超低温环境混凝土研究与应用综述.pdf

2 0 1 2年 第 1 2 期 (总 第 2 7 8期) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a 1 N o 2 7 8) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 1 2 0 1 0 超低温环境混凝土研 究与应用综述 张楠 ， ，李景芳 ，张志明 ，谢利红 ，张涛 ，廖娟 ，戢文 占 ，蒋正武 。 ( 1 中国建筑股份有 限公司技术 中心 ，北京 1 0 1 3 0 0 ；2 中国建筑第二工 程局有 限公 司 北京 1 0 0 0 5 4 3 同济大学 先进土木工程材料教育部重点试 验室 ，上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 应用于液化天然气( L N G ) 低温储藏的混凝土在超低温环境下的性能与常温状态时的性能存在较大差异。 基于此原因， 本综述 总结了 国内外超低温环境下 和低温冻融后 的混凝 土各种性能研究 ， 论述 了混凝 土在超低温环境下和低温冻融后性 能变化 机理 ， 并指出含 水量和环境温度对混凝 土在超低温 下的性能至关重要 。 阐述并指出 了目前超低温环境混凝土的应用进展 和急需解决 的问题 。 关键词 ： 超低温 ；混凝 土 ；力学性能 ；热变形 ；冻融 中图分类号 ： T U5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 2 7 0 3 St at e - o f - - a r t r e v i ew on r e s ea r c h and a ppl i c a t i on o f c on c r e t e a t v er y l o w t e mper a t ur e ZHANG Na n ， LI J i n g - f a n g ， ZHANG Zh i - mi n g2 , XI E Li - ho n gz , ZHANG Tri o ， L I AO J u an ， 盯 W e n - z h a n ， J I ANG Zh e n g - wu ( 1 T e c h n i c a l C e me r C h i n a S t a t eC o n s t r u c t i o nE n g r g C o r p， L t d ， Be i j i n g 1 0 1 3 0 0 ， C h i n a ； 2 C h i n a C o n s t r u c t i o n S e c o n d E n g i n e e ri n g B u r e a u L t d ， Be i j i n g 1 0 0 0 5 4， C h i n a ； 3 Ke yL a b o r a t o r yo f Ad v a n c e dCi v i l E n g i n e e r i n gMa t e r i a l s o f Mi n i s t r yo f E d u c a t i o n ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： M a ny p r o p e r t i e s o f c o nc r e t e u s e d i n s t o rin g l i q u e fie d n a t u r a l g a s a t v e r y l o w t e mp e r a t u r e we r e d i ffe r e n t f r o m at n o r m a l t e m p e r a t ur e Ba s e d o n t hi s ， t h e p r o pe rti e s o f c o n c r e t e at v e ry l o w t e mp e r a t u r e a n d a f te r f r e e z i n g t h a wi n g we r e s u mm a riz e d I t wa s di s c u s s e d t o t h e me c h a n i s m o f p r o p e r t y c h a n g e s at t h e b o t h s i tuati o n s a n d p r o po s e d th at mo i s t u r e c o n t e n t a n d e n v i r o n me nt t e mp e r a t u r e we re c m c i N t o c o n c r e t e p e r f o r m a n c e at v e ry l o w t e mp e r a tur e Ap pl i c a t i o n p r o g r e s s o f c o n c r e t e at v e ry l o w t e mp e r a t u r e an d ma n y p r o b l e m s t o b e s o l v e d we r e me n t i o n e d Ke ywor ds ： v e ry l o w t e mp e r a t u r e ； c o n c r e t e； me c h a ni c a l p r o pe r t y； the rm d e f o rm a t i o n； f r e e z i n g tha wi n g 0 引言 超低温环境混凝土 目前主要用于液化天然气储藏塔外部 保护层 ， 其作用是在内部钢密封层受到地震或其他原因出现泄 漏时缓存液化天然气， 防止液化天然气泄漏到外界环境造成财 产和人员损失。 