時(shí)旭東 韓大全 李亞強(qiáng)

(清華大學(xué)土木工程系,北京 100084)

隨人們環(huán)保意識(shí)的提高，天然氣作為高效清潔的化石能源，已形成了極大的市場(chǎng)需求[1]。天然氣通常采用常壓液化的方式存儲(chǔ)和運(yùn)輸。液化天然氣(LNG)溫度達(dá)-165 ℃，屬于超低溫的范疇。已有的研究表明[2-3]，混凝土因低溫下性能優(yōu)異成為建造LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的理想材料。故獲取混凝土超低溫性能尤為重要。

LNG儲(chǔ)罐類(lèi)混凝土結(jié)構(gòu)均采用預(yù)應(yīng)力混凝土以保證其密閉性，施加于混凝土的有效預(yù)壓應(yīng)力與其變形性能密切相關(guān)。因此，有必要獲取具有初始預(yù)壓應(yīng)力混凝土在超低溫下變形性能的變化規(guī)律。目前，關(guān)于混凝土超低溫變形性能的研究主要考察含水率、降溫回溫作用工況以及溫度場(chǎng)等因素的影響[4-5]。曹大富等通過(guò)采用碟簧耗能裝置試驗(yàn)，得到混凝土遭受快速凍融循環(huán)作用的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并給出凍融循環(huán)作用次數(shù)和混凝土強(qiáng)度等級(jí)耦合影響下的峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變計(jì)算式[6]；Rostasy等通過(guò)試驗(yàn)給出常溫降至-170 ℃再回溫過(guò)程中混凝土的熱變形曲線[7]。也有學(xué)者從構(gòu)件層面對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土超低溫性能進(jìn)行了研究[8-9]。謝劍等通過(guò)試驗(yàn)，探討了有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁超低溫下的抗彎承載能力、塑性變形性能以及裂縫分布等[10]?？傊嘘P(guān)應(yīng)力水平對(duì)混凝土超低溫變形性能影響的研究尚處于起步階段，所獲得的結(jié)果多基于宏觀或定性層面。因此，本研究將通過(guò)試驗(yàn)探討混凝土超低溫下受壓變形性能受應(yīng)力水平影響的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

根據(jù)已有的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際工程情況，試件混凝土選取的強(qiáng)度等級(jí)為C50，通過(guò)分別經(jīng)歷-40，-80，-120，-160 ℃超低溫作用試驗(yàn)以考察施加的初始預(yù)壓應(yīng)力水平(0.2、0.4及0.6，即混凝土試件軸向預(yù)壓應(yīng)力與其軸心受壓強(qiáng)度的比值)對(duì)混凝土受壓變形性能的影響。

試驗(yàn)共制作12個(gè)試件，采用長(zhǎng)1 700 mm的棱柱體，截面尺寸為150 mm×150 mm，且截面中心預(yù)留直徑75 mm的圓孔用以穿入預(yù)應(yīng)力筋。為避免試驗(yàn)過(guò)程中除施加的初始預(yù)壓應(yīng)力水平和作用的超低溫以外其他因素的影響，試件混凝土的配合比、組分及其制作方式等均相同。試件混凝土的配合比見(jiàn)表1。其中，水泥選用P·O 42.5水泥，粗細(xì)骨料分別為碎石和河沙，添加劑為礦渣粉，外加劑為聚羧酸減水劑；試件預(yù)應(yīng)力筋則采用專(zhuān)門(mén)制作的高強(qiáng)鋼棒以便于對(duì)試件混凝土施加初始預(yù)壓應(yīng)力水平。

表1 試件混凝土配合比Table 1 Proportions of concrete mix for specimens kg

表2為試驗(yàn)內(nèi)容及其試件編號(hào)。試件編號(hào)采用PCD-L-T形式。其PCD、L和T分別表示應(yīng)力水平對(duì)混凝土超低溫下受壓變形性能影響試驗(yàn)、試件混凝土施加的初始預(yù)壓應(yīng)力水平及作用的超低溫。例如，編號(hào)為PCD-0.4-120表示對(duì)混凝土試件施加的初始預(yù)壓應(yīng)力水平為0.4、作用的超低溫為-120 ℃。

