应力水平对混凝土超低温下受压变形性能影响的试验研究*

时旭东 韩大全 李亚强

(清华大学土木工程系,北京 100084)

随人们环保意识的提高，天然气作为高效清洁的化石能源，已形成了极大的市场需求[1]。天然气通常采用常压液化的方式存储和运输。液化天然气(LNG)温度达-165 ℃，属于超低温的范畴。已有的研究表明[2-3]，混凝土因低温下性能优异成为建造LNG储罐结构的理想材料。故获取混凝土超低温性能尤为重要。

LNG储罐类混凝土结构均采用预应力混凝土以保证其密闭性，施加于混凝土的有效预压应力与其变形性能密切相关。因此，有必要获取具有初始预压应力混凝土在超低温下变形性能的变化规律。目前，关于混凝土超低温变形性能的研究主要考察含水率、降温回温作用工况以及温度场等因素的影响[4-5]。曹大富等通过采用碟簧耗能装置试验，得到混凝土遭受快速冻融循环作用的应力-应变曲线，并给出冻融循环作用次数和混凝土强度等级耦合影响下的峰值应变和极限应变计算式[6]；Rostasy等通过试验给出常温降至-170 ℃再回温过程中混凝土的热变形曲线[7]。也有学者从构件层面对预应力混凝土超低温性能进行了研究[8-9]。谢剑等通过试验，探讨了有黏结预应力混凝土梁超低温下的抗弯承载能力、塑性变形性能以及裂缝分布等[10]。总之，有关应力水平对混凝土超低温变形性能影响的研究尚处于起步阶段，所获得的结果多基于宏观或定性层面。因此，本研究将通过试验探讨混凝土超低温下受压变形性能受应力水平影响的变化规律。

1 试验概况

根据已有的相关试验结果和实际工程情况，试件混凝土选取的强度等级为C50，通过分别经历-40，-80，-120，-160 ℃超低温作用试验以考察施加的初始预压应力水平(0.2、0.4及0.6，即混凝土试件轴向预压应力与其轴心受压强度的比值)对混凝土受压变形性能的影响。

试验共制作12个试件，采用长1 700 mm的棱柱体，截面尺寸为150 mm×150 mm，且截面中心预留直径75 mm的圆孔用以穿入预应力筋。为避免试验过程中除施加的初始预压应力水平和作用的超低温以外其他因素的影响，试件混凝土的配合比、组分及其制作方式等均相同。试件混凝土的配合比见表1。其中，水泥选用P·O 42.5水泥，粗细骨料分别为碎石和河沙，添加剂为矿渣粉，外加剂为聚羧酸减水剂；试件预应力筋则采用专门制作的高强钢棒以便于对试件混凝土施加初始预压应力水平。

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

表2为试验内容及其试件编号。试件编号采用PCD-L-T形式。其PCD、L和T分别表示应力水平对混凝土超低温下受压变形性能影响试验、试件混凝土施加的初始预压应力水平及作用的超低温。例如，编号为PCD-0.4-120表示对混凝土试件施加的初始预压应力水平为0.4、作用的超低温为-120 ℃。

表2 试验内容及其试件编号Table 2 Experiment contents and specimen numbers

应力水平对混凝土超低温下受压变形性能影响试验的流程见图1。所有试件均经历混凝土施加初始预压应力、作用给定的超低温及量测和数据采集3个过程。其中，施加的初始预压应力采用专门制作的预应力施加平台实现；作用的低温通过具有制冷剂储存、输送、程控等功能的预应力低温试验炉及其配套设备实现；最后由与预应力低温试验炉相配套的量测与数据采集系统实现试件变形数据的实时采集和记录。本次试验施加的初始预压应力水平σ0为0.2、0.4及0.6，所对应的目标预压应力值分别为10.0，20.0，30.0 MPa，实际对试件施加的初始预压应力分别为10.8，21.1，28.1 MPa，相应的初始预压应力水平分别为0.22、0.42及0.56。由于混凝土的热惰性，为避免降温速率对试验结果的影响，结合已有的研究[11]，所有试件均采用1 ℃/min的速率进行降温，并在降温达目标超低温时恒温一段时间以确保混凝土试件截面温度分布均匀。具体的恒温时间根据已有的混凝土低温温度场试验结果及试件轴向变形量测结果稳定情况确定。

图1 应力水平对混凝土超低温下受压变形性能影响试验的流程Fig.1 The flow chart of experiments influence of stress levels on compressive deformation performances of concrete exposed to ultralow temperatures

2 试验结果及其分析

为便于对比分析，这里将降温达目标超低温时称之为降温点。此时试件截面各处的温度因混凝土热惰性而不同，将呈内高外低的不均匀分布状；达降温点再恒温一段时间使试件截面温度分布均匀、且达目标超低温时称之为温均点。根据试验选取的作用温度，按常温至-40 ℃、常温至-80 ℃、常温至-120 ℃及常温至-160 ℃等4个降温区间以及每个降温区间分为降温段和恒温段的方式对试验结果进行整理，然后据此探讨应力水平对混凝土超低温下受压变形性能的影响。

