廖 娟，張 濤，吳樹勤，李小座，戟文占，張 楠，王冬雁，王寶華，張東華

(1.中國(guó)建筑股份有限公司 技術(shù)中心,北京 101300；2.中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100054)

超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置的開發(fā)及應(yīng)用前景

廖 娟1，張 濤1，吳樹勤2，李小座2，戟文占1，張 楠1，王冬雁1，王寶華1，張東華1

(1.中國(guó)建筑股份有限公司 技術(shù)中心,北京 101300；2.中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100054)

結(jié)合200 t萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)，按試驗(yàn)裝置主要功能需求和使用方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開發(fā)一套超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，該裝置完全具備在室溫至-196℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)對(duì)混凝土抗壓性能和鋼筋拉伸性能進(jìn)行一體化準(zhǔn)確測(cè)試能力，能夠滿足在低溫環(huán)境開展材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究工作及低溫工程技術(shù)服務(wù)的需要，具有很好的應(yīng)用前景。

超低溫；試驗(yàn)裝置；混凝土；鋼筋

混凝土、鋼筋作為人類使用最大宗的人造建筑結(jié)構(gòu)材料，因其優(yōu)異的力學(xué)性能與耐久性以及低廉的造價(jià)，在東北、西藏等寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)建造房屋、鐵路等工程設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用，并逐步向大型化、超高層、極端特種環(huán)境應(yīng)用方向發(fā)展。如應(yīng)用于液化天然氣貯罐超低溫結(jié)構(gòu)及冷藏倉(cāng)庫(kù)等極端服役環(huán)境下的低溫結(jié)構(gòu)中。

混凝土、鋼筋等在超低溫下所呈現(xiàn)的力學(xué)、耐久等性能與其在常溫及低溫下有很大差異，而國(guó)內(nèi)在超低溫領(lǐng)域缺乏必要的測(cè)試設(shè)備和研究手段，超低溫對(duì)材料性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理目前尚不清楚，以致超低溫工程材料的研究及工程應(yīng)用技術(shù)停滯不前。

以天然氣(liquefied natural gas，LNG)混凝土低溫儲(chǔ)罐為例，目前，項(xiàng)目施工關(guān)鍵技術(shù)大都來(lái)自于國(guó)外，如法國(guó)的罐體預(yù)應(yīng)力技術(shù)、比利時(shí)的外罐墻體多卡模板技術(shù)體系和盧森堡的低溫鋼筋等。與LNG低溫儲(chǔ)罐緊密相關(guān)的超低溫環(huán)境下混凝土、鋼筋的力學(xué)行為及特性試驗(yàn)研究不多[1-10]，國(guó)外也只有英美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家按照相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求[11-15]，參考一些文獻(xiàn)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)并做過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，并沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)試規(guī)范。國(guó)內(nèi)研究較多的是低溫環(huán)境(-20 ℃～-50 ℃)下混凝土、鋼筋等工程材料的性能，對(duì)于環(huán)境溫度達(dá)到超低溫狀態(tài)(-165 ℃)以下的LNG混凝土儲(chǔ)罐，由于缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備，大多只能參考國(guó)外文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，并得出相關(guān)結(jié)論，缺乏必要的驗(yàn)證手段,工程關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用存在一定瓶頸，受制于國(guó)外。這就間接導(dǎo)致了我國(guó)土木工程行業(yè)的產(chǎn)品在超低溫領(lǐng)域最尖端技術(shù)上的缺失，中國(guó)土建企業(yè)與國(guó)外企業(yè)技術(shù)實(shí)力差距懸殊，缺乏同世界級(jí)大企業(yè)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的能力，大大削弱了我國(guó)土建企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。因此，有必要開發(fā)與超低溫材料研究密切相關(guān)的測(cè)試裝置及試驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超低溫力學(xué)性能測(cè)試，從技術(shù)源頭上解決超低溫工程應(yīng)用效應(yīng)的關(guān)鍵難題，為國(guó)內(nèi)其他建筑材料在超低溫環(huán)境下的性能研究及工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置開發(fā)

結(jié)合低溫工程多以測(cè)試混凝土、鋼筋等力值較大的材料為主的實(shí)際需求，同時(shí)又兼顧其他建筑材料測(cè)試范圍大、精度高的特點(diǎn)，采用200 t萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)作為主機(jī)設(shè)備開發(fā)配套超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置。既充分利用原有設(shè)備資源，又能拓展該設(shè)備相關(guān)功能。200 t萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)具有運(yùn)行行程較大的特點(diǎn)，通過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)的試驗(yàn)夾具連接萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)和超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)共同工作，使材料在一個(gè)恒定的超低溫環(huán)境下能進(jìn)行比較準(zhǔn)確的力學(xué)性能測(cè)試。當(dāng)需要測(cè)試超低溫混凝土抗壓強(qiáng)度或鋼筋拉伸強(qiáng)度時(shí)，則將超低溫環(huán)境模擬試驗(yàn)箱放置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮平臺(tái)上，分別通過(guò)設(shè)計(jì)專用的混凝土抗壓試驗(yàn)夾具或鋼筋拉伸實(shí)驗(yàn)夾具實(shí)現(xiàn)超低溫環(huán)境箱箱體、試件與試驗(yàn)機(jī)的整體連接。

