能源結(jié)構(gòu)用普通和高強混凝土溫度循環(huán)效應(yīng)研究

姜永勝 蘇 娟 郭冠群 蘇龍龍 曾 啟

（1 海洋石油工程股份有限公司；2 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院）

0 引言

當(dāng)前，我國各類能源結(jié)構(gòu)工程如超過20 萬方的大型LNG 儲罐結(jié)構(gòu)和核電站等的建設(shè)如火如荼。然而，從混凝土結(jié)構(gòu)澆筑到其服役的全生命周期中，混凝土可能會受到不同的溫度作用，如LNG 儲罐的主體混凝土結(jié)構(gòu)長期處于復(fù)雜的熱-濕環(huán)境中。長期作用下有混凝土的凍融循環(huán)；短期作用下，從澆筑過程中的水化熱到使用階段可能出現(xiàn)的火災(zāi)等都會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響。雖然混凝土是惰性材料且具有較好的耐高溫性能，但是溫度對混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和長期性能具有較大影響。事實上，溫度是一個比較復(fù)雜的作用，最高溫度、作用時間、升降溫方式、溫度應(yīng)力狀態(tài)等都會影響混凝土的受力性能[1-3]。而根據(jù)溫度作用的不同，混凝土材料退化的機理也不盡相同。

混凝土在受到溫度循環(huán)作用時的力學(xué)特性通常與最高溫度和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。目前的研究多是關(guān)于混凝土一次升降溫后的殘余性能或高溫性能[4-13]，針對多次溫度循環(huán)作用后混凝土殘余性能的研究相對較少。一般認(rèn)為，當(dāng)混凝土所受的最高溫度不超過200℃時，一次升降溫對其力學(xué)性能的影響不大，但是當(dāng)溫度循環(huán)達(dá)到一定的次數(shù)之后，混凝土材料將受到較大的損傷，隨著循環(huán)次數(shù)的增多混凝土表現(xiàn)出明顯的強度軟化和剛度退化現(xiàn)象。然而，這一定性認(rèn)識目前尚沒有較好的理論研究和較為完整的試驗結(jié)果支撐。因此，本文針對普通和高強混凝土在不超過200℃的高周溫度循環(huán)作用下的力學(xué)行為進(jìn)行試驗研究，以期認(rèn)識亞高溫循環(huán)作用對普通和高強混凝土力學(xué)性能的影響效應(yīng)，為一些特種混凝土結(jié)構(gòu)，如安全殼、工業(yè)煙囪、高溫設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)等提供設(shè)計依據(jù)。

1 試驗方案

通過開展受溫度循環(huán)作用后的混凝土棱柱體（100mm×100mm×300mm）試驗，研究其宏觀力學(xué)性能受溫度循環(huán)作用的效應(yīng)。試驗主要記錄了混凝土試件受溫度循環(huán)作用后的變形、質(zhì)量損失、表面孔隙與裂縫發(fā)展，和受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€等。試驗分為如下兩組：

⑴試驗A：最高溫度150℃，小粒徑粗骨料混凝土試驗，C30 普通混凝土；

⑵試驗B：最高溫度200℃，大粒徑粗骨料混凝土試驗，C60 高強混凝土。

1.1 材料組分及配合比

澆筑混凝土棱柱體試件所用材料主要包括水泥、水、粗骨料、細(xì)骨料和高性能減水劑等，其中：

⑴凝膠體：兩組試驗均采用標(biāo)號為42.5R 的普通硅酸鹽水泥。

⑵粗骨料：兩組試驗所用粗骨料不同，試驗A 采用小粒徑花崗巖骨料，強度較低，主要成分為SiO2，粒徑小于10mm，澆筑時含水率約為0.5%；試驗B 采用大粒徑骨料，強度高，主要成分為碳酸鈣，粒徑10mm～20mm，澆筑時含水率約為0.5%。

