不同强度等级混凝土遭受超低温冻融循环作用的受压强度试验研究

时旭东，汪文强，田佳伦

(清华大学土木工程系，北京 100084)

据相关统计数据[1]表明，2017年全球液化天然气总需求同比增长了2900万t，而中国在经济持续增长和“煤改气”政策的推动下总需求更达3800万t，并跃居全球第二大进口国。巨量的液化天然气需求，对运输和储存设施的规模、安全性及经济性等提出了更高的要求。因天然气由气态降温至-165 ℃呈液态状时的体积约为常温时的1/600[2]，常采用低温液化的形式储存。而混凝土作为液化天然气(LNG)储罐结构的基本建造材料，对其超低温下受力性能研究显然十分重要。随 LNG储罐内储量变化，罐内一些位置的温度也会发生相应的变化。此时储罐结构的混凝土实际上处于温度反复升降的另类冻融环境中。温度可能在某些超低温温度区间内波动，也可能在常温与超低温间的大温度区间变化[3]。因此，有必要获知混凝土超低温冻融作用的受力性能。

目前，一些学者已从混凝土的强度等级、含水率以及冻融循环作用的次数、温度区间等方面对超低温下混凝土的受力性能进行了研究，如戢文占等[4]对 3种不同强度等级的混凝土试件分别降温至-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃以及-165 ℃测定其受压强度，发现不同强度等级混凝土的受压强度增长趋势较为一致，均随温度的降低而逐渐增大；Montejo等[5]通过对混凝土 20℃~-196 ℃温度区间内的超低温加载试验。结果表明：混凝土超低温下受压强度增量与其含水率成正相关关系；笔者所在的课题组[6－8]也探讨了不同的强度等级和含水率混凝土经历超低温作用后其受力性能的变化规律。但已有的研究多集中于混凝土未经历冻融循环作用时超低温环境下的受力性能研究，对混凝土经历冻融循环作用后的受力性能研究尚处于起步阶段。鉴于不同罐容的 LNG储罐以及储罐的不同部位所采用的混凝土强度等级不同，本文主要探讨不同强度等级混凝土经历超低温冻融循环作用后受压强度的变化规律。

1 试验概况

考虑到LNG储罐结构混凝土强度等级合理区间基本上位于C40~C60，本次试验取C40、C50和C60这 3种强度等级混凝土考察其经历超低温冻融循环作用后受压强度变化规律。结合本课题组已有的相关研究情况，这里选取 15 ℃~-120 ℃和 15℃~-190 ℃两种超低温冻融循环作用的温度区间，其冻融循环作用次数分别为0次、16次和30次。

试件均采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体，分4批浇注，其混凝土配合比见表1。其中，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，石子为5 mm~20 mm连续级配碎石，砂为河砂、中砂，矿粉为S95矿粉，外加剂为聚羧酸减水剂。表1中的 GAP、GBP及GCP表示其混凝土的含水率相近但设计强度等级分别为C40、C50和C60，GDP表示混凝土的设计强度等级为C60但其含水率相对较高。

表1 不同组别试件的混凝土配合比Table 1 Mixing proportions of concrete specimens of different strength grades

表2是不同强度等级混凝土经历冻融循环作用的试验内容及其试件编号。其中，各试件组别均设置基准试件和超低温冻融循环作用试件。以 GAP试件组别为例，其基准试件为未经历(0次)冻融循环作用时上、下限温度时加载的试件，编号 GAP-& 表示组别为GAP(即混凝土设计强度等级为C40)的第 & 个基准试件。超低温冻融循环作用试件为经历给定冻融循环作用后上、下限温度时加载的试件，其冻融循环作用次数分别选取16次和30次。冻融循环作用区间的上限温度统一取 15 ℃，而下限温度则分别取至-120 ℃和-190 ℃，并按 1 ℃/min的速率进行升降温，以上限温度降温至下限温度再回至上限温度记为 1次冻融循环作用。其中，编号GAP-#-& 表示组别为 GAP(即混凝土设计强度等级为 C40)经历下限温度为-#℃的冻融循环作用后进行加载的第 & 个试件，如 GAP-120-5表示组别为GAP经历下限温度为-120 ℃的冻融循环作用后进行加载的第5个试件。

