jīng)歷高溫后的力學性能壓碎值的變化規(guī)律等進行了研究。有研究者通過試驗分析了高溫下混凝土性能的變化規(guī)律和機理[3]、應力應變關系[4]、瞬時熱應變[5]并對線膨脹系數(shù)(coefficient of linear thermal expansion,CLTE)進行了測試[6]。前人還圍繞高溫對水泥砂漿強度的影響及機理進行了分析[7-9]。在低溫領域，研究主要圍繞低溫凍融循環(huán)條件下巖石彈性模量變化規(guī)律及細觀結構、巖石內部裂縫的變化，液氮凍結條件下巖石孔隙結構損傷等[10-14]。綜上，由于溫度-荷載耦合作用下的材料性能試驗方法尚不成熟。前人研究多針對經(jīng)歷高溫或超低溫作用后的材料性能進行研究，而關于石灰?guī)r在超低溫及高溫下的熱學和力學性能的研究成果相對較少。

基于此，自主研發(fā)力-溫度同步施加試驗裝置，利用電阻應變片測試技術，結合極端溫度下工程結構性能研究課題組提出的原位補償法，分別測得超低溫與高溫下石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)；在此基礎上，充分利用試驗箱精確的控溫效果和力獨立施加技術，實現(xiàn)將溫度作用與力加載引起的變形有效分離；由此測得石灰?guī)r在不同溫度下由于力引起的應變值，進而計算得到-165～300 ℃內石灰?guī)r的彈性模量及其隨溫度的變化規(guī)律，以期為變溫環(huán)境下相關工程領域的結構構件性能研究及應用提供參考和借鑒。

2 試驗研究

2.1 試樣介紹

試驗所用的石灰?guī)r取材于湖北咸寧，通過加工長×寬×高=150 mm×10 mm×10 mm/150 mm×150 mm×10 mm的石材試件用于線膨脹系數(shù)測試；通過加工制成尺寸為長×寬×高=100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件用于彈性模量測試；石英玻璃由東海縣昊天石英玻璃制品有限公司提供(純度99%)，以此作為線膨脹系數(shù)測試的標準件。在每個用于測試線膨脹系數(shù)的試件上沿其長度方向布置一個應變片；在用于彈性模量測試的立方體試件[圖1(a)]表面周圍四個面形心位置，各沿荷載施加方向布置一個應變片。此外在每個應變片測點位置，同時布置一支熱電偶用于實時測試測點處的溫度。應變片及相應黏膠均選自日本TML生產的產品：低溫測試選用CFLA-6-350-11型超低溫應變片，其室溫下電阻為350 Ω，靈敏度系數(shù)為2.0%±1%；底膠選用EA-2A；高溫應變片選用ZFLA-6-11型高溫應變片，其室溫下電阻為120 Ω，靈敏度系數(shù)為2.0%±1%；膠黏劑選用NP-50(聚酯膠)。熱電偶為PT100型。試驗材料信息如表1所示。

表1 試件信息Table 1 Specimens information

圖1 試件示意Fig.1 Experiment specimens

2.2 試驗設備

1為數(shù)據(jù)采集儀；2為導線；3為試件；4為試驗箱；5為拉桿；6為支撐裝置；7為保溫棉；8為外部支撐；9為支撐梯；10為鋼配重；11為連接裝置；12為加載裝置；13為地面；14為圓鋼；15為螺栓圖2 試驗設備Fig.2 Experiment equipment

采用自主設計研發(fā)的低溫與高溫加載試驗裝置各一臺(圖2)，箱體由江蘇無錫騰川儀器設備有限公司生產制作。該試驗裝置的特點在于：能同時實現(xiàn)對被測試試件溫度作用、力加載作用的獨立施加，同時預留通道實現(xiàn)被測試件溫度以及應變等數(shù)據(jù)的實時采集。在溫度控制方面，針對低溫試驗箱，通過注入液氮降溫，降溫速率最快可達1 ℃/min，高溫試驗箱則通過電熱管升溫，升溫速率可達5 ℃/min，兩臺試驗箱均由控制臺設定目標溫度實現(xiàn)溫度實時調節(jié)，控溫精度±0.5 ℃。在荷載施加方面，利用鋼配重、箱體外連接裝置以及伸入試驗箱中的加載裝置等實現(xiàn)對試件的加載。鋼配重總質量為3.2 t，從下至上共分7級，經(jīng)標定，各級加載分別提供471、946、1 373、1 815、2 253、2 692、3 132 kN的力。數(shù)據(jù)采集采用TDS-530高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，最高采樣頻率為1 Hz。