⑶細(xì)骨料：兩組試驗所用細(xì)骨料均為普通石英砂，主要成分為SiO2，澆筑時含水率約為2%。

兩組試驗中，混凝土試件的配合比（水泥:水:粗骨料:細(xì)骨料）分別為：試驗A：440:218:862:985；試驗B：440:192.6:838.7:978.6。兩組試驗減水劑的用量均為1200ml/m3。將四種成分?jǐn)嚢杈鶆颍湃牖炷猎嚹?nèi)振搗，48 小時后拆模。

1.2 試驗方法

待試件澆筑、拆模自然養(yǎng)護(hù)28 天后，混凝土試件強度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，然后采用馬沸爐開展升降溫循環(huán)試驗。采用加速試驗的方法，降低升降溫循環(huán)的周期，試件升降溫循環(huán)周期約為1 天，升降溫循環(huán)示意圖如圖1 所示。試驗A 與試驗B 分別針對不同的溫度循環(huán)次數(shù)進(jìn)行分組，試件最多循環(huán)50 次，試驗的主要目的在于研究溫度循環(huán)次數(shù)對混凝土耐久性以及力學(xué)性能的影響。

圖1 混凝土試件升降溫循環(huán)示意圖

待所有的混凝土試件達(dá)到試驗設(shè)定的溫度循環(huán)次數(shù)之后，用石膏找平試件上下表面，之后進(jìn)行軸壓試驗。試驗采用4000kN 的MATEST 試驗機加載，采用位移加載控制，加載速率為0.18mm/min。試驗設(shè)備以及試驗變形采集配置分別如圖2 與圖3 所示。

圖2 MATEST 試驗機

圖3 LVDT 與應(yīng)變片

2 溫度循環(huán)作用后普通混凝土力學(xué)性能

2.1 普通混凝土受溫度循環(huán)作用后表觀特征

在混凝土受溫度循環(huán)作用試驗過程中，記錄了試件表觀特征隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化過程。圖4 為代表性試件的表觀特征變化情況，其中分別表示初始試件、升降溫循環(huán)10 次、30 次和50 次后的表觀特征。可見，溫度循環(huán)作用對普通混凝土的表觀影響較小，經(jīng)過50 次溫度循環(huán)后試件表面未見裂縫，也基本未見新增孔隙。

圖4 普通混凝土受不同次數(shù)溫度循環(huán)作用后的表觀變化情況

2.2 普通混凝土受溫度循環(huán)作用后質(zhì)量損失與收縮變形

試驗A 中，C30 普通混凝土質(zhì)量隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化情況如圖5 所示。經(jīng)過5 次溫度循環(huán)作用后混凝土的質(zhì)量損失穩(wěn)定在3%左右?？梢?，混凝土受溫度循環(huán)作用的質(zhì)量損失主要在前幾次溫度循環(huán)過程中，該過程中的質(zhì)量損失主要是由于試件中的自由水蒸發(fā)導(dǎo)致的。試驗中對比了溫度循環(huán)作用對混凝土試件干縮變形的影響。以28 天后試件的初始尺寸為基準(zhǔn)歸一化，經(jīng)過不同溫度循環(huán)次數(shù)，得到自然環(huán)境與溫度循環(huán)作用后試件的變形及擬合曲線如圖6 所示?？梢?，溫度循環(huán)作用下試件的收縮變形大于自然環(huán)境的試件變形，說明溫度循環(huán)作用加快了混凝土試件的收縮變形。

圖5 普通混凝土溫度循環(huán)下質(zhì)量損失

圖6 普通混凝土溫度循環(huán)下試件變形

2.3 普通混凝土受溫度循環(huán)作用后力學(xué)性能指標(biāo)

在C30 普通混凝土的溫度循環(huán)試驗中，主要考察混凝土棱柱體的軸壓性能，得到混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線等力學(xué)性能，以及試件破壞形態(tài)。

2.3.1 峰值應(yīng)力

普通混凝土棱柱體抗壓強度初始值為20.11MPa。普通混凝土峰值應(yīng)力隨溫度循環(huán)次數(shù)變化情況如圖7所示。可見，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，普通混凝土峰值應(yīng)力逐漸降低，且主要在第一次溫度循環(huán)作用后，降低約16%，經(jīng)過50 次溫度循環(huán)作用后其強度降低約30%。

