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应力水平对混凝土超低温下受压变形性能影响试验研究

时旭东  韩大全  李亚强

清华大学土木工程系

摘　要:通过不同初始预压应力水平的混凝土分别经历-40℃、-80℃、-120℃及-160℃超低温作用试验，探讨应力水平对混凝土超低温下受压变形性能的影响。结果表明，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随作用的低温降低基本上均呈不断地增大趋势，并且随降温点及其温均点超低温的降低也呈增大趋势。但不同初始预压应力水平混凝土经历各超低温作用的轴向受压变形变化幅度有所不同。较低和较高初始预压应力水平混凝土的轴向受压变形始终大于中等初始预压应力水平混凝土。本文这些试验结果可为低温储罐类预应力混凝土结构的设计和安全评估提供参考。

关键词:混凝土；超低温；应力水平；变形性能；降温点；温均点

EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCE OF STRESS LEVEL ON  COMPRESSIVE DEFORMATION PERFORMANCE OF CONCRETE  EXPOSED TO ULTRALOW TEMPERATURE

Shi Xudong,  Han Daquan,  Li Yaqiang

Department of Civil Engineering, Tsinghua University

Abstract:Through experiments of the concrete with different initial preloading stress levels (IPSL) that experi enced  different low temperatures (-40℃ 、 -80℃ 、 -120℃ and -160℃), the effect of IPSL on the compressive deformation  performance of concrete exposed to ultralow temperature is discussed. The test results show that the compressive deformation  of concrete with different IPSLs increases continually with the decrease in temperature during each temperature range from  room temperature to given ultralow temperature. Similarly, the compressive deformations of concrete at the cooling target  point and the temperature uniformity target point show an increase trend with the decrease in temperature for these  temperature ranges. But there exists difference among the changing rates of the compressive deformation for concrete with  different IPSLs. The compressive deformations of concrete with lower and higher IPSLs are larger than that of concrete with a  medium IPSL from beginning to end. The results can provide reference for the design and safety evaluation of prestressed  concrete structures as LNG storage tanks.

Keywords:ultralow temperature; concrete; stress level; deformation performance; cooling target point; temperature  uniformity target point

DOI:10.13204/j.gyjzG21051810

来源：

时旭东，韩大全，李亚强．应力水平对混凝土超低温下受压变形性能影响试验研究[J/OL]．工业建筑. https://doi.org/10.13204/j.gyjzG21051810

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超低温下变形性能变化规律。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]。如曹大富等^[6]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；Rostasy 等^[7]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。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^[10]通过试验，探讨了有粘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。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。本文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。

01

 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℃及-160℃超低温作用试验以考察施加的初始预压应力水平（这里取 0.2、0.4 及0.6）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 1700mm 的棱柱体形式。其截面尺寸为 150mm×150mm、且截面中心具有直径 75mm 的预留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.O42.5 普通硅酸盐水泥，粗细骨料分别为碎石和河砂，掺合料为矿渣粉，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 Mix proportion of specimen concrete

表 2 为试验内容及其试件编号。试件编号采用 PCD-#-&形式。其 PCD、#和&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以及试件混凝土施加的初始预压应力水平和作用的超低温。例如，编号为 PCD-0.4-120 表示对其混凝土施加的初始预压应力水平为 0.4、作用的超低温为-120℃的混凝土受压变形性能试验试件。

表2 试验内容及其试件编号 

Table 2 Experiment contents and specimen numbers

本次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如图 1。所有试件均经历其混凝土施加初始预压应力、作用给定的超低温及量测与数据采集 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）0.2、0.4 及 0.6 所对应的目标预压应力值分别为 10.0MPa、20.0MPa 及 30.0MPa，实际试件混凝土施加的初始预压应力分别为 10.8MPa、21.1MPa 及 28.1MPa，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图 

Fig.1 Flow chart of experiment on influence of stress levels on compressive deformation performance of concrete exposed to ultralow temperature