2.1 各降温区间不同应力水平试件的混凝土轴向受压变形变化特征及其对比

图2是试验获得的常温至-40 ℃降温区间不同初始预压应力水平下试件的轴向受压变形情况。可看出：随作用的低温降低，各初始预压应力水平试件的混凝土轴向受压变形均呈波动地增大趋势，但不同初始预压应力水平试件间的变化程度有所不同。

降温点； 温均点；PCD-0.2-40;----PCD-0.4-40;……PCD-0.6-40。图2 常温至-40℃降温区间各初始预压应力水平下试件的轴向受压变形变化情况Fig.2 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels for temperature ranges from the room temperature to -40℃

降温段初期，初始预压应力水平σ0较低试件PCD-0.2-40的轴向受压变形大于σ0较高的试件PCD-0.4-40和PCD-0.6-40；但降温段后期，试件PCD-0.6-40的轴向受压变形开始显著增大，并与试件PCD-0.2-40相近；对于整个恒温段，试件PCD-0.2-40和PCD-0.6-40的轴向受压变形仍基本相同，且始终显著高于试件PCD-0.4-40。

图3是试验获得的常温至-80 ℃降温区间不同初始预压应力水平下试件的轴向受压变形变况。可看出，常温至-80 ℃降温区间各初始预压应力水平试件的混凝土轴向受压变形变化趋势与常温至-40 ℃降温区间相似。无论是降温期间还是恒温期间，试件PCD-0.2-80的轴向受压变形始终大于试件PCD-0.4-80和PCD-0.6-80。

降温点； 温均点；PCD-0.2-80;----PCD-0.4-80;……PCD-0.6-80。图3 常温至-80℃降温区间各初始预压应力水平下试件的轴向受压变形变化情况Fig.3 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels for temperature ranges from the room temperature to -80℃

虽然在降温段初期，同降温区间常温至-40 ℃试件PCD-0.4-80和PCD-0.6-80的混凝土轴向受压变形相近、且小于试件PCD-0.2-80。但降温约30 min后，试件PCD-0.6-80的轴向受压变形开始显著增大，并此后始终与试件PCD-0.2-80相近，而试件PCD-0.4-80的轴向受压变形始终小于他们。这种变化特性一直延续至-80 ℃降温点；达-80 ℃的恒温期间，这3种初始预压应力水平试件的混凝土轴向受压变形又趋于相近。

图4是试验获得的常温至-120 ℃降温区间不同初始预压应力水平下试件的轴向受压变形情况。可见：随作用的低温降低，各初始预压应力水平σ0试件的轴向受压变形均呈波动地增大趋势。其中，试件PCD-0.2-120和PCD-0.6-120的轴向受压变形始终保持较为紧密的变化趋势，且两者间差值基本上均较小；而试件PCD-0.4-120的轴向受压变形除开始降温和降温时间100～130 min时与试件PCD-0.2-120相近外，在其他降温时间和恒温阶段基本上均较小，并随恒温时间增加呈明显的趋缓态势，致使其轴向受压变形恒温结束时显著小于试件PCD-0.2-120和PCD-0.6-120。

降温点； 温均点；PCD-0.2-120;----PCD-0.4-120;……PCD-0.6-120。图4 常温至-120℃降温区间各初始预压应力水平下试件的轴向受压变形变化情况Fig.4 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels for temperature ranges from the room temperature to -120℃

图5是试验获得的常温至-160 ℃降温区间不同初始预压应力水平下试件的轴向受压变形情况。可见：随作用低温的降低，各初始预压应力水平σ0试件的轴向受压变形仍然均呈波动地增大趋势。其中，试件PCD-0.2-160和PCD-0.6-160的轴向受压变形在降温阶段基本上保持较为一致的变化趋势，且两者间差值始终较小；-160 ℃恒温开始后，试件PCD-0.2-160和PCD-0.6-160的轴向受压变形仍保持这种变化态势，仅恒温后期相互间出现了差异。此时试件PCD-0.6-160的轴向受压变形开始大于试件PCD-0.2-160。

降温点； 温均点；PCD-0.2-160;----PCD-0.4-160;……PCD-0.6-160。图5 常温至-160℃降温区间各初始预压应力水平下试件的轴向受压变形变化情况Fig.5 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels for temperature ranges from the room temperature to -160℃