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

试验包括超低温冻融循环作用、单轴受压加载、混凝土含水率测定，以及试验量测和数据处理 4部分。其中，超低温冻融循环作用通过超低温试验炉由液氮作为制冷剂实现，并由程控按给定的速率升降温至目标温度。考虑混凝土的热惰性，所有试件均按1 ℃/min的速率升降温。为确保试件温度分布均匀，按相关研究成果[9]，试件在上、下限温度时均在设定温度保持恒温不少于 4.5 h；通过由与超低温试验炉相配套的 2000 kN液压试验机对试件进行单轴受压加载，并由专用的量测装置和数据采集系统获取其受压强度等试验数据；试件的混凝土含水率则由专用的程控烘烤箱进行最高温度不高于 200 ℃的温度环境中烘烤获取。图1是本次不同强度等级混凝土超低温冻融循环作用受压强度试验的流程图。

图1 混凝土超低温冻融循环作用受压强度试验流程图Fig.1 Flow chart of compressive strength experiments for concrete experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

2 试验宏观现象及其试件破坏形态

2.1 试验宏观现象

经历超低温冻融循环作用的不同混凝土强度等级试件，其表面均未因不同的温度区间和冻融循环作用次数呈现出明显的差异，与冻融循环作用前相比也未见其变化。图2是经历 30次温度区间15 ℃~-190 ℃冻融循环作用试件冻融前后的照片。从图2可以看出，冻融作用后试件表面并未出现诸如裂纹、孔洞边界变化以及混凝土剥落和棱边棱角缺损等新的损伤现象。

图2 试件经历超低温冻融循环作用前后表观情况Fig.2 Surface states of specimen before and after experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

2.2 试件破坏形态

试件无论是否经历冻融循环作用，其上、下限温度时单轴受压加载后的破坏形态基本上类似，均大致呈对顶锥状。但不同超低温冻融循环作用工况下，混凝土强度等级对试件加载形成的破坏面特征等影响有所不同。

2.2.1 上限温度时混凝土强度等级的影响

图3是不同混凝土强度等级试件经历16次温度区间 15℃~-120 ℃冻融循环作用后上限温度加载时的破坏情况照片。可见，混凝土强度等级分别为C40和C50试件GAP-120-1和GBP-120-1的破坏面处存在明显的砂浆骨料脱离、粗骨料处凹凸不平现象，残留块体表面也表现得较为酥松。其中前者这些现象更加明显；而混凝土强度等级为C60试件GCP-120-3的破坏面则相对较为平整，粗骨料处无明显的凹凸现象，骨料与砂浆结合得也更为密实，破坏面处粗骨料基本上均被劈裂，破坏时形成的块体多而小。经历温度区间 15 ℃~-190℃冻融循环作用试件的破坏面特征情况相似，经历冻融循环作用次数较多试件的破坏面则显得稍松疏。

图4是不同混凝土强度等级试件未经历冻融作用和经历30次温度区间15 ℃~-190 ℃冻融循环作用后上限温度加载时的破坏情况照片。可见，两者的破坏形态基本接近。

图3 不同混凝土强度等级试件经历超低温冻融循环作用后上限温度时的受压破坏情况Fig.3 Compressive failure characteristics at upper limit temperature for specimens of different concrete strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

图4 不同混凝土强度等级试件未经历和经历冻融循环作用上限温度时的受压破坏情况Fig.4 Compressive failure characteristics at upper limit temperature for specimens of different concrete strength grades not experiencing and experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

对于未经历冻融循环作用的各混凝土强度等级试件，其破坏特征基本相近、破坏形态均呈对顶锥状，破坏时残留的受压面基本上完整；而经历多次冻融循环作用的破坏特征虽也多相近，但与未经历冻融循环作用试件相比具有明显的差异。前者的破坏面可见裂缝和砂浆骨料分离现象，且加载破坏后均有沿加载方向出现的纵向劈裂现象，其中混凝土强度等级较高的试件GBP-190-9和GCP-190-9表现得更加明显。这表明混凝土经历冻融循环作用过程中内部累积损伤较为严重，使初始裂缝不断地扩展并产生新的裂缝从而形成这种沿试件纵向劈裂的现象。

2.2.2 下限温度时混凝土强度等级的影响

图5是不同混凝土强度等级试件经历30次温度区间 15 ℃~-190 ℃冻融循环作用后下限温度时的受压破坏情况照片。从图5可以看到，各混凝土强度等级试件下限温度时的受压破坏特征与上限温度时相比有明显的差别，但其破坏形态基本相似、均呈对顶锥状。因加载时混凝土内部孔隙水结冰使破坏面处的粗骨料基本上均被劈裂、因破坏界面的滑移导致的砂浆粉状明显地增多，破坏后残留的受压面也比上限温度时小得多。并且随混凝土强度等级的提高，这些现象表现得更加明显。经历温度区间 15 ℃~-120 ℃冻融循环作用试件所呈现出的这些破坏特征则稍弱，而不同冻融循环作用次数试件间无明显差异。