表2 試驗(yàn)內(nèi)容及其試件編號(hào)Table 2 Experiment contents and specimen numbers

應(yīng)力水平對(duì)混凝土超低溫下受壓變形性能影響試驗(yàn)的流程見(jiàn)圖1。所有試件均經(jīng)歷混凝土施加初始預(yù)壓應(yīng)力、作用給定的超低溫及量測(cè)和數(shù)據(jù)采集3個(gè)過(guò)程。其中，施加的初始預(yù)壓應(yīng)力采用專(zhuān)門(mén)制作的預(yù)應(yīng)力施加平臺(tái)實(shí)現(xiàn)；作用的低溫通過(guò)具有制冷劑儲(chǔ)存、輸送、程控等功能的預(yù)應(yīng)力低溫試驗(yàn)爐及其配套設(shè)備實(shí)現(xiàn)；最后由與預(yù)應(yīng)力低溫試驗(yàn)爐相配套的量測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試件變形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和記錄。本次試驗(yàn)施加的初始預(yù)壓應(yīng)力水平σ0為0.2、0.4及0.6，所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)預(yù)壓應(yīng)力值分別為10.0，20.0，30.0 MPa，實(shí)際對(duì)試件施加的初始預(yù)壓應(yīng)力分別為10.8，21.1，28.1 MPa，相應(yīng)的初始預(yù)壓應(yīng)力水平分別為0.22、0.42及0.56。由于混凝土的熱惰性，為避免降溫速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)合已有的研究[11]，所有試件均采用1 ℃/min的速率進(jìn)行降溫，并在降溫達(dá)目標(biāo)超低溫時(shí)恒溫一段時(shí)間以確保混凝土試件截面溫度分布均勻。具體的恒溫時(shí)間根據(jù)已有的混凝土低溫溫度場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及試件軸向變形量測(cè)結(jié)果穩(wěn)定情況確定。

圖1 應(yīng)力水平對(duì)混凝土超低溫下受壓變形性能影響試驗(yàn)的流程Fig.1 The flow chart of experiments influence of stress levels on compressive deformation performances of concrete exposed to ultralow temperatures

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

為便于對(duì)比分析，這里將降溫達(dá)目標(biāo)超低溫時(shí)稱(chēng)之為降溫點(diǎn)。此時(shí)試件截面各處的溫度因混凝土熱惰性而不同，將呈內(nèi)高外低的不均勻分布狀；達(dá)降溫點(diǎn)再恒溫一段時(shí)間使試件截面溫度分布均勻、且達(dá)目標(biāo)超低溫時(shí)稱(chēng)之為溫均點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)選取的作用溫度，按常溫至-40 ℃、常溫至-80 ℃、常溫至-120 ℃及常溫至-160 ℃等4個(gè)降溫區(qū)間以及每個(gè)降溫區(qū)間分為降溫段和恒溫段的方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，然后據(jù)此探討應(yīng)力水平對(duì)混凝土超低溫下受壓變形性能的影響。

2.1 各降溫區(qū)間不同應(yīng)力水平試件的混凝土軸向受壓變形變化特征及其對(duì)比

圖2是試驗(yàn)獲得的常溫至-40 ℃降溫區(qū)間不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形情況?？煽闯觯弘S作用的低溫降低，各初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件的混凝土軸向受壓變形均呈波動(dòng)地增大趨勢(shì)，但不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件間的變化程度有所不同。

降溫點(diǎn)； 溫均點(diǎn)；PCD-0.2-40;----PCD-0.4-40;……PCD-0.6-40。圖2 常溫至-40℃降溫區(qū)間各初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形變化情況Fig.2 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels for temperature ranges from the room temperature to -40℃

降溫段初期，初始預(yù)壓應(yīng)力水平σ0較低試件PCD-0.2-40的軸向受壓變形大于σ0較高的試件PCD-0.4-40和PCD-0.6-40；但降溫段后期，試件PCD-0.6-40的軸向受壓變形開(kāi)始顯著增大，并與試件PCD-0.2-40相近；對(duì)于整個(gè)恒溫段，試件PCD-0.2-40和PCD-0.6-40的軸向受壓變形仍基本相同，且始終顯著高于試件PCD-0.4-40。

圖3是試驗(yàn)獲得的常溫至-80 ℃降溫區(qū)間不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形變況。可看出，常溫至-80 ℃降溫區(qū)間各初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件的混凝土軸向受壓變形變化趨勢(shì)與常溫至-40 ℃降溫區(qū)間相似。無(wú)論是降溫期間還是恒溫期間，試件PCD-0.2-80的軸向受壓變形始終大于試件PCD-0.4-80和PCD-0.6-80。

降溫點(diǎn)； 溫均點(diǎn)；PCD-0.2-80;----PCD-0.4-80;……PCD-0.6-80。圖3 常溫至-80℃降溫區(qū)間各初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形變化情況Fig.3 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels for temperature ranges from the room temperature to -80℃