此外， 也有少量储藏塔将其作为内层与液化天然 气直 接接触 。 因此 ， 为 了避免在 缓存 内部层 泄漏 出的液化天 然气时失效， 保护层应满足处于液化天然气环境温度( 一 1 6 8) 下性能稳定。 而混凝土在超低温环境的力学性能、 热变形性能和 冻融性能等与常温状态下的性能有很大差异。 本综述对国内外超低温环境下和超低温冻融后的混凝土 各种性 能进行 总结 ， 论述混凝土在超低 温环 境下 和超低温冻融 后性能变化机理， 阐述超低温环境 昆 凝土的应用前景， 指出目 前混凝土在超低温环境应用中急需解决 的问题 。 1 混凝土在超低 温环境 下的性 能 迄今为止， 国内外学者主要针对混凝土在超低温环境下的 强度 、 弹性模量 、 热变形等宏观性能进行了研究 ， 下面将对不同 研究者所得结论做简单综述。 1 1 强度 大多数研 究者口 发现 ， 水泥基材料处 于低 温环境 的强度会 明显提高， 随着水含量增加和温度的降低而增加， 如图 1 。 对于 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 6 - 0 8 干燥混凝土， 由冷却所致的强度变化较为微小【7 。 饱和混凝土在 0 - - 1 0 0范围内， 甚至在一 1 7 0时抗压强度都在增加 ， 并且增 加量 几乎与其室温时强度无关8 1 。 这主要是 由于冰的形成 中断了毛细孔和集料孔的连续性 ， 从而降低了潜在的脆弱区域 和应力集中区。 此外 ， 随着温度下降， 冰强度也会增加 ， 提高了 混凝土强度。 在潮湿状态下， 混凝土低温抗压强度一般可达室温的 2 - 3 倍 ， 但加气混凝土和轻骨料? 昆 凝土在低温环境下的强度增长 比 常规混凝土低 。 有研究者 通过对强度增加量 ( MP a ) 、 湿度 和温度 数据进行拟合， 提出了三者之间的关系式 ， 即： A= 一 I T m 1 2 ( 适合 0 - - 1 2 0) 。 但也有研究者【3 认为低温混凝土强 度只与温度呈线性关系， 而不同湿度对应不同的线性关系。 1 2弹性模 量 混凝土在超低温下的弹性模量随温度降低而不断提高。 含 水量越大， 增长率越大， 但不如抗压强度增长率显著， 在一 1 9 0 时饱水混凝土的弹性模量是常温下的 1 7 5倍。 在同一温度下 ， 气干混凝土的弹性模量是常温下的 1 6 5 倍 7 1 。 1 3热应 变 混凝土在超低温环境下的抗压抗折强度等力学性能随温 度 降低不断提高 ， 但热变形在超低温环境下却有着复杂变化。 对于干燥混凝土， 热应变随降温一 回温呈线性收缩和线性膨胀趋 势 H 。 对于湿混凝 土 ， 随温度 的不 断下 降先发生热 应变收缩 ， 在 某个温度点开始膨胀 ， 随着进一步降温， 热应变再次发生收缩。 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 目 山 鹱 温度 f a 1 抗 压强度 。 F 温度 ( b 1 抗拉 强度 同样， 热应变在回温阶段则呈先膨胀一 收缩一 再膨胀趋势 1 0 - 1 5 】 ， 见 图 2 。 研究还发现3 , 1 0 - 1 ， 就水泥基材料而言 ， 尤其是硬化水泥石 ， 热变形 随着所受荷 载里的减少 、水 胶 比和湿 度的增加 越加 明 显，且每次降回温循环都会造成一定的热应变膨胀偏移。 当冻 融最低温度为一 2 0时， 热应变膨胀可忽略； 一 3 0时热应变膨 胀较小； 在一 5 0后， 热应变膨胀几乎恒定。 由表 1 可知， 尽管不 同研究者的试验参数不同， 但仍有共同点。 对于干燥水泥基材料 而言 ， 热应变随温度几乎呈线性变化。 而水饱和水泥基材料， 降 温阶段的膨胀区域主要出现在一 2 0 5 0；回温阶段的收缩区 域大致出现在一 3 O 1 0。 但导致这一变化趋势的原因仍然没 有相关文献提及。 蛰 蕞 温 度 O 图 1 随温度变化干燥和湿 润混凝土的力学性能变化14 图 2 热变形随温度变化 的示意图 表 1 水饱和水泥基材料在超低温环境下的热变形 2混凝土经超低 温冻融后 的性能劣 变 研究 显示 ， 普通 混凝 土在一 1 7 0环境下经 一次温 度冻 融循环后 ， 力学性能就发生损失， 含水量越多， 强度和硬度下降 越严重； 在 2 0 - 1 9 6的环境下经三次冻融循环后 ， 抗压强度 下降超过 4 0 ， 弹性模量下降 8 5 。 而冻融循环后 ， 湿混凝土强 度所受影响比干燥混凝土更严重。 极限温度越低， 冻融破坏越明 显。 但也有研究者嘲 发现只有饱和或几乎饱和的混凝土冻融后 才会受到 内部破坏， 对于湿度小的干燥混凝土则没有强度损失。 3 混凝土在超低 温环境 中性 能变化机理 研究 1 6 - 1 发现， 砂浆和混凝土低温性能受水泥相 、 集料 、 矿 物掺合料和外加剂影响。 由于混凝土的扩散、 迁移性能和耐久性 受孔结构控制， 因此混凝土孔结构成为影响混凝土低温性能和 冻融性能的主要因素。 3 1 超低 温环 境 下作 用机 理 在超低温下 ， 混凝土孔中的冰本身就是高强材料， 某些孔 溶液中所包含的溶解物也能提高冰的强度 。 而含冰的混凝土 抗压强度比不含冰的混凝土要高旧 ， 因此混凝土中的孔溶液随 外界温度下降不断结冰 ， 孔隙被强度较高的冰所填实 ， 抗压强 度不断增强直到孔溶液全部结冰。 此外， 冰一 亲水基质的黏附强 度随着温度降低而增强。 而大多数硅酸盐材料均为亲水基质， 因此湿润混凝土在负温下的剪切强度也得到很大提高 。 28 3 2劣 变机 理 尽管混凝土在超低温环境下的性能得到增强， 但经过多次 超低温冻融后的性能劣化严重。 大多数研究者认为， 冻融破坏是 由于混凝土中孔溶液的结冰膨胀和静水压力作用所致 ， 影响劣 化的主要因素是混凝土的孔结构。 