圖7 普通混凝土溫度循環(huán)下峰值應(yīng)力

2.3.2 峰值應(yīng)變

普通混凝土峰值應(yīng)變隨溫度循環(huán)次數(shù)變化情況如圖8 所示。試驗的初始峰值應(yīng)變?yōu)?.00153。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多混凝土的峰值應(yīng)變呈增大的趨勢。經(jīng)過50 次溫度循環(huán)后峰值應(yīng)變增大約35%。

圖8 普通混凝土溫度循環(huán)下峰值應(yīng)變

2.3.3 彈性模量

普通混凝土彈性模量隨溫度循環(huán)次數(shù)變化情況如圖9 所示。普通混凝土棱柱體試件的初始彈性模量為20.4GPa，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，彈模逐漸降低，且降低幅度主要集中在第一次溫度循環(huán)之后。第一次溫度循環(huán)作用后彈性模量降低約28%，溫度循環(huán)50 次之后其彈模降低約50%。

圖9 普通混凝土溫度循環(huán)下彈模變化情況

2.3.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

普通混凝土棱柱體受溫度循環(huán)作用后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖10 所示。可見，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，普通混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€逐漸平緩，剛度退化，強度軟化。

圖10 普通混凝土溫度循環(huán)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 溫度循環(huán)作用后高強混凝土力學(xué)性能

3.1 高強混凝土受溫度循環(huán)作用后表觀特征

高強混凝土受溫度循環(huán)作用試驗中記錄了升降溫循環(huán)作用后的試件表面孔隙和裂紋的發(fā)展過程。圖11為代表性試件的表觀特征發(fā)展過程，分別記錄了試件初始狀態(tài)、循環(huán)5 次、20 次、28 次、36 次和48 次六種狀態(tài)的表觀特征。

圖11 高強混凝土受不同次數(shù)溫度循環(huán)作用后的表觀變化情況

此外，混凝土棱柱體試件受溫度循環(huán)作用時角部是相對薄弱的位置。由于混凝土在升降溫過程中會形成不均勻的溫度場，混凝土內(nèi)外變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生。升降溫過程中主要的應(yīng)力狀態(tài)為外部受拉，內(nèi)部受壓，外部的拉應(yīng)力在角部比較集中，所以混凝土容易在外部出現(xiàn)裂縫，在角部出現(xiàn)破損的現(xiàn)象。

3.2 高強混凝土受溫度循環(huán)作用后質(zhì)量損失與收縮變形

試驗記錄到高強混凝土質(zhì)量損失隨溫度循環(huán)次數(shù)變化情況如圖12 所示。可見，試件在經(jīng)過溫度循環(huán)作用后質(zhì)量在前5 次循環(huán)中損失較大，在經(jīng)過5 次升降溫循環(huán)后混凝土試件的質(zhì)量基本保持穩(wěn)定。由于200℃是一個相對較低的高溫，在這一溫度范圍內(nèi)，化學(xué)結(jié)合水不會發(fā)生分解，前5 次溫度循環(huán)中質(zhì)量損失較多，主要是由混凝土中的孔隙水（自由水）蒸發(fā)導(dǎo)致的。

圖12 高強混凝土溫度循環(huán)下質(zhì)量損失

每次升降溫后混凝土試件的變形情況如圖13 所示。試件的收縮變形在前5 次溫度循環(huán)過程中變化較大，之后變化較緩慢。與質(zhì)量損失圖（圖12）對比可以看出，變形擬合曲線與質(zhì)量損失形狀大致相似，而且變形與質(zhì)量損失都是在溫度循環(huán)5 次左右趨于穩(wěn)定，所以可認(rèn)為溫度循環(huán)過程中混凝土的變形主要由干燥收縮引起的?；炷恋母稍锸湛s受溫度和混凝土內(nèi)部孔隙水分布的影響，在混凝土試件升溫過程中，由于水分分布不均勻會導(dǎo)致混凝土內(nèi)外收縮程度不同，形成內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致孔隙和裂縫的產(chǎn)生，這也可能是升降溫循環(huán)作用導(dǎo)致混凝土材料性能退化的原因之一。