雖然在降溫段初期，同降溫區(qū)間常溫至-40 ℃試件PCD-0.4-80和PCD-0.6-80的混凝土軸向受壓變形相近、且小于試件PCD-0.2-80。但降溫約30 min后，試件PCD-0.6-80的軸向受壓變形開(kāi)始顯著增大，并此后始終與試件PCD-0.2-80相近，而試件PCD-0.4-80的軸向受壓變形始終小于他們。這種變化特性一直延續(xù)至-80 ℃降溫點(diǎn)；達(dá)-80 ℃的恒溫期間，這3種初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件的混凝土軸向受壓變形又趨于相近。

圖4是試驗(yàn)獲得的常溫至-120 ℃降溫區(qū)間不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形情況。可見(jiàn)：隨作用的低溫降低，各初始預(yù)壓應(yīng)力水平σ0試件的軸向受壓變形均呈波動(dòng)地增大趨勢(shì)。其中，試件PCD-0.2-120和PCD-0.6-120的軸向受壓變形始終保持較為緊密的變化趨勢(shì)，且兩者間差值基本上均較??；而試件PCD-0.4-120的軸向受壓變形除開(kāi)始降溫和降溫時(shí)間100～130 min時(shí)與試件PCD-0.2-120相近外，在其他降溫時(shí)間和恒溫階段基本上均較小，并隨恒溫時(shí)間增加呈明顯的趨緩態(tài)勢(shì)，致使其軸向受壓變形恒溫結(jié)束時(shí)顯著小于試件PCD-0.2-120和PCD-0.6-120。

降溫點(diǎn)； 溫均點(diǎn)；PCD-0.2-120;----PCD-0.4-120;……PCD-0.6-120。圖4 常溫至-120℃降溫區(qū)間各初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形變化情況Fig.4 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels for temperature ranges from the room temperature to -120℃

圖5是試驗(yàn)獲得的常溫至-160 ℃降溫區(qū)間不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形情況?？梢?jiàn)：隨作用低溫的降低，各初始預(yù)壓應(yīng)力水平σ0試件的軸向受壓變形仍然均呈波動(dòng)地增大趨勢(shì)。其中，試件PCD-0.2-160和PCD-0.6-160的軸向受壓變形在降溫階段基本上保持較為一致的變化趨勢(shì)，且兩者間差值始終較??；-160 ℃恒溫開(kāi)始后，試件PCD-0.2-160和PCD-0.6-160的軸向受壓變形仍保持這種變化態(tài)勢(shì)，僅恒溫后期相互間出現(xiàn)了差異。此時(shí)試件PCD-0.6-160的軸向受壓變形開(kāi)始大于試件PCD-0.2-160。

降溫點(diǎn)； 溫均點(diǎn)；PCD-0.2-160;----PCD-0.4-160;……PCD-0.6-160。圖5 常溫至-160℃降溫區(qū)間各初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形變化情況Fig.5 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels for temperature ranges from the room temperature to -160℃

試件PCD-0.4-160的軸向受壓變形降溫時(shí)間130 min即降至-120 ℃前基本上同前各相應(yīng)的降溫區(qū)間；降溫至-120 ℃后試件PCD-0.4-160的軸向受壓變形仍延續(xù)之前的變化趨勢(shì)，但隨降溫時(shí)間增加更加平緩。-160 ℃開(kāi)始恒溫時(shí)仍保持這種緩慢地增加趨勢(shì)；至恒溫時(shí)間180 min后才開(kāi)始隨恒溫時(shí)間增加呈逐漸加大態(tài)勢(shì)。但此時(shí)仍比試件PCD-0.2-160和PCD-0.6-160的小很多。

對(duì)比圖2～5不同降溫區(qū)間各初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件的軸向受壓變形變化情況，可見(jiàn)，不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件的軸向受壓變形隨作用低溫的降低總體上呈不斷地增大趨勢(shì)，但其變化幅度與初始預(yù)壓應(yīng)力水平σ0相關(guān)。較低和較高的初始預(yù)應(yīng)力水平(σ0=0.2及σ0=0.6)試件的軸向受壓變形在各降溫區(qū)間相差不大，且均大于中等的初始預(yù)應(yīng)力水平(σ0=0.4)試件。這說(shuō)明初始應(yīng)力水平對(duì)超低溫下混凝土受壓變形性能有明顯的影響，且在σ0=0.4附近有極小值。

2.2 不同降溫點(diǎn)和溫均點(diǎn)時(shí)試件的混凝土軸向受壓變形變化特性及其對(duì)比

鑒于各初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件的軸向受壓變形隨作用低溫的降低變化規(guī)律較復(fù)雜，這里選取降溫點(diǎn)和溫均點(diǎn)2個(gè)關(guān)鍵位置處試件的軸向受壓變形，然后據(jù)此探討應(yīng)力水平對(duì)混凝土超低溫下變形性能的影響。4種超低溫作用工況下(-40，-80，-120，-160 ℃)降溫點(diǎn)和溫均點(diǎn)時(shí)試件的軸向受壓變形結(jié)果整理見(jiàn)表3。