研究发现 ， 低水胶比高性能 混凝土( H P C) 即使不加引气剂也比普通混凝土耐久性强 ， 而且 饱和HP C中的水在冬季不会全部结冰， 而且能在混凝土中进行 物质迁移和扩散。 造成这种现象的原因是由于混凝土中的孔是 以从纳米到微米 ， 甚至毫米连续分布， 而孔中溶液的冰点随对 应孔尺寸减小而降低2 o - 2 ” 。 对普通混凝土而言， 孑 L 中水在一 2 O 时已经结冰【 l 9 1 ， 这时结冰产生的膨胀会挤压孔壁而使材料出现 开裂 ； 对于大孑 L 较少的高性能混凝土和高强混凝土， 4 , ：f L 中的 孔溶液在低温条件下仍然为液体， 此时小孔不会受到结冰膨胀 压力的破坏， 但大孔中水结冰所产生的膨胀会将未结冰的水挤 向孔壁或更小的孑 L 中， 产生更高的静水压力旧 ， 造成混凝土内部 开裂。 此外 ， 水蒸汽也会从具有高蒸汽压的 b Z L 向低蒸汽压的大 孔扩散 ， 使混凝土内部形成负压 ， 加快 了水分向混凝土中迁移 的速度。 对于钢筋混凝土体系而言， 由于混凝土和钢两者的热膨胀 系数不同， 相互作用力也会出现差异， 尤其是饱和混凝土 。 冰 的形成导致了混凝土热应力出现或多或少的膨胀 ， 而普通钢筋 在 7 0 _ 1 6 5温度范围内热膨胀系数几乎恒定， 这就造成了混 凝土与钢筋之间的界面损坏 ， 饱和混凝土尤其明显。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4应 用现 状 随着全球液 化天然气 ( L NG) 供应 量快速 增长 ， 到 2 0 2 0年 有望达到 4 1 3 6 亿 t 。 其中， 我国到 2 0 1 5 年的天然气供应结构定 为国产 1 6 0 0亿 m 3 以上 、 净进口 9 0 0亿 m 2 4 1 。 目前， 全世界已 有 1 9 个国家建立了6 5 个 L N G接收站， 仅 日本就有 2 7 个 L N G 接收站。 我国也已有广州和福建两座 L N G投产， 在建和规划中 L NG项 目达 1 3个 。 关于 L NG储罐的设备设计与建造， 美 国、 欧盟、 日本等工 业发达 国家相继制定 了专 门的规范 ， 如 ： NF P A 5 9 A液化 天然 气( L NG) 生产、 储存和装运标准 、 ( BS E N 1 4 6 2 0 3操作温度在 0 - - 1 6 5之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储 罐的设计与建造混凝土构件 等。 但我国至今还尚未颁布专门 的大型低温L NG储罐设计与建造规范， 大多数 L N G工程仍参照 国外相关规范。 其主要原因是国内目前还没有对长期处于一 4 0 一 1 9 6严酷超低温环境混凝土建立起相应的测试平台。 尽管国 内有学者采用不同的手段模拟出超低温测试环境， 但由于试验 条件等因素不同， 如 ： 蒋正武【 5 采用超低温冻融箱， 叶建雄 采 用液氮， 谢剑 采用 自主设计制作的超低温加载环境箱， 研究结 论也存在差异。 而且此类混凝土的制备、 施工、 检测等关键技术 也仍亟待大量深入的研究与推广应用。 5结 语 为实现我国L NG建设的自主化和规范化， 有必要开展超低 温环境下混凝土的性能机理研究和相应的质量控制与施工技 术。 对于超低温环境下的混凝土性能已有大量国内外学者进行 研究， 其超低温性能主要与混凝土中毛细孔和集料缺陷大小、 孔结构、 含水量和所处最低环境温度有关， 但测试手段各异 。 因 此 ， 如何实现超低温环境模拟测试平台的标准化 ， 是目前急需 解决的技术难题。 参 考文献 ： 1 】C E N B S E N 1 4 7 3 -2 0 0 7 I n s t a l l a t i o n a n d e q u i p m e n t f o r l i q u e fi e d n a t - u r a l g a s d e s i g n o f o n s h o r e i n s t a l l a t i o n s S B ri t i s h ： B S I ， 2 0 0 7 2 N a t i o n al F i r e P r o t e c t i o n A s s o c i a t i o n N F P A 5 9 A S t a n d a r d for t h e P r o d u c t i o n ， S t o r a g e ， a n d H a n d l i n g o f L i q u e f i e d N a t u r a l G a s( L N G ) f s 】 Ame ric a n： Na t i o n a l F i r e P r o t e c t i o n As s o c i a t i o n， 2 0 0 6 【 3 MO N T E J O L ， S L O A N O， KO WA L S K Y MC y c l i c R e s p o n s e o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e Me m b e r s a t L o w T e m p e r a t u r e s J J C o l d r e g E n g r g ， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 7 9 1 0 2 4 】K HA Y A T K H， P OL I V K A M C r y o g e n i c f r o s t r e s i s t a n c e o f l i g h t w e i g h t c o n c r e t e c o n t Mn i n g s i l i c a f u m e J 1 9 8 9 ： 9 