2.3 試驗方法

(1)針對低溫條件下的石灰?guī)r立方體彈模測試，將完成測點布置的3個石灰?guī)r立方體試件作為一組放入低溫箱加載裝置內，另選擇同樣尺寸規(guī)格的立方體在其中心埋入熱電偶，由此實時監(jiān)控試件中心的溫度。降溫范圍為-165～0 ℃。由0 ℃開始每降10 ℃，維持試件內外溫度恒定一致(確保冷透)，待試件冷透時，進行一次配重加載試驗并完成數(shù)據(jù)的測試采集，重復上述步驟直至溫度降至-165 ℃。

(2)針對降溫條件下的石灰?guī)r線膨脹系數(shù)測試，將完成測點布置的試件放入試驗箱，由0 ℃開始每降10 ℃，維持試件內外溫度恒定一致(確保冷透)，待試件冷透時，進行一次應變數(shù)據(jù)采集，重復上述步驟直至溫度降至-165 ℃。

針對高溫條件下的石灰?guī)r彈模及線膨脹系數(shù)測試方法，與低溫測試方法基本一致。升溫范圍為30～300 ℃。每升高20 ℃，進行一次加載試驗及數(shù)據(jù)測試。

3 試驗結果計算方法

3.1 原位補償測試方法

材料線膨脹系數(shù)的測量方法，根據(jù)不同測量對象和目的主要分為試差法、光學干涉法、直觀法、X光測量法等。以上測量方法對被測試樣幾何形狀、尺寸規(guī)格要求嚴格且實驗周期長，應用電阻應變片測量材料熱膨脹方法簡便精度高，既可同時用于金屬與非金屬，也可以測高溫(400 ℃以下)與超低溫[15]。

采用電阻應變片測線膨脹系數(shù)，其實際輸出的應變數(shù)據(jù)結果，經(jīng)考慮待測試件上粘貼應變片和變溫影響，以及應變片與試件之間由于線膨脹系數(shù)差異引起的相對變形，可用式(1)表示：

(1)

式(1)中：εt為被測試件在某溫度t下的熱輸出；R為應變片的電阻，Ω；ΔR為變溫條件下應變片電阻值的差值，Ω；Ks為應變片的敏感系數(shù)；φs為應變片的電阻溫度系數(shù)，℃-1；α為試件的平均溫度線膨脹系數(shù)，℃-1；αs為應變片的平均溫度線膨脹系數(shù)，℃-1；ΔT為溫差，℃。

以往的線膨脹系數(shù)測試方法中，將試件測點應變片與標準件應變片通過半橋連接[15]。但考慮到同一時刻被測試件和標準件測點附近溫度未必完全相同，因此無法實現(xiàn)標準件對試件的準確實時補償，因而提出原位補償?shù)乃悸罚翰捎?/4橋(虛擬電阻補償)分別連接試件和標準件，由此可以分別得到如式(2)、式(3)所示的試件及標準件熱輸出數(shù)據(jù)。

(2)

(3)

式中：α1為待測試件的平均溫度線膨脹系數(shù)，℃-1。α2為標準件的平均溫度線膨脹系數(shù)，℃-1。

由此，采用原位補償測試方法來計算石材的線膨脹系數(shù)：在待測石灰石試件上與石英玻璃上粘貼相同的應變片，分別測得其熱輸出曲線，如圖3所示，將對應同一溫度下，試件和標準件的輸出結果相減，最終得到實際試件的應變數(shù)據(jù)結果公式如式(4)所示：

Δε=εt1-εt 2=(α1-α2)ΔT

(4)

進而有：

(5)

圖3 線膨脹試件熱輸出與溫度關系Fig.3 The thermal output-temperature relationship of CLTE specimens

3.2 線膨脹系數(shù)測試結果

石英玻璃作為標準件，在-200～1 000 ℃，石英玻璃的線膨脹系數(shù)如表2所示[16]，其隨溫度的擬合曲線如圖4所示。

表2 石英玻璃線膨脹系數(shù)Table 2 CLET of fused silica

圖4 石英玻璃在-200～300 ℃內的線膨脹系數(shù)Fig.4 The CLTE of fused silica at temperature from -200 ℃ to 300 ℃