1.1 超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置集成國(guó)內(nèi)現(xiàn)有成熟低溫控制技術(shù)，在功能設(shè)計(jì)及夾具設(shè)計(jì)有所創(chuàng)新的基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的。該試驗(yàn)裝置能將試樣冷卻到設(shè)定溫度并具有保溫能力,能保證試驗(yàn)溫度的穩(wěn)定性和均勻性。同時(shí)， 既要能測(cè)試?yán)煸嚰忠軠y(cè)試壓縮試件。圍繞上述功能需求設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)能進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試的環(huán)境試驗(yàn)空間，且試驗(yàn)環(huán)境溫度可控恒定。環(huán)境試驗(yàn)空間通過(guò)超低溫環(huán)境箱的構(gòu)造設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，箱體內(nèi)環(huán)境溫度能在一定時(shí)間內(nèi)保持恒定；力學(xué)控制及溫度控制則通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力學(xué)控制系統(tǒng)和試驗(yàn)裝置溫度控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程在一個(gè)相對(duì)密閉的試驗(yàn)箱體內(nèi)進(jìn)行，從而確定由超低溫環(huán)境箱、配套的拉伸及壓縮力學(xué)試驗(yàn)夾具、冷媒輸送系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等構(gòu)成該裝置測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖

各組成單元工作原理各不相同，選擇最優(yōu)配置及經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案，對(duì)各組成單元已有的成熟技術(shù)進(jìn)行集成并在此基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，使各組成單元功能相互配合，共同來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。

超低溫環(huán)境箱作為力學(xué)試驗(yàn)裝置的一個(gè)重要組成單元，由箱體、箱蓋及密封材料系統(tǒng)構(gòu)成，其主要功能是為力學(xué)試驗(yàn)提供所需的具有恒定環(huán)境溫度的試驗(yàn)操作空間。它一方面通過(guò)專用力學(xué)試驗(yàn)夾具連接萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能測(cè)試；另一方面通過(guò)冷媒輸送系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程所需的超低溫測(cè)試環(huán)境。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)夾具和試件均安置于環(huán)境箱體內(nèi)，箱體環(huán)境溫度可在常溫至-196 ℃之間任意調(diào)節(jié)并且保持設(shè)定溫度恒定。

冷媒輸送系統(tǒng)是力學(xué)試驗(yàn)裝置的核心,包括液氮儲(chǔ)罐、真空絕熱液氮管路、低溫電磁閥、氮?dú)庋h(huán)流道及液氮浸泡等單元。利用儲(chǔ)氣罐內(nèi)少量液氮?dú)饣a(chǎn)生自增壓原理，實(shí)現(xiàn)液氮從儲(chǔ)氣罐到超低溫環(huán)境箱的傳輸，是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。打開增壓閥時(shí)，產(chǎn)生自增壓加到液氮上部，使容器能排放液氮或低溫氮?dú)狻ｊP(guān)閉液氮增壓閥門后，過(guò)高的壓力通過(guò)增壓安全閥泄掉，從而保證使用的安全。

環(huán)境溫度控制系統(tǒng)由溫度傳感器及溫度控制器組成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)箱環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控記錄的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制。降溫時(shí)間、設(shè)定溫度、恒溫時(shí)間、控溫結(jié)束等組成溫度控制參數(shù)，在控制器相關(guān)檢測(cè)軟件界面進(jìn)行設(shè)定，采用PID算法自動(dòng)控制溫度，確保箱體內(nèi)的溫度均勻性在±2 ℃以內(nèi)。當(dāng)溫度傳感器采集的環(huán)境溫度值偏離設(shè)定溫度值時(shí)，PID控制根據(jù)測(cè)量溫度值與設(shè)定溫度值的偏差進(jìn)行比例(P)、積分(I)、微分(D)運(yùn)算，輸出控制信號(hào)給電磁閥，控制液氮進(jìn)入箱體的流量，促使環(huán)境溫度值能在要求時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度值；液氮在箱體設(shè)定的流道運(yùn)行，均勻分散，對(duì)箱體內(nèi)放置的試件進(jìn)行冷卻，形成熱交換，最后排出箱體外，后續(xù)不斷補(bǔ)充交換的冷媒源起降溫和保溫的作用，達(dá)到自動(dòng)控制的目的，如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)工作原理圖

1.2 超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置測(cè)試能力

通過(guò)與200 t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)配合工作，啟動(dòng)超低溫環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)裝置，在試驗(yàn)裝置溫度控制器自帶軟件上分別設(shè)定-40 ℃、-165 ℃、-195 ℃等不同溫度控制參數(shù)，采用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試方法，檢驗(yàn)試驗(yàn)裝置實(shí)際控制環(huán)境溫度效果，其中標(biāo)準(zhǔn)溫度為鉑金標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)所測(cè)值，顯示溫度為試驗(yàn)裝置測(cè)試軟件的顯示溫度值，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)裝置環(huán)境溫度測(cè)試結(jié)果