试件PCD-0.4-160的轴向受压变形降温时间130 min即降至-120 ℃前基本上同前各相应的降温区间；降温至-120 ℃后试件PCD-0.4-160的轴向受压变形仍延续之前的变化趋势，但随降温时间增加更加平缓。-160 ℃开始恒温时仍保持这种缓慢地增加趋势；至恒温时间180 min后才开始随恒温时间增加呈逐渐加大态势。但此时仍比试件PCD-0.2-160和PCD-0.6-160的小很多。

对比图2～5不同降温区间各初始预压应力水平试件的轴向受压变形变化情况，可见，不同初始预压应力水平下试件的轴向受压变形随作用低温的降低总体上呈不断地增大趋势，但其变化幅度与初始预压应力水平σ0相关。较低和较高的初始预应力水平(σ0=0.2及σ0=0.6)试件的轴向受压变形在各降温区间相差不大，且均大于中等的初始预应力水平(σ0=0.4)试件。这说明初始应力水平对超低温下混凝土受压变形性能有明显的影响，且在σ0=0.4附近有极小值。

2.2 不同降温点和温均点时试件的混凝土轴向受压变形变化特性及其对比

鉴于各初始预压应力水平试件的轴向受压变形随作用低温的降低变化规律较复杂，这里选取降温点和温均点2个关键位置处试件的轴向受压变形，然后据此探讨应力水平对混凝土超低温下变形性能的影响。4种超低温作用工况下(-40，-80，-120，-160 ℃)降温点和温均点时试件的轴向受压变形结果整理见表3。

表3 不同降温点和温均点时试件的轴向受压变形值Table 3 Axial compressive deformation values of specimens at different cooling target points and temperature uniformity target points

图6为不同初始预压应力水平下试件在降温点时的轴向受压变形变化情况及对比。可见，无论降温点超低温高低，较低初始预应力水平(σ0=0.2)试件的轴向受压变形总是最大；而较高初始预应力水平(σ0=0.6)试件的轴向受压变形却不是最小。其值虽比初始预应力水平较低的试件小，但两者相差较小、且变化趋势也相近。处于中等初始预应力水平(σ0=0.4)的试件的轴向受压变形总是最小，且降温点超低温较高和较低时与较低和较高初始预压应力水平试件的轴向受压变形间相差较大。

— σ0=0.2；— σ0=0.4；— σ0=0.6;----拟合曲线。图6 不同初始预压应力水平下降温点时试件的轴向受压变形变化情况Fig.6 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels at cooling target points

(1)

图7为不同初始预压应力水平下温均点试件的轴向受压变形变化情况及对比。可看出，随作用的低温降低，各初始预压应力水平试件的轴向受压变形均不断地增大，但其增幅有所不同。当作用的低温较高(不低于-80 ℃)时，各初始预压应力水平试件的轴向受压变形相差不大；当作用的低温较低(低于-80 ℃)时，较低和较高初始预压应力水平(σ0=0.2，0.6)试件的轴向受压变形相差不大，但均大于中等初始预压应力水平(σ0=0.4)试件，且随作用的低温降低，其差值越来越大。

— σ0=0.2；— σ0=0.4；— σ0=0.6;---- 拟合曲线。图7 不同初始预压应力水平下温均点时试件的轴向受压变形变化情况Fig.7 Axial compressive deformation of specimens with various initial preloading stress levels at temperature uniformity target points

(2)

可见，在各降温区间的降温点及温均点，较低和较高初始预压应力水平(σ0=0.2，0.6)试件的轴向受压变形基本上均大于中等初始预压应力水平(σ0=0.4)试件，特别是当作用的低温较低(低于-80 ℃)时，这一规律更加明显。故实际工程中应注意预应力混凝土变形性能受应力水平影响的这一特性。

3 结束语

通过开展应力水平对混凝土超低温下受压变形性能影响的试验，可得如下主要结论：

1)不同初始预压应力水平混凝土的轴向受压变形在各降温区间的变化趋势相似。其轴向受压变形随作用低温的降低基本上均呈不断地增大趋势，但其变化速率有所不同；较低和较高初始预压应力水平(σ0=0.2，0.6)的混凝土的轴向受压变形始终大于中等初始预压应力水平(σ0=0.4)混凝土。

2)不同初始预压应力水平下混凝土的轴向受压变形随降温点和温均点温度降低均呈增大趋势，但其变化速率有所不同。随降温点温度降低，较低和较高初始预压应力水平下混凝土的轴向受压变形变化速率先慢后快，中等初始预压应力水平下混凝土则相反；随温均点温度降低，较低初始预压下应力水平下混凝土的轴向受压变形基本上呈线性增加趋势，较高和中等初始预压应力水平下混凝土的轴向受压变形变化趋势则与降温点时相似。

3)较低和较高初始预压应力水平下混凝土的轴向受压变形在各降温区间的降温点和温均点基本上均大于中等初始预压应力水平混凝土。在LNG储罐类预应力混凝土结构设计中应考虑混凝土变形性能受应力水平影响的这种变化特性。