1 5 - 9 2 7 5 】 蒋正武， 李雄英 超低温下砂浆力学性能的试验研究 J 硅酸盐学报， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 4 ) ： 6 0 2 6 0 7 6 蒋正武， 李雄英， 张楠 超低温下高强砂浆强度发展 J 硅酸盐学报， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 4 ) ： 7 0 3 7 0 7 【 7 】D AH MAN I L ， KH E N AN E A， K A C I S B e h a v i o r o f t h e r e i n f o r c e d C O N c r e t e a t c ryo g e n i c t e mp e r a t u r e s J C ryo g e n i c s ， 2 0 0 7 ( 4 7 ) ： 5 1 7 5 2 5 【 8 8 C H AT F E R J I S As p e c t s o f t h e f r e e z i n g p r o c e s s i n a p o r o u s ma t e ri al- w a t e r s y s t e m P a r t 2 F r e e z i n g a n d p mp e i e s o f f r o z e n p o r o u s ma t e r i a l s J C e - me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 9 ( 2 9 ) ： 7 8 1 7 8 4 9 】B R O WNE R D， B A MF OR T H P B T h e u s e o f c o n c r e t e f o r c r y o g e n i c s t o r _ a g e： a s u mma r y o f r e s e a r c h， p a s t a n d p r e s e n t ， P r o c 1 s L I n t e m C o n f Cryo - g e n i e Co n c r e t e， Ne wc a s t l e u p o n T y n e ， 1 9 8 1： 1 3 5 1 6 2 1 0 RO S T A S Y F S， WI E D E MA NN G S t r e s s - s t r a i n - b e h a v i o u r o f c o n c r e t e a t e x t r e m e l y l o w t e mp e r a t u r e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 0 ， 1 0 ( 4 ) ： 5 6 5 5 7 2 1 1 R OS T A S Y F S ， P U S C H U S t r e n g t h and d e f o r m a t i o n o f l i g h t w e i g h t c o n - c r e t e o f v a ri a b l e mo i s t u r e c o n t e n t a t v e ry l o w t e m p e r a t u r e s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n al o f C e m e n t C o m p o s i t e s and lA G ， 1 9 8 7 ， 9 ( 1 ) ： 3 - 1 7 1 2 】 K R S T U L 0 V I C O P A R A N L i q u e f i e d N a t u r al Ga s S t o r a g e ： Ma t e ri al B e - h a v i o r o f c o n c r e t e a t c r y o g e n i c t e mp e r a t u r e s J A C I Ma t e ri a l s J o u r n al， 2 0 0 7 ( 5 6 ) ： 2 9 7 3 0 6 【 1 3 MI U RA T T h e p r o p e i e s o f c o n c r e t e a t v e r y l o w t e mp e r a t u r e s J Ma t e - r i als and S tr u c t u r e s ， 1 9 8 9 ， 2 2 ( 4 ) ： 2 4 3 2 5 4 1 4 R O S T A S Y F S ， S C H NE I D E R U， WI E D E MAN N G B e h a v i o u r o f mo rt a r a n d c o n c r e t e a t e x t r e me l y l o w t e m p e r a t u r e s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re - s e a r c h ， 1 9 7 9 ， 9 ( 3 ) ： 3 6 5 3 7 6 1 5 P L A N AS J ， C OR R E S H， E L I C E S M T h e r mal d e f o r m a t i o n o f l o a d e d c o n c r e t e d u ri n g t h e rma l c y c l e s f r o m + 2 0 t o 1 6 5 J J C e m e