图5 不同混凝土强度等级试件经历超低温冻融循环作用后下限温度时的受压破坏形态Fig.5 Compressive failure characteristics at lower limit temperature for specimens of different concrete strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

3 试验结果及其分析

表3是通过对不同混凝土强度等级试件超低温冻融循环作用后加载获取的混凝土受压强度试验值。为便于分析比较，将经历超低温冻融循环作用后混凝土上、下限温度时的受压强度相应地分别除以未经冻融混凝土上、下限温度时的受压强度(fcU、fcL)获取其相对受压强度(上限温度时为下限温度时为

表3 经历超低温冻融循环作用各强度等级混凝土的受压强度试验结果Table 3 Test results of relative concrete compressive strengths of different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

3.1 混凝土含水率的影响

由于不同强度等级混凝土的含水率不同，即使相同强度等级混凝土同一制作条件下的含水率也不尽相同，为避免探讨不同强度等级混凝土超低温冻融循环作用受力性能时因试件混凝土含水率存在的差异影响，本次试验首先选取设计强度等级C60混凝土，考察相同强度等级不同混凝土含水率在各种超低温冻融循环作用工况下对混凝土受压强度的影响，然后从所获得的试验结果中分离出因试件的混凝土含水率差异造成的影响。这里将未经历冻融循环作用混凝土含水率wc作为基准值，将经历各种超低温冻融循环作用试件的混凝土含水率与wc的差值除以wc定义为其混凝土相对含水率

图6是经历温度区间 15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃不同冻融循环作用次数后混凝土上、下限温度时，相对受压强度与其相对含水率间的变化关系图。

图6 给定强度等级不同含水率混凝土经历超低温冻融循环作用后的相对受压强度Fig.6 Relative compressive strengths of concrete for given strength grade and different water contents after experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

对于下限温度时，除试件经历 16次温度区间15 ℃~-120 ℃冻融循环作用后的与间关系有所不同外，其它三种超低温冻融循环作用工况下呈现出上升而下降的趋势，且拟合曲线的斜率基本一致。这主要原因在于下限温度时不仅仅因冻融循环作用过程中造成恶化的混凝土累积损伤Δλ1随混凝土含水率的增加而增大，降温过程中随混凝土内部孔隙水的结冰使其有效受压面积增大、骨料间粘结性能增强导致的混凝土受压强度提高效应Δλ2却随混凝土含水率增加而提高。超低温冻融循环作用时这两种均与混凝土含水率相关、具有相反效应的叠加，最终，将决定混凝土受压强度的变化趋势。16次温度区间 15 ℃~-120 ℃的超低温冻融循环作用工况导致的两种效应近似相互抵消，而其他三种工况下，随冻融循环次数的增加，冻融循环引起的强度损伤Δλ1逐渐累积，并对混凝土强度的影响大于骨料间粘结性能增加引起的强度提高Δλ2，进而导致混凝土受压强度随混凝土含水率增加呈下降趋势。

根据所得的试验结果可以看出，对于经历各种超低温冻融循环作用且混凝土含水率在 3.5%附近的混凝土，混凝土相对含水率增加1%时，混凝土上限温度时的下降约 0.005、下限温度时的下降约0.015。这里，将近似地按其分离混凝土含水率差异对不同强度等级混凝土超低温冻融循环作用工况下受压强度的影响。

3.2 混凝土强度等级的影响

3.2.1 上限温度时

图7是不同强度等级混凝土经历温度区间15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃冻融循环作用后上限温度时的相对受压强度变化情况。从图7可以看到，混凝土经历相同超低温冻融循环作用工况后，其上限温度时混凝土相对受压强度均随混凝土强度等级提高而有所增大，也即超低温冻融作用导致的混凝土受压强度恶化程度将减弱。这与混凝土常规冻融循环作用试验结果[10]一致。其主要原因在于，随着混凝土强度等级提高，其水胶比将相应地减小，这使混凝土内部孔隙率小而更加密实，且大部分孔隙的孔径也较小，进而增强混凝土超低温冻融循环作用过程中对其内部孔隙水的迁徙和冻胀效应的抑制作用。但不同的超低温冻融作用温度区间所表现出的抑制效果却有所不同，下限温度较低温度区间的混凝土强度等级影响相对较弱。通过对所获得的试验数据拟合可偏安全地给出经历不同超低温温度区间冻融循环作用混凝土上限温度时的相对受压强度与其强度等级(这里用其轴心受压强度平均值fc,m表示)间的变化关系：

