液氮泄漏對超導電纜管線槽混凝土物理力學性質的影響

姚周飛， 杜習周， 王葉嬌， 張政

(1.國網上海能源互聯網研究院有限公司， 上海 200003； 2.上海大學力學與工程科學學院， 上海 200444)

高溫超導電纜在液氮溫度的傳輸電流密度比銅導線高至少兩個量級，且采用無污染和火災隱患的液氮作為冷卻介質，在現有電力系統升級和新電力系統建設中具有重要的應用前景[1]。高溫超導電纜在掛網運行中，存在著正常運行微泄露、外力破壞泄露、超導電纜短路放電擊穿泄露三種情況[2]。當用于冷卻的液氮介質泄露后，將會使得混凝土管線槽遭受極低溫凍融作用，對混凝土的物理力學性質造成影響。

超聲波在混凝土大壩、灌注樁以及橋墩等質量檢測中廣泛應用，具有檢測設備簡單、穿透能力強、便于操作以及檢測成本低等優勢[3]。Masayasu[4]利用超聲波對測法測量了不同凍融次數混凝土的相對彈性模量，并結合單軸抗壓試驗驗證了超聲波用于混凝土彈性模量無損檢測的可行性。寇佳亮等[5]采用超聲波平測法對經歷不同凍融循環次數的高延性混凝損傷層厚度進行了測定，并建立了高延性混凝土損傷抗壓強度模型。Yan等[6]通過超聲波試驗得出硅粉混凝土的超聲波波速與動彈性模量隨著凍融循環次數增加呈現出一致的降低趨勢。

凍融循環作用下混凝土力學性能的研究中，程猛等[7]通過凍融循環試驗研究了纖維與粉煤灰摻料對混凝土抗壓強度與相對動彈性模量的影響，適量的摻料對混凝土的抗凍性能有改善作用，但整體上仍呈現出劣化趨勢?；炷翗O低溫凍融的宏觀力學特性方面，時旭東等[8-9]以液化天然氣儲罐混凝土的極低溫作用為研究背景，通過單軸壓強度試驗，研究了不同強度等級與超低溫溫度區間作用下混凝土的抗壓強度，研究結果表明，在相同的凍融溫度區間內，不同強度等級混凝土抗壓強度均隨著凍融次數的增加呈現出波動狀的惡化態勢；另一方面，C50強度混凝土經歷不同超低溫溫度區間凍融循環后，下限溫度越低，混凝土的累積損傷越嚴重。周大衛等[10]通過低溫循環單軸和三軸試驗對比研究了C60混凝土與自制的高強耐低溫混凝土的抗壓強度，試驗結果表明液氮凍融循環作用后，兩者的強度均隨著凍融次數的增加逐漸降低。

核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)在混凝土凍融損傷微觀結構研究方面，薛慧君等[11]利用NMR技術分析了風積沙混凝土經歷凍融作用后孔隙的演變特征，經過凍融循環后，其孔隙度和滲透率均增大，孔徑大于100 nm孔隙的增多以及孔徑小于10 nm孔隙的減少，加劇了混凝土的凍融損傷。楊晶[12]利用NMR對不同凍融次數的混凝土試件進行了掃描，通過T2分布譜發現隨著凍融次數的增加，T2譜的面積呈現出初期增速較快，后期增速減小的規律，混凝土內小孔孔隙的含量隨凍融次數的增加而減小，大孔隙含量隨著凍融次數的增加而增加。Zhang等[13]利用NMR試驗測量了凍融循環后混凝土的微觀孔隙結構，結果表明，混凝土的孔隙率以及中孔和大孔的比例隨著凍融循環次數的增加逐漸增加，混凝土孔隙率變化的損傷模型能夠定量表征宏觀力學性能的退化規律。

綜上，超聲波檢測與核磁共振試驗在混凝土無損檢測中廣泛應用，現將通過超聲波檢測試驗、核磁共振試驗以及混凝土單軸抗壓強度試驗，研究液氮泄漏引起的極低溫工況下超導電纜管線槽混凝土物理力學性質的變化規律，研究對于超導電纜運營前的安全評估以及液氮泄漏后的緊急搶險處理具有重要意義。

1 混凝土試塊凍融試驗

1.1 混凝土試塊制作

混凝土試塊尺寸規格為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，強度等級為C25，制作及養護參照現行的混凝土規范及標準，由混凝土管線槽制作的商品混凝土攪拌站制作并在飽和的石灰水溶液中養護至齡期。