02

 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~-40℃、常温~-80℃、常温~-120℃及常温~-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 常温~-40℃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情况 

Fig.2 Axial compressive deformation of concrete with various initial preloading stress levels for temperature range from room temperature to -40℃

图 2 是试验获得的常温~-40℃降温区间不同初始预压应力水平试件的混凝土轴向受压变形变化情况。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。

降温段初期，初始预压应力水平 σ₀ 较低试件 PCD-0.2-40 的混凝土轴向受压变形大于 σ₀ 较高试件 PCD-0.4-40 和 PCD-0.6-40；但降温段后期，σ₀ 较高达 0.6 试件 PCD-0.6-40 的混凝土轴向受压变形开始显著地增大，并与 σ₀ 较低仅为 0.2 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 的混凝土轴向受压变形仍基本相同，且始终显著地高于 σ₀ 为 0.4 试件 PCD-0.4-40。

图 3 常温~-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情况 

Fig.3 Axial compressive deformation of concrete with various initial preloading stress levels for temperature range from room temperature to -80℃

图 3 是试验获得的常温~-80℃降温区间不同初始预压应力水平试件的混凝土轴向受压变形变化情况。可看出，常温~-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~-40℃降温区间相似。无论是降温期间还是恒温期间，较低初始预应力水平 σ₀ 试件 PCD-0.2-80 的混凝土轴向受压变形始终大于 σ₀ 较高试件 PCD-0.4-80 和 PCD-0.6-80。

虽降温段初期，同降温区间常温~-40℃较高 σ₀ 试件 PCD-0.4-80 和 PCD-0.6-80 的混凝土轴向受压变形相近、且小于较低 σ₀ 试件 PCD-0.2-80。但降温约 30min 后，较高 σ₀ 达 0.6 试件 PCD-0.6-80 的混凝土轴向受压变形开始显著地增大，并此后始终与较低 σ₀ 仅为 0.2 试件 PCD-0.2-80 相近，而 σ₀ 为 0.4 试件 PCD-0.4-80 的混凝土轴向受压变形始终小于它们。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 常温~-120℃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情况 

Fig.4 Axial compressive deformation of concrete with various initial preloading stress levels for temperature range from room temperature to -120℃

图 4 是试验获得的常温~-120℃降温区间不同初始预压应力水平试件的混凝土轴向受压变形变化情况。可看出，随作用的低温降低，各初始预压应力水平 σ₀ 试件的混凝土轴向受压变形均呈波动地增大趋势。其中，σ₀ 较低和较高试件 PCD-0.2-120 和 PCD-0.6-120 的混凝土轴向受压变形始终保持较为紧密的变化趋势，且二者间差值基本上均较小；而 σ₀ 为 0.4 试件 PCD-0.4-120 的混凝土轴向受压变形除开始降温和降温时间 100min~130min 时与试件 PCD-0.2-120 相近外，在其它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，致使其混凝土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。

图 5 常温~-160℃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情况 

Fig.5 Axial compressive deformation of concrete with various initial preloading stress levels for temperature range from room temperature to -160℃

图 5 是试验获得的常温~-160℃降温区间不同初始预压应力水平试件的混凝土轴向受压变形变化情况。可看出，随作用的低温降低，各初始预压应力水平 σ₀ 试件的混凝土轴向受压变形仍然均呈波动地增大趋势。其中， σ₀ 较低和较高试件 PCD-0.2-160 和 PCD-0.6-160 的混凝土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，且二者间差值始终较小；达-160℃恒温开始后，σ₀ 较低和较高试件 PCD-0.2-160 和 PCD-0.6-160 的混凝土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 σ₀ 较高试件 PCD-0.6-160 的混凝土轴向受压变形开始大于 σ₀ 较低试件 PCD-0.2-160。