2 工程應(yīng)用前景

超低溫環(huán)境力學(xué)測(cè)試裝置的成功開發(fā)在很大程度上解決了由于無(wú)法對(duì)材料進(jìn)行超低溫性能測(cè)試所帶來(lái)的建造方自檢、建設(shè)方驗(yàn)收和安全運(yùn)營(yíng)等重大問(wèn)題，不但完善了國(guó)內(nèi)土木工程低溫測(cè)試技術(shù)，為我國(guó)低溫測(cè)試技術(shù)在土木工程等產(chǎn)業(yè)的后期長(zhǎng)效應(yīng)用創(chuàng)造了科研試驗(yàn)條件，而且實(shí)現(xiàn)了超低溫土木工程測(cè)試領(lǐng)域的重大突破，直接為投資方、設(shè)計(jì)方和建造方解決了超低溫材料性能測(cè)試與驗(yàn)收等現(xiàn)實(shí)難題，推進(jìn)了低溫關(guān)鍵材料的研發(fā)及核心技術(shù)的國(guó)有化進(jìn)程。

超低溫環(huán)境力學(xué)測(cè)試裝置不僅可用于測(cè)定混凝土、鋼筋的低溫力學(xué)性能，還可用于其他材料的低溫力學(xué)性能的專業(yè)檢測(cè)服務(wù)，采用該項(xiàng)測(cè)試手段，對(duì)超低溫環(huán)境下的相關(guān)土木工程材料性能進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究，可為我國(guó)政府職能部門決策提供專業(yè)的低溫工程技術(shù)咨詢和服務(wù)，也為我國(guó)盡早頒布專門的大型低溫LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造規(guī)范創(chuàng)造最基本的研究條件。

[1]蔣正武, 李雄英.超低溫下砂漿力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010, 38(4): 602-607.

[2]葉建雄, 陳越, 張靖，等. 水泥基材料超低溫凍融循環(huán)試驗(yàn)研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2010, 32(5): 125-129.

[3] 謝劍, 王傳星, 李會(huì)杰. 超低溫混凝土降溫回溫曲線的試驗(yàn)研究[J]. 低溫建筑技術(shù), 2010(3):1-3.

[4] 李長(zhǎng)龍, 陳言俊, 梁如國(guó)，等. Q345鋼在低溫下的力學(xué)性能研究[J]. 山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2003,18(1): 82-84.

[5] Czarkowski P, Krawczynska A T, Slesinski R，et al.Low temperature mechanical properties of 316L type stainless steel after hydrostatic extrusion [J]. Fusion Engineering and Design, 2011, 86(9): 2517-2521.

[6] 王元清, 王曉哲, 武延民. 結(jié)構(gòu)鋼材低溫下主要力學(xué)性能指標(biāo)的試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)建筑, 2001(12): 63-72.

[8] 王傳星.超低溫環(huán)境下混凝土性能的試驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[9] Dale Berner, Ben C Gerwick Jr,Milos Polivka. Static and cyclic behavior of structural lightweight concrete at cryogenic temperatures[J]. Temperature Effects on Concrete (STP858),1985: 21-37.

[10] Christen R, Bergamini A，Ghazi Wakili K.Full-scale, low-temperature techanical testing of prestressing systems[J]. Society for Experimental Mechanics, 2005,45(1):96-100.

[11] 奚望，王元清，石永久．鋼軌鋼材低溫力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(8)：25-29.

[12]BS 8110-1: 1997 Structural use of concrete - Code of practice for design and Construction[S].

[13]BS EN 14620:2006 Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical,flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0℃ and -165℃[S].

[14]ACI 318M-05 Building code requirement for structural concrete[S].

[15]NFPA 59A-2006 Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas (LNG)[S].

Development and Application of a New Device for Testing Mechanical Properties of Building Materials at Cryogenic Temperature

LIAO Juan1, ZHANG Tao1, WU Shuqing2, LI Xiaozhuo2, JI Wenzhan1, ZHANG Nan1, WANG Dongyan1, WANG Baohua1, ZHANG Donghua1

(1. Technical Center, China State Construction Engrg.Corp.LTD. Beijing 101300, China;2. China Construction Second Engineering Bureau, LTD, Beijing 100054, China)

In combination with the characteristics of 200 tons hydraulic universal testing machine, we develop a set of device for testing mechanical properties of building materials at cryogenic temperature. The test results show that the device have the function of testing the compressive property of concrete and tensile property of steel bar from room temperature to -196℃ accurately. The device has a good prospect of application which can meet to carry out mechanical testing research work at low temperatures and Technical Services of Cryogenic Engineering.

ultralow temperature;testing apparatus;concrent;steel bar

2013-09-11

廖 娟(1973-)，女，高級(jí)工程師，研究方向：水泥基材料及外加劑應(yīng)用技術(shù)、材料測(cè)試技術(shù)。

TU244.5

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.007