1.2 混凝土試塊凍融

制作好的試塊，選取8組質量相近、無明顯外觀缺陷的混凝土試塊，每3個為一組，分別編號為A～H，其中每組選擇一個混凝土試塊作為參照，不做凍融處理(詳見2.2節)，其余試塊分別按照設定的凍融次數進行凍融處理，試驗用混凝土凍融容器見圖1。其中一個10 L大口徑液氮罐用于混凝土凍融反應，兩個20 L液氮罐用作儲存液氮，保證混凝土試塊在凍的過程中穩定的極低溫工況。混凝土凍融時長分布為凍4 h，融8 h。

圖1 用于液氮凍融反應的容器Fig.1 Container for liquid nitrogen freeze-thaw reaction

1.3 混凝土凍融后表觀特征的變化

混凝土試塊剛開始放入液氮中時會聽見液氮劇烈沸騰的聲音，混凝土試塊凍融結束拿出液氮反應容器時會聽見混凝土試塊“噼里啪啦”的響聲且混凝土試塊表面在較短時間內有明顯的掛霜現象(圖2)。

圖2 混凝土試塊凍融試驗Fig.2 Freeze-thaw test of concrete

與未凍融的試塊相比，凍融后的混凝土試塊表面均未出現可見裂縫、缺角現象，試塊質量無顯著變化，但混凝土試塊表面存在部分細骨料脫落形成的細小孔洞，試塊表面顏色無明顯變化。

2 混凝土超聲波檢測試驗

2.1 試驗儀器及試驗原理

2.1.1 試驗儀器

試驗用“GTJ-U200型”混凝土超聲波回彈儀符合《超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(T/CECS 02—2020)，廣泛應用于各類建筑工程普通混凝土抗壓強度的無損檢測，圖3為“GTJ-U200型”混凝土超聲波回彈儀實物圖。

圖3 “GTJ-U200型”混凝土超聲波檢測儀Fig.3 “GTJ-U200” concrete ultrasonic detector

“GTJ-U200型”設備采用了先進的傳感器以及ARM(advanced reduced instruction set computer machine)微處理器，聲速與聲時測量準確可靠，其示值誤差為±0.1 μs，超聲波換能器的工作頻率為5 Hz～500 kHz，工作的環境溫度為-10～40 ℃。

2.1.2 試驗原理

超聲波儀產生高壓電脈沖，激勵發生換能器內的壓電晶體獲得高頻聲脈沖，聲脈沖傳入混凝土介質中，由接收換能器接收通過混凝土傳來的聲信號，測出超聲波在混凝土中傳播的時間，最后由游標卡尺測出超聲波的傳播距離，可換算出超聲波在混凝土內的傳播速度。對于一定配合比的混凝土，混凝土的強度越高，超聲波的波速越大，反之越小[14]。

2.2 試驗步驟

2.2.1 凍融前測量

先用小刷子刷去混凝土試塊表面的灰塵及浮漿，為方便超聲波換能器的貼合與對中，選擇兩個平整度良好的相對面，用記號筆標記處兩個面的中心點，并用游標卡尺測量出兩個對立面的距離作為超聲波的傳播距離L，設定好相關參數后，通過三次測量，記錄到超聲波在混凝土內傳播的聲時t1(μs)，并計算出超聲波在混凝土內的傳播波速v1(km/s)。每組中選取超聲波傳播波速v1為中間值的混凝土試塊不做凍融處理，作為參照組。

2.2.2 凍融后的測量

凍融后的測量與凍融前的操作方法相似，記錄混凝土試塊不同凍融次數混凝土試塊的傳播聲時t2(μs)，并計算超聲波傳播波速v2(km/s)。

2.3 試驗結果

對凍融后超聲波傳播的波速取平均值，整理凍融前后超聲波的傳播波速變化以及波速下降比見表1。

表1 凍融前后超聲波波速傳播的變化規律Table 1 Variation of ultrasonic wave velocity before and after freezing and thawing

整理表1的試驗數據，以不同組的混凝土試塊的編號為橫軸，以超聲波傳播速度的平均值為縱坐標繪制柱狀圖，得到不同組混凝土試塊在凍融前后的超聲波波速分布規律，凍融作用前后，各組混凝土試塊超聲波波速變化規律見圖4。

圖4 凍融作用前后各組試塊超聲波波速的變化規律Fig.4 Variation of ultrasonic wave velocity before and after freezing and thawing action

為直觀地反映經歷不同凍融次數混凝土試塊的超聲波波速變化規律，將混凝土超聲波波速下降比隨凍融次數的變化規律整理見圖5。

圖5 混凝土超聲波波速下降比隨凍融次數的變化規律Fig.5 Variation of ultrasonic wave velocity of concrete with the increase of freezing and thawing cycles