图7 经历超低温冻融循环作用的不同强度等级混凝土上限温度时相对受压强度Fig.7 Relative compressive strengths at upper limit temperature for concrete of different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

图8是不同强度等级混凝土经历温度区间15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃冻融循环作用后，其上限温度时的相对受压强度与冻融循环作用次数N间关系。可见，冻融循环作用次数对上限温度时混凝土相对受压强度也有明显的影响，但不同超低温冻融循环作用工况下其相对受压强度的变化趋势有所不同。

图8 不同强度等级混凝土上限温度时相对受压强度随超低温冻融循环作用次数的变化规律Fig.8 Variation regularities of relative compressive strengths at upper limit temperature for concrete of different strength grades with increase in number of ultralow temperature freeze-thaw cycles

从图8可以看出，上限温度时加载，不同强度等级混凝土经历不同温度区间冻融循环作用后的相对受压强度均随N增加而呈下降趋势，且下降幅度较为相似。这主要原因在于，随N增加，混凝土内部孔隙水反复结冰膨胀使孔壁也反复受压，进而导致孔壁附近混凝土微裂缝出现并不断地发展，结果使混凝土受压强度呈现出逐渐下降趋势。其中，强度等级较低的混凝土在不同超低温冻融作用温度区间均表现出较大的下降幅度。

3.2.2 下限温度时

图9是不同强度等级混凝土经历温度区间15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃冻融循环作用后下限温度时的相对受压强度变化情况。从图9可以看到，混凝土经历相同超低温冻融循环作用工况后，其下限温度时相对受压强度变化规律与上限温度时截然不同，不同的超低温冻融作用温度区间的变化规律也存在明显的差异。虽温度区间 15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃的均基本上随混凝土强度等级提高而有所增大，但前者是超低温冻融作用导致的混凝土受压强度恶化有所减弱，而后者则是超低温冻融作用导致的混凝土受压强度增强有所提高。这也表明不同下限温度的超低温冻融作用所表现出对混凝土受压强度影响也不同。

图9 经历超低温冻融循环作用的不同强度等级混凝土下限温度时相对受压强度Fig.9 Relative concrete compressive strengths at lower limit temperature for different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

图10是不同强度等级混凝土经历温度区间15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃冻融循环作用后，其下限温度时的相对受压强度与冻融循环作用次数N间关系。下限温度时加载，不同强度等级混凝土的在给定的超低温冻融作用温度区间工况下随N增加的变化趋势相似，但不同的超低温冻融作用温度区间则存在明显的差异。从图10可以看到，温度区间15 ℃~-120 ℃的随N增加逐渐下降；而温度区间15℃~_190℃的随N增加却不断地提高。产生这种现象的主要原因在于，混凝土受压强度受冻融循环作用导致的累积损伤Δλ1和低温混凝土内孔隙水结冰导致的增强效应Δλ2两方面的影响。随N增加，混凝土内部孔隙结构将发生变化、孔隙水进行重分布，此时的Δλ1和Δλ2均逐渐增大。对于温度区间15 ℃~-120 ℃，Δλ1随N增加而引起的增幅要大于Δλ2。但对于温度区间15 ℃~-190 ℃，混凝土内孔隙水因结冰导致的增强效应和孔隙水重分布因下限温度较低而更加充分，结果使Δλ2随N增加引起的增幅反过来大于Δλ1。可见，不同的超低温温度区间导致的混凝土下限温度时受压强度，随冻融循环作用次数的变化规律将有所不同。

图10 不同强度等级混凝土下限温度时相对受压强度随超低温冻融循环作用次数的变化规律Fig.10 Variation regularities of relative concrete compressive strengths at lower limit temperature for different strength grades when number of freeze-thaw cycle action cycles was increased

4 与已有的混凝土常规冻融研究结果对比

已有的研究结果[11]表明，混凝土经历常规冻融循环作用过程中，其内部孔隙水冻结产生的渗透压力及静水压力会造成混凝土细观结构的损伤，进而影响混凝土的耐久性。这对长期处于自然冻融环境中的混凝土类建构筑物是一种严重的危害。为改善混凝土的抗冻性能，一般通过添加引气剂等方式使混凝土内引入空气形成大量的微小封闭气孔、缓解孔隙水在冻胀迁徙过程中产生的压力，进而避免混凝土出现累积损伤。

混凝土中引气使其孔隙率增加的同时，其受力性能和热工性能也必然受到影响。自然冻融环境下混凝土中掺入适量的引气剂可很好地满足实际工程的需求，但超低温冻融环境下混凝土性能与其孔隙状况和含水率等密切相关。已有工程实践表明，引气剂的添加会影响混凝土超低温性能，过量的引气剂会使其性能出现明显的恶化，甚至引发工程事故。故应注意：不能简单地将改善混凝土自然环境抗冻融性能方法直接应用于超低温冻融环境混凝土结构中。