σ₀ 为 0.4 试件 PCD-0.4-160 的混凝土轴向受压变形降温时间 130min 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 的混凝土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。达-160℃开始恒温时仍保持这种缓慢地增加趋势；至恒温时间 180min 后才开始随恒温时间增加呈逐渐地加大态势。但此时仍比 σ₀ 较低和较高试件 PCD-0.2-160 和 PCD-0.6-160 的小很多。

对比图 2~图 5 不同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情况可见，不同初始预压应力水平试件的混凝土轴向受压变形随作用的低温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 ）试件的混凝土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混凝土轴向受压变形随作用的低温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混凝土轴向受压变形，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。将作用的超低温分别为 -40℃、-80℃、-120℃及-160℃等 4 种超低温作用工况下降温点和温均点时试件的混凝土轴向受压变形整理如表 3。

表3 不同降温点及其温均点时试件的混凝土轴向受压变形值 

Table 3 Axial compressive deformation values of concrete at different cooling target points and temperature uniformity target points

图 6 不同初始预压应力水平试件降温点时的混凝土轴向受压变形变化情况 

Fig.6 Axial compressive deformation of concrete with various initial preloading stress levels at cooling target points

图 6 为不同初始预压应力水平试件在降温点时的混凝土轴向受压变形变化情况及其对比。可看出，无论降温点超低温高低，较低初始预应力水平（σ₀ = 0.2）试件的混凝土轴向受压变形总是最大；而较高初始预应力水平（σ₀ = 0.6）试件的混凝土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，但二者相差较小、且变化趋势也相近。处于中等初始预应力水平（σ₀ = 0.4） 试件的混凝土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混凝土轴向受压变形间相差较大。

根据试验获得的降温点时试件的混凝土轴向受压变形变化特性对其进行拟合，不同初始预压应力水平 σ₀ 拟合曲线的 R² 值均大于 0.97，说明拟合结果与试验结果符合良好。由拟合曲线（图 6）可看出，随作用的低温降低，较低和较高初始预应力水平（σ₀ = 0.2 及σ₀= 0.6 ）试件的混凝土轴向受压变形变化速率先慢后快，曲线呈下凸状；中等初始预压应力水平（σ₀ = 0.4 ）试件的混凝土轴向受压变形则相反，曲线呈上凸状。试件的混凝土轴向受压应变 ε^T_c 与降温点超低温 T 间的拟合表达式如下：

图 7 不同初始预压应力水平试件温均点时的混凝土轴向受压变形变化情况 

Fig.7 Axial compressive deformation of concrete with various initial preloading stress levels at temperature uniformity target points

图 7 为不同初始预压应力水平试件温均点时的混凝土轴向受压变形变化情况及其对比。可看出，随作用的低温降低，各初始预压应力水平试件的混凝土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混凝土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 及σ₀ = 0.6）试件间的混凝土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。

根据试验获得的温均点时试件的混凝土轴向受压变形变化特性对其进行拟合，不同初始预压应力水平 σ₀ 拟合曲线的 R² 值均大于 0.99，说明拟合结果与试验结果符合良好。由拟合曲线（图 7）可看出，随作用的低温降低，较低初始预压应力水平（σ₀ = 0.2）试件的混凝土轴向受压变形基本呈线性趋势；较高和中等初始预压应力水平（σ₀ = 0.6 及σ₀= 0.4 ）试件其变化趋势与降温点时相似，分别呈变化速率先慢后快的下凸状和变化速率先快后慢的上凸状。试件温均点时的混凝土轴向受压应变 ε^T_c0  与温均点超低温 T 间的拟合表达式如下：

可见，在各降温区间的降温点及其温均点，较低和较高初始预压应力水平（σ₀ = 0.2 及 σ₀= 0 .6） 试件的混凝土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。

03

主要结论

通过应力水平对混凝土超低温下受压变形性能影响试验，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的低温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混凝土的轴向受压变形始终大于中等初始预压应力水平混凝土。 

2）不同初始预压应力水平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混凝土则相反；随温均点温度降低，较低初始预压应力水平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。

参考文献

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