上海液化天然氣有限責任公司 王 春 金 罕 施玉平

1 引言

隨著經濟的快速發(fā)展，人們對環(huán)境保護提出了更高要求，天然氣因其清潔高效的特點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）儲罐從2018年開始迎來又一個建設高峰期，超大型薄膜 LNG儲罐和全混凝土 LNG儲罐建設中對混凝土的低溫性能提出了更高的要求。大型 LNG儲罐外壁全部采用預應力混凝土結構，當 LNG發(fā)生泄漏時，外罐將遭受低溫所產生的溫度荷載，因此需對 LNG儲罐外罐所使用的混凝土進行超低溫環(huán)境下的力學性能檢測，以確保 LNG儲罐在泄漏等意外事故發(fā)生時的安全性。

本試驗研究以上海 LNG項目儲罐擴建工程為背景，參考 GB 51081—2015《低溫環(huán)境混凝土應用技術規(guī)范》，對48個混凝土立方體試塊和48個棱柱體試件進行低溫下的混凝土性能測試。根據魏強等人《超低溫凍融循環(huán)對混凝土材料性能的影響》（2013年第s1期《工程力學》）、時旭東等人《低溫-常溫循環(huán)作用下混凝土力學性能試驗研究》（2012年第7期《混凝土與水泥制品》）所述，混凝土在經歷低溫凍融循環(huán)后力學性能將大幅降低。為保證混凝土在低溫下的適用性，選用 23個混凝土立方體試塊進行抗凍性能測試，試驗參考 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。本試驗均在天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室完成。

2 試驗研究

2.1 試驗材料

混凝土原材料除常用的普通硅酸鹽水泥、粗細骨料以及拌合水以外，另摻入礦粉和粉煤灰等活性細粉填料增加混凝土密實度，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。試驗所用混凝土配合比見表1。

表1 試驗用混凝土配合比kg/m3

2.2 試驗方法

試驗主要包括低溫混凝土性能測試和低溫混凝土凍融循環(huán)試驗兩個部分。除熱膨脹系數測試采用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。含水率測試溫度點為常溫和－190 ℃，其余均設定－40 ℃、－80 ℃、－120 ℃和－190 ℃四個溫度點。試件持溫過程中的溫度波動范圍不超過0.5 ℃。

低溫混凝土性能測試包含含水率測試、強度測試和熱膨脹系數試驗。根據規(guī)范要求，采用 24個試件進行含水率測試，每組設平行試件6個，每個溫度點各2組試件；試件置于超低溫預冷箱內利用液氮進行降溫并持溫48 h；持溫過程結束后，將試件移至恒溫干燥箱內升溫至150 ℃并恒溫15 d；試件烘干結束后進行稱重，與降溫前的質量進行對比計算其含水率?；炷翉姸葴y試平行試件數量與進行含水率測試試件數量相同；試件持溫結束后將其移至超低溫加載箱中，利用200 t液壓伺服壓力機加載進行強度測試，加載速率為0.5～0.8 MPa/s。為減小試驗誤差，熱膨脹系數試驗溫度為目標溫度上下浮動 10 ℃的溫度點（－190 ℃組為 5 ℃），每個溫度點6個平行試件，共48個。試驗前按圖1所示在試件兩端面各標識3個量測點，通過測定低溫作用前后對應量測點間的長度變化計算其熱膨脹系數。

采用慢凍法進行凍融循環(huán)試驗，未凍融循環(huán)平行試塊為3個，凍融循環(huán)組的平行試塊為5個，共46個。進行凍融循環(huán)試驗的試塊泡水4 d后移至超低溫冰箱及超低溫預冷箱內進行降溫，持溫結束后再次泡水。試塊每完成一次降溫和泡水過程視為一次凍融循環(huán)，本試驗共進行 10次凍融循環(huán)，根據凍融前后試塊抗壓強度和抗拉強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試驗棱柱體量測點

3 試驗結果與討論

3.1 低溫條件下混凝土力學性能

經歷低溫作用以及高溫烘干后，混凝土試塊表面未出現明顯變化，混凝土含水率測試結果見表2?？梢悦黠@看出，低溫作用對混凝土含水率的影響極小，且各組含水率之間差別較小，可為抗壓強度的評判做出指導。

表2 混凝土含水率測試結果

如圖2所示，低溫條件下混凝土抗壓強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，所有試塊的抗壓強度平均值以及最小值均遠遠超出理論計算值。按照此配比所制作的混凝土在低溫下強度安全儲備足夠，可以較好的運用于LNG儲罐中。

圖2 低溫條件下混凝土抗壓強度變化

熱膨脹系數指混凝土在單位溫度變化時所產生的長度量值的變化，衡量了混凝土受溫度作用而產生漲縮的程度。低溫條件下混凝土試件的熱膨脹系數見圖3。在低溫作用下，混凝土熱膨脹系數逐漸減小，且溫度越低，熱膨脹系數降低幅度越大。在考慮含水率的影響后，混凝土熱膨脹系數試驗值遠遠小于理論值，也同樣證明該混凝土配合比在LNG儲罐的建設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

3.2 低溫條件下混凝土凍融循環(huán)試驗

在經歷低溫凍融循環(huán)作用后，混凝土表面會出現孔洞貫通、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度和抗拉強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，經歷 10次循環(huán)后，混凝土試塊抗壓強度分別降低0.4%、1.6%、3.7%和6.5%，抗拉強度分別降低2.3%、3.4%、8.9%和14.7%?；炷量估瓘姸葥p失高于抗壓強度，這主要是由于混凝土抗拉強度對凍融過程中由溫度變化和孔隙水凍脹所導致的應力更為敏感。降低后混凝土的殘余抗壓強度仍高于其強度理論計算值，可以繼續(xù)使用。

圖4 凍融循環(huán)后混凝土強度變化

4 結語

通過對低溫條件下混凝土力學性能試驗結果的討論，對LNG儲罐建設提出以下幾點建議：

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

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

(3)混凝土熱膨脹系數隨著溫度的降低而減小，含水率對熱膨脹系數影響較大，設計時應考慮含水率的影響。

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

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

(6)全混凝土 LNG儲罐和薄膜罐的推廣和應用，需要對混凝土的低溫性能做進一步研究，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)次數和抗拉強度降低等。