2.4 試驗結論

從圖4中灰色柱狀圖可以看出，混凝土試塊的超聲波波速受到混凝土試塊制作以及測量的誤差，存在著波動趨勢，但整體分布均勻，說明混凝土試塊內部的密實度差異較??；從圖4與圖5可以看出，混凝土試塊的超聲波的波速經歷不同次數的凍融后，存在著不同程度的降低，并且整體表現為隨著凍融次數的增加，超聲波波速下降越明顯，說明凍融作用使得混凝土內部密實程度降低或者混凝土表面產生了孔洞。

3 混凝土單軸抗壓試驗

混凝土的外在宏觀性能是微觀結構的直接反映，其優劣直接影響著混凝土的耐久性[15]?；炷羻屋S抗壓強度作為混凝土結構設計的重要參數，研究不同凍融次數下混凝土的單軸抗壓強度具有重要的意義。

3.1 試驗設備與試驗步驟

3.1.1 試驗設備

試驗設備為上海大學結構力學試驗室“200 T電液伺服結構加載機”，該設備具有精度高，操作便捷的優點。伺服液壓試驗機配套的數據采集系統可以采集混凝土試塊加載過程中荷載與位移數據，并繪制荷載-位移曲線，伺服液壓試驗機及其配套的數據采集系統見圖6。

圖6 伺服萬能試驗機及其數據采集系統Fig.6 Servo universal testing machine and its data acquisition system

3.1.2 試驗步驟

將待測試的混凝土試塊放在加載平臺上，與上加載板對中后，在軟件控制端設置加載速率0.3 MPa/s，整個加載過程中，數據采集系統持續采集混凝土試塊的荷載與位移數據，最后將采集到的不同編號混凝土試塊的數據導入Excel表格中。

3.2 試驗結果

3.2.1 混凝土試塊的破壞形態

經歷不同凍融次數后的混凝土試塊在破壞前發出的聲響較未凍融試塊更加“沉悶”，混凝土試塊的最終破壞形態均呈現出較為規則的對頂錐狀，見圖7。

圖7 混凝土試塊加載及破壞形態Fig.7 Loading and failure mode of concrete block

3.2.2 荷載與位移關系曲線

依照混凝土強度檢驗評定標準(GB/T 50107—2010)，對邊長為100 mm的混凝土試塊取強度折減系數為0.95[16]。為對比混凝土試塊超聲波波速與單軸抗壓強度的關系，將超聲波波速數據與混凝土單軸抗壓強度數據整理到表2。

根據表2繪制得到的未凍融試塊的強度分布規律與凍融作用后混凝土試塊變化規律見圖8。

表2 混凝土試塊超聲波波速與單軸抗壓強度隨凍融次數的變化規律Table 2 Variation Law of peak strength of concrete block with freeze-thaw cycles

圖8 凍融作用前后混凝土試塊的單軸抗壓強度變化規律Fig.8 Uniaxial compressive strength change of concrete blocks before and after freeze-thaw actions

3.3 試驗結論

從表2可以看出混凝土的單軸抗壓強度與混凝土的超聲波波速存在著相對一致的關系，具體表現為混凝土的單軸抗壓強度越高，其超聲波波速越大，這一結論與Masayasu[4]的研究結論基本一致。此外，從圖8可以看出，除最后一個數據點外，混凝土的單軸抗壓強度大致在33～35 MPa范圍附近分布，對照圖4未凍融試塊的超聲波波速分布規律，驗證了超聲波波速與混凝土試塊單軸抗壓強度分布規律的一致性。從圖8可以看出混凝土的單軸抗壓強度隨著凍融次數的增加，呈現出先下降之后趨于穩定的特點，混凝土試塊的單軸抗壓強度下降的最大幅值超過了28%。

4 混凝土核磁共振試驗

混凝土的孔隙率、孔徑分布等微觀結構對混凝土的抗壓強度有著直接的影響。低磁場核磁共振技術作為一種高效便捷的無損檢測技術，通過孔隙中氫質子的信號量變化得到T2譜曲線和孔隙度，可以得到混凝土微觀孔隙結構的變化規律[17]。

4.1 試驗設備及試驗原理

4.1.1 試驗設備

試驗設備采用由上海紐邁電子科技有限公司推出的Meso MR 23～060 H-I巖心核磁共振成像分析儀，該設備的共振頻率為23.403 MHz，磁場強度為(0.5±0.08) T，能夠實現混凝土試塊內孔隙度以及孔徑分布測量，儀器設備圖見圖9。