n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 8 4 ， 1 4 ( 5 ) ： 6 3 9 6 4 4 【 1 6 C H A TF E R J I S A s p e c t s o f t h e f r e e z i n g p r o c e s s i n a p o r o u s ma t e r i al w a t e r s y e m P a r t 1 F r e e z i n g a n d t h e p r o p e rt i e s o f w a t e r a n d i c e J C e - m e n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 9 ( 2 9 ) ： 6 2 7 6 3 0 1 7 N E I T H AL A T H N， S U MA NA S O O RI Y A M S ， DE O 0 C h ara c t e ri z i n g p o r e v o l u me ， s i z e s ， a n d c o n n e c t i v i t y i n p e r v i o u s c o n c r e t e s for p e rm e a b i l i t y p r e d i c t i o n J Ma t e ri a l s C h ara c t e ri z a t i o n ， 2 0 1 0 ( 6 1 ) ： 8 0 2 8 1 3 【 1 8 C H A T T E R J I S F r e e z i n g o f a q u e o u s s o l u t i o n s i n a p o r o u s me d i u m， P a r t l J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 5 ( 1 5 ) ： 1 3 2 0 【 1 9 J A C O B S E N S C a l c u l a t i n g l i q u i d t r a n s p o r t i n t o h i g h - p e r f o rmanc e c o n - c r e t e d u ri n g w e t fr e e z e t h a w J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e arc h ， 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 2 1 3 2 1 9 2 0 S UN Z h e n h u a ， S C HE R E R G WP o r e s i z e a n d s h a p e i n m o r t ar b y t h e rm o p o r o m e t r y J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 1 0 ( 4 0 ) ： 7 4 0 - 7 5 1 2 1 蒋正武 ， 张楠 ， 杨正宏 热孔计法表征水泥基材料孔结构的热力学计 算模型【 J J 眭 酸盐学报， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 2 ) ： 2 0 2 5 2 2 E L I C E S M， C O R RE S H， P L A N A S J B e h a v i o u r a t c r y o g e n i c t e m p e r a t u r e s o f s t e e l f o r c o n c r e t e r e i n f o r c e m e n t J A C I T e c h n i c a l p a p e r ， 1 9 8 6 ： 4 05 41 1 2 3 E L I C E S M， R O S T AS Y F S ， F A A S W M Wi e d e ma n n G C ryo g e n i c b e h a v i o u r o f ma t e r i al s for p r e s t r e s s e d c o n c r e t e J F I P s t a t e 0 f - 【 h e A r 【 R e - p o rt S l o u g h： We x h a m S p rin g， 1 9 8 2： 8 4 2 4 i立敏 国内外 L N G行业的变化与趋势叨 国际石油经济， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 5 7- 6 2 2 5 】 叶建雄 ， 陈越， 张靖， 等 水泥基材料超低温冻融循环试验研究【 J J _ 土 木建筑与环境工程， 2 0 1 0 ， 5 ( 1 0 ) ： 1 2 6 1 2 9 2 6 】 谢剑， 王传星， 李会杰 超低温混凝土降温回温曲线的试验研究 J J -1 氐 温建筑技术 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 - 3 作者简介 联 系地址 联 系电话 张楠( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 工学硕士， 研究方向： 主要从事超低温混 凝土、 绿色混凝土等。 北京市 页 义区林河大街 1 5 号( 1 0 1 3 0 0 ) 1 5 01 0 7 4 46 9 9 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m