圖13 高強混凝土溫度循環(huán)下試件變形

3.3 高強混凝土受溫度循環(huán)作用后力學(xué)性能指標(biāo)

3.3.1 峰值應(yīng)力

高強混凝土峰值應(yīng)力隨溫度循環(huán)次數(shù)變化情況如圖14 所示。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，高強混凝土的峰值應(yīng)力逐漸降低，初始試件的峰值應(yīng)力為64MPa，經(jīng)過一次升降溫循環(huán)后峰值應(yīng)力降低約12%，升降溫循環(huán)50次后其峰值應(yīng)力降低約28%。

圖14 高強混凝土溫度循環(huán)下峰值應(yīng)力

3.3.2 峰值應(yīng)變

高強混凝土峰值應(yīng)變隨溫度循環(huán)次數(shù)變化情況如圖15 所示。可見，高強混凝土受溫度循環(huán)作用后峰值應(yīng)變的離散性較大，大致在0.0025～0.0032 范圍內(nèi)波動。隨著循環(huán)次數(shù)的增多，峰值應(yīng)變總體上呈增大的趨勢。

圖15 高強混凝土溫度循環(huán)下峰值應(yīng)變

3.3.3 彈性模量

高強混凝土的彈性模量根據(jù)受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段擬合得到，如圖16 所示。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，高強混凝土的彈性模量顯著降低，一次溫度循環(huán)作用后其彈模降低了約17%，當(dāng)溫度循環(huán)作用50 次之后，其彈性模量降低了約48%。在前5 次溫度循環(huán)作用時的降低速率較大，之后彈模逐漸降低，但是降低速率減小。

圖16 高強混凝土溫度循環(huán)下彈性模量

3.3.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖17 給出了溫度循環(huán)0 次、1 次、10 次、30 次和50次的高強混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可見，經(jīng)過一次溫度循環(huán)作用后混凝土下降段變得平緩，說明混凝土的延性有所提高，當(dāng)溫度循環(huán)超過30 次之后下降段變得較陡，特別是50 次溫度循環(huán)作用時，混凝土超過峰值應(yīng)力后強度直線降低，說明50 次溫度循環(huán)作用后混凝土具有明顯的脆性，其延性變差。

圖17 高強混凝土溫度循環(huán)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 研究結(jié)論

本文以能源結(jié)構(gòu)用混凝土材料受溫度作用問題為背景，通過系統(tǒng)的試驗研究對比分析了不同溫度循環(huán)作用分別對普通和高強混凝土的物理、力學(xué)特性等的影響效應(yīng)，研究得到的主要結(jié)論如下：

⑴高強混凝土受溫度循環(huán)作用時表觀特征受到的影響大于普通混凝土，普通混凝土經(jīng)過50 次溫度循環(huán)作用后其表觀不出現(xiàn)裂紋，表現(xiàn)出孔隙增大的現(xiàn)象，高強混凝土表觀則出現(xiàn)較明顯的裂紋。

⑵經(jīng)過第一次溫度循環(huán)后，高強混凝土棱柱體軸心抗壓強度降低約12%，普通混凝土強度降低約16%；經(jīng)過50 次溫度循環(huán)后，高強混凝土強度降低約28%，普通混凝土強度降低約30%。

⑶隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，普通和高強混凝土的峰值應(yīng)變均呈增大的趨勢。

⑷經(jīng)過一次溫度循環(huán)作用后，高強混凝土彈性模量降低約17%，普通混凝土彈性模量降低約28%；經(jīng)過50次溫度循環(huán)作用后，高強混凝土彈性模量降低約48%，普通混凝土彈性模量降低約50%。

⑸溫度循環(huán)作用會影響混凝土棱柱體受壓破壞模式，經(jīng)過溫度循環(huán)作用后，單一型破壞模式比例減小，混合型破壞模式比例增大。