目前，国内外许多研究者都对混凝土常规冻融作用性能进行了试验研究[12－13]。从这些研究结果可以看出，混凝土经历常规冻融循环作用后上限温度时的受压强度会有所下降，且下降幅度与混凝土强度等级密切相关。其中，曹大富等[14]通过对4种不同混凝土强度等级立方体试件进行加载试验，获得了混凝土经历不同次数常规冻融循环作用后的相对受压强度，并据此还拟合出相应的表达式。

对于混凝土经历超低温冻融循环作用方面的研究，目前，国内外学者所给出的结果多具有局限性、不够系统和深入，基本上处于起步阶段。因超低温冻融循环作用试验的成本较高，已有的试验所进行的冻融循环作用次数相对较少。其中，谢剑等[15]通过试验给出，C40和C60立方体试件经历3次温度区间为常温至-160 ℃冻融循环作用后的常温时混凝土相对受压强度分别为0.91、0.92；C30、C40及C60立方体试件经历10次温度区间为常温至-80 ℃冻融循环作用后的常温时混凝土相对受压强度分别为0.74、0.79和1.07。可见，随着混凝土强度等级的提高，混凝土超低温下的抗冻性能也有所提高。

图11是将一些学者给出的混凝土经历冻融循环作用后其上限温度时相对受压强度与本文试验所得结果的对照。可以看出，经历不同温度区间冻融循环作用后所得曲线的变化趋势大致相同，即随混凝土强度等级的提高，其上限温度时相对受压强度均有所增大。但相比于常规冻融作用，混凝土经历相同次数超低温冻融循环作用后对其相对受压强度所产生的损伤更为严重，如C40混凝土经历16次常规冻融循环作用、温度区间 15℃~-120 ℃及 15 ℃~-190℃冻融循环作用后其相对受压强度分别为0.95、0.87、0.77。可见，其损伤随超低温冻融循环作用温度区间下限温度的降低逐渐增大。故不能简单地将常规冻融循环作用下的研究成果直接应用于经历超低温冻融循环的混凝土结构设计之中。

图11 经历超低温环境和自然环境冻融循环作用的不同强度等级混凝土上限温度时相对受压强度Fig.11 Variation regularities of relative concrete compressive strengths at upper limit temperature for different strength grades undergoing ultralow temperature or natural environment temperature freeze-thaw cycle action

5 结论

通过对不同强度等级混凝土进行两种超低温温度区间冻融循环作用受压强度试验，可得到以下主要结论：

(1)对于各混凝土强度等级试件，无论是经历不同的超低温温度区间、次数的冻融循环作用，还是冻融循环作用前后，其表观均未出现明显的变化，试件破坏形态基本上类似，均大致呈对顶锥状。但不同超低温冻融循环作用工况下混凝土强度等级对试件加载的破坏特征影响有所不同。上限温度时混凝土强度等级较低的破坏面处存在明显的凹凸不平现象，表现得较为酥松；下限温度时破坏面处的粗骨料基本上均被劈裂，破坏后残留的受压面也比上限温度时小得多，并且混凝土强度等级高的表现得更加明显。

(2)混凝土经历超低温冻融循环作用后上、下限温度时相对受压强度均随其含水率增加而呈下降趋势。

(3)混凝土经历相同超低温冻融循环作用工况后，其上限温度时相对受压强度均随强度等级提高而有所增大，但不同强度等级混凝土的相对受压强度均随冻融循环作用次数的增加而呈下降趋势，且下降幅度较为相似。

(4)混凝土经历不同的超低温冻融循环作用工况后，其下限温度时相对受压强度随强度等级提高的变化规律不尽相同，也与上限温度时有所不同。不同超低温温度区间的混凝土相对受压强度虽均基本上随混凝土强度等级提高而有所增大，但增大的原因存在明显的差异；给定的超低温冻融作用温度区间工况下混凝土相对受压强度随冻融循环作用次数增加的变化趋势相似，但不同温度区间变化趋势不同。

(5)常规冻融作用和超低温冻融作用对混凝土性能影响不同，经历超低温冻融循环作用后的混凝土相对受压强度恶化更为严重。实际工程中应注意不能简单地将改善混凝土自然环境抗冻融性能方法直接应用于超低温冻融环境混凝土结构中，也不能直接将常规冻融循环作用下的研究成果直接应用于经历超低温冻融循环的混凝土结构设计之中。