圖9 Meso MR23-060H型核磁共振儀Fig.9 MR23-060H nuclear magnetic resonance instrument

4.1.2 試驗原理

飽水后的混凝土孔隙中常常充滿了水，核磁共振原理是通過外加梯度場的作用，使得磁場中水分子與梯度場產生核磁共振現象，通過混凝土孔隙中水的氫質子信號強度變化得到T2譜線和孔隙度，檢測不同凍融次數試塊T2譜線的信號強度變化規律，得到混凝土試塊在液氮中不同凍融次數的微觀孔隙結構的變化規律。

4.2 試驗步驟

對未凍融混凝土試塊、凍融1次與凍融6次混凝土試塊展開核磁共振試驗，試驗步驟如下。

(1)核磁T2譜參數調試，進行中心頻率校準、參數設置。

(2)第1次測量T2譜線，混凝土試樣烘干，烘干時長為36 h，烘干溫度為50 ℃，稱量混凝土試塊干重，測試樣品原始的T2譜。

(3)使用真空加壓飽和裝置對混凝土試塊進行抽真空，壓力設置為-0.1 MPa，抽真空時長約為2 h。

(4)第2次測量T2譜，對混凝土試塊加壓飽和水處理(12 MPa，12 h)，將飽和后的樣品取出，用潤濕的紙巾擦拭樣品表面，稱量濕重。

(5)樣品測試，將真空加壓飽水后的混凝土試塊用聚乙烯膜包裹后放入線圈載床，測量混凝土的T2弛豫值。

(6)數據處理，根據測量結果，利用反演軟件，得到混凝凝土的T2曲線進行分析。

4.3 試驗結果

4.3.1 試樣飽水前后的質量分布

混凝土試塊在試驗開始前需要做有壓力飽水處理，核磁T2峰面積和水質量之間的對應關系見表3。

表3 混凝土飽和試樣的水量分布情況表Table 3 Water distribution of saturated concrete

4.3.2 混凝土凍融前后T2譜線

表4～表6分別整理出了未凍融混凝土試塊、不同凍融次數試塊的核磁試驗數據，反演得到的T2譜線見圖10。

從圖10可以看出混凝土的T2譜線呈現出雙峰曲線，T2峰的信號強度值越大，代表所對應孔徑的孔隙數量越多，T2峰面積為T2譜線的定積分，積分大小與孔隙數量成正比。

表4 未凍融試塊峰面積的分布規律Table 4 Distribution of peak area of unfrozen test block

表5 凍融1次試塊峰面積的分布規律Table 5 Distribution of peak area of primary freeze-thaw test block

表6 凍融6次試塊峰面積的分布規律Table 6 Distribution of peak area of test block freeze-thaw for 6 times

圖10 T2譜線Fig.10 T2 Spectral line

4.4 試驗結論

從表3～表6以及圖10可以看出，混凝土試塊經歷不同次數的凍融后，其內部總孔隙數量呈現為增加的趨勢，且隨著凍融次數的增加，混凝土內小孔數量降低而孔徑顯著變大，大孔的數量與孔徑均變大，這一結論與文獻[18]的研究結論基本一致。

5 結論

以高溫超導電纜液氮泄漏對混凝土管線槽造成的極低溫凍融工況為研究背景，通過超聲波試驗、混凝土單軸抗壓試驗以及核磁共振試驗，研究了C25混凝土在極低溫凍融作用下，其物理力學性質的變化，得到如下主要結論。

(1)經過液氮凍融作用的混凝土試塊其顏色、質量均無顯著變化，混凝土表層有少量細骨料脫離的細小孔洞；混凝土試塊在拿出液氮反應容器不久，在其表面會有明顯的掛霜現象。

(2)超聲波波速隨著混凝土試塊凍融次數的增加呈現出先降低后趨于穩定的特征，在第四次凍融及之后，超聲波波速最大降幅達到13.6%。

(3)隨著凍融次數的增加，混凝土單軸抗壓強度與超聲波波速的變化規律呈現出相似的特征，整體表現為隨著凍融次數的增加呈現出波動狀的劣化趨勢。

(4)通過對未凍融混凝土試塊以及不同凍融次數混凝土試塊的核磁共振試驗發現，混凝土經過極低溫凍融后，混凝土內小孔數量降低而孔徑增大，大孔的數量與孔徑均增大。

核磁共振試驗得到的混凝土孔隙數量以及孔徑大小的變化規律從微觀角度揭示了不同凍融次數的混凝土試塊的超聲波變化規律與混凝土單軸抗壓強度變化規律，極低溫凍融使得混凝土內小孔連通形成更大孔徑的大孔隙，降低了混凝土彈性模量，使得超聲波在混凝土內的傳播速度降低；此外，在單軸抗壓強度試驗中，當外部應力施加在混凝土試塊上時，混凝土內的大孔更容易在混凝土的薄弱面連通，形成貫穿裂隙，造成混凝土試塊強度的降低。