表3 不同降溫點(diǎn)和溫均點(diǎn)時(shí)試件的軸向受壓變形值Table 3 Axial compressive deformation values of specimens at different cooling target points and temperature uniformity target points

圖6為不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下試件在降溫點(diǎn)時(shí)的軸向受壓變形變化情況及對(duì)比?？梢?jiàn)，無(wú)論降溫點(diǎn)超低溫高低，較低初始預(yù)應(yīng)力水平(σ0=0.2)試件的軸向受壓變形總是最大；而較高初始預(yù)應(yīng)力水平(σ0=0.6)試件的軸向受壓變形卻不是最小。其值雖比初始預(yù)應(yīng)力水平較低的試件小，但兩者相差較小、且變化趨勢(shì)也相近。處于中等初始預(yù)應(yīng)力水平(σ0=0.4)的試件的軸向受壓變形總是最小，且降溫點(diǎn)超低溫較高和較低時(shí)與較低和較高初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件的軸向受壓變形間相差較大。

— σ0=0.2；— σ0=0.4；— σ0=0.6;----擬合曲線。圖6 不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下降溫點(diǎn)時(shí)試件的軸向受壓變形變化情況Fig.6 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels at cooling target points

(1)

圖7為不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下溫均點(diǎn)試件的軸向受壓變形變化情況及對(duì)比。可看出，隨作用的低溫降低，各初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件的軸向受壓變形均不斷地增大，但其增幅有所不同。當(dāng)作用的低溫較高(不低于-80 ℃)時(shí)，各初始預(yù)壓應(yīng)力水平試件的軸向受壓變形相差不大；當(dāng)作用的低溫較低(低于-80 ℃)時(shí)，較低和較高初始預(yù)壓應(yīng)力水平(σ0=0.2，0.6)試件的軸向受壓變形相差不大，但均大于中等初始預(yù)壓應(yīng)力水平(σ0=0.4)試件，且隨作用的低溫降低，其差值越來(lái)越大。

— σ0=0.2；— σ0=0.4；— σ0=0.6;---- 擬合曲線。圖7 不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下溫均點(diǎn)時(shí)試件的軸向受壓變形變化情況Fig.7 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels at temperature uniformity target points

(2)

可見(jiàn)，在各降溫區(qū)間的降溫點(diǎn)及溫均點(diǎn)，較低和較高初始預(yù)壓應(yīng)力水平(σ0=0.2，0.6)試件的軸向受壓變形基本上均大于中等初始預(yù)壓應(yīng)力水平(σ0=0.4)試件，特別是當(dāng)作用的低溫較低(低于-80 ℃)時(shí)，這一規(guī)律更加明顯。故實(shí)際工程中應(yīng)注意預(yù)應(yīng)力混凝土變形性能受應(yīng)力水平影響的這一特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展應(yīng)力水平對(duì)混凝土超低溫下受壓變形性能影響的試驗(yàn)，可得如下主要結(jié)論：

1)不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平混凝土的軸向受壓變形在各降溫區(qū)間的變化趨勢(shì)相似。其軸向受壓變形隨作用低溫的降低基本上均呈不斷地增大趨勢(shì)，但其變化速率有所不同；較低和較高初始預(yù)壓應(yīng)力水平(σ0=0.2，0.6)的混凝土的軸向受壓變形始終大于中等初始預(yù)壓應(yīng)力水平(σ0=0.4)混凝土。

2)不同初始預(yù)壓應(yīng)力水平下混凝土的軸向受壓變形隨降溫點(diǎn)和溫均點(diǎn)溫度降低均呈增大趨勢(shì)，但其變化速率有所不同。隨降溫點(diǎn)溫度降低，較低和較高初始預(yù)壓應(yīng)力水平下混凝土的軸向受壓變形變化速率先慢后快，中等初始預(yù)壓應(yīng)力水平下混凝土則相反；隨溫均點(diǎn)溫度降低，較低初始預(yù)壓下應(yīng)力水平下混凝土的軸向受壓變形基本上呈線性增加趨勢(shì)，較高和中等初始預(yù)壓應(yīng)力水平下混凝土的軸向受壓變形變化趨勢(shì)則與降溫點(diǎn)時(shí)相似。

3)較低和較高初始預(yù)壓應(yīng)力水平下混凝土的軸向受壓變形在各降溫區(qū)間的降溫點(diǎn)和溫均點(diǎn)基本上均大于中等初始預(yù)壓應(yīng)力水平混凝土。在LNG儲(chǔ)罐類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮混凝土變形性能受應(yīng)力水平影響的這種變化特性。