經(jīng)由如上原位補償方法，通過式(5)計算得出其線膨脹系數(shù)。以溫度為橫坐標，以所有石灰?guī)r試件線膨脹系數(shù)為縱坐標，得到其線膨脹系數(shù)隨溫度變化散點圖如圖5所示。從圖5中可以看出，石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)在-165～300 ℃與溫度為正相關的關系，降溫過程中，隨著溫度的降低，其平均線膨脹系數(shù)從7×10-6℃-1逐漸減小到0.98×10-6℃-1，下降百分比達到了86%。從在30～300 ℃的升溫過程中，隨著溫度的升高其平均線膨脹系數(shù)從3.12×10-6℃-1逐漸升高到4.94×10-6℃-1，上升百分比達到了58%。

圖5 石灰?guī)r線膨脹系數(shù)隨溫度變化趨勢Fig.5 The CLTE variation of limestone with temperature

通過試驗數(shù)據(jù)計算所得的不同溫度下線膨脹系數(shù)取平均值，如表3所示。

表3 試驗所得石灰?guī)r在-165～300 ℃的線膨脹系數(shù)Table 3 CLTE of limestone at temperature from -165 ℃ to 300 ℃

3.3 彈性模量測試

3.3.1 計算方法

在不同溫度的加載情況下，電阻應變片采集到的應變數(shù)據(jù)由三部分組成:①試件在溫度影響下的應變值；②應變片本身電阻的影響；③由加載產生的應變。在機械力和溫度共同作用下，所測得的總應變如式(6)所示：

(6)

式(6)中：εM為力引起的應變。

從常溫變溫至某一溫度Ti時，將加載時實際輸出的應變數(shù)據(jù)結果減去該溫度下未加載的應變值，此差值正是在為待測試件在固定荷載作用下引起的試件應變值，即：

ΔεTi=ε2Ti-ε1Ti=εMTi

(7)

式(7)中：εMTi為溫度Ti溫度下的力引起的應變；ε1Ti為Ti溫度下未加載時的應變值；ε2Ti為Ti溫度下加載時的應變值。

設定試件受力截面面積為A，則在配重荷載N的作用下，溫度為Ti時的混凝土彈性模量ETi為

(8)

綜上，通過將測得的試件在各個穩(wěn)定溫度下受力與不受力時的應變值做差，得到的各個溫度下對應的ΔεTi，再結合已知的截面面積A和施加的壓力N，利用式(8)得到試件在溫度Ti時對應的彈性模量ETi，從而確定試件彈模-溫度關系。

3.3.2 彈性模量測試結果

由圖6可知，石灰?guī)r在低溫-165～0 ℃降溫過程中，彈性模量變化有略微減小的趨勢，溫度降到-165 ℃時，彈性模量比常溫下降了10%。石灰?guī)r在30～300 ℃的升溫過程中，其彈性模量受溫度影響很大，呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。溫度達到300 ℃時相對彈性模量下降了60%。

圖6 石灰?guī)r彈性模量隨溫度變化趨勢Fig.6 The Elastic modulus variation of limestone affected by temperature

4 結論

采用原位補償法測得高溫及超低溫下石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)和彈模隨溫度的變化趨勢，得到以下結論。

(1)低溫環(huán)境下，隨著溫度從0 ℃降低到-165 ℃時，石灰?guī)r線膨脹系數(shù)從7×10-6/℃逐漸減小到0.98×10-6℃-1，降幅達到86%；高溫環(huán)境下，隨著溫度由30 ℃升高300 ℃，石灰?guī)r線膨脹系數(shù)從3.12×10-6℃-1逐漸升高到4.9×10-6℃-1，增幅達到58%。

(2)石灰?guī)r在低溫條件下(-165～0 ℃)的彈性模量與常溫相比變化不大。整個降溫過程中，彈性模量有略微減小的趨勢，當溫度降到-165 ℃時，其彈性模量比0 ℃時下降10%。

(3)高溫作用下(30～300 ℃)，石灰?guī)r的彈性模量會隨著溫度的升高而下降，當溫度達到300 ℃時，其彈性模量下降到常溫30 ℃下的60%。