低温混凝土导热影响因素的试验研究.pdf

4 低温建筑技术 2 0 1 5年第 l 2期( 总第 2 1 0期 ) DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 1 2 0 0 2 低 温混凝 土导热影响 因素 的试验研究 盛余飞 ， 李金玲 ， 范燕平 ， 程旭东 ( 中国石油大学 ( 华东) 储运与建筑工程学 院， 山东青岛2 6 6 5 8 0) 【 摘要】 采用 自 主研制的超低温试验装置对不同低温情况下的立方体混凝土试块进行试验， 研究了含水 率、 冻融循环、 试块尺寸形状等因素对混凝土导热速度的影响。结果表明： 导热速度随含水率增大而增大， 且在 冰点以下变化更为显著 ； 导热速度随冻融循环次数的增多而增大， 超低温条件下更加严重； 大尺寸试块温降 速度慢 ， 圆柱形有利于减弱温差对试块的影响。 【 关键词】 混凝土； 导热速度 ； 低温及超低温； 含水率； 冻融循环； 形状尺寸 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 0 4 0 3 我国的建筑技术不断地向极端环境延伸， 其 中混 凝土在低温及超低温环境中被广泛应用 ， 如高寒冷地 区建筑， 大型 L N G储罐等特种结构 。混凝土受温 度影 响时 内部易 形成 不均匀 温度 场 ， 产 生温度 应力 ， 而混凝土脆性材 料的抗拉强 度很低 ， 故 容易在温 差条 件下出现裂缝。液化石油气和液化天然气沸点分别 为 一 4 0 和 一 1 6 2 C， 进行低温液体储存时要求混凝土 储罐必须具 备一 定 的稳定 性 和可预 测性 。因而研 究 低温及超低温下 混凝 土 材料 的性 能对 液化 天然 气储 罐等特种低温和超低温结构进行优化， 提高技术经济 指数和安全 可靠 度具 有重 要 意义 。文 中利 用试 验研 究了含水率、 冻融循环、 形状尺寸对低温及超低温环 境下混凝土导热速度 的影 响。 1 混凝土导热机理 温度传递方程是建立在能量守恒定律和傅里叶 热传导定律基础上的， 形式如下 ： ： ( + + 0 2 T ) ( 1 ) O r c p 、 a 。a 。 a z 式中 ， 为温度 ， ； t 为时 间 ， d ； ( ， Y ， ) 为直角 坐标， m； A、 c、 P分别为混凝土的导热系数 、 比热容及 质量密度 ， k J m h 、 l d k g 、 k g m 。 文中定义 中心 点处温 度 的变 化率为 导热速 度 ， 单位 m i n ， 即： ： ( 2 ) = ( Z ) a 2 试验设备及试验方案 2 1 试验设备 试验 在中国石 油大学 ( 华东 ) 土木 工程 实验 室进 行 。试验 目标温度最低达到 一1 6 0 C， 普通降温设备难 以实现， 采用 自主研发的超低温箱完成试验。箱体使 用3 0 4不锈钢制作， 保温材料为聚氨酯， 具有良好 的保 温效果 。装置 自带液氮 控制 阀， 通 过控制 液氮蒸 发量 自动控制箱 内温度。自带铂金温度传感器， 可实时测 定并显示 内部环境温度。降温试验全程在超低温箱 中进行 。 制作试块时在中心处预埋铜 一康铜热 电偶用 以 测量 中心点 温度 ， 该类 型热电偶在 一 2 0 0 o C3 5 0 范 围内使用较广。温度采集装置使用吉时利 2 7 0 0数字 采集器， 测量精度可达 0 0 0 0 1 。连接电脑后可自动 采集 并记 录测量数据 。 2 2 试件制作 本试验以青岛某公司的商品混凝土为原料 ， 强度 为 C 3 5 ， 配合比如表 1 所示。试块分为三种： 1 0 0 m m立 方体， 1 5 0 m m立方体 ， 直径 d =1 7 5 m m、 高 h =1 5 0 ra m的 圆柱体。混凝土试块制作时， 将热 电偶预埋在试块 中 心位置 ， 测定该点温度 。 表 1 商品混凝配合比 2 3 试验方 案 试验将混凝土试块置于超低温箱 中进行六面降 温 ， 测定 试块 中心 点处 的温度 ， 从 而计算 该 点 的平 均 导热速度 ， 并分析含水率 、 冻融循环次数、 试件尺寸及 形状等因素对混凝土导热速度的影响规律。文中提 及 的试验温度指环境温度 ， 设置 一 5 、 一 2 0 、 一 3 0 、 一 6 0 、 一 1 0 0 、 一1 2 0 、 一 1 6 0 C共七个温度 ， 待混凝土试块中心 温度趋近目标温度时停止试验， 同时分别对 一 5 、 一 2 0 、 一 1 0 0和 一 1 6 0 2 温度下 的试块进行 了 2 O 、 1 5 、 2次 和 1 次冻融循环 。 3结果分析 3 1 含水率试验 基金项 目 山东省 自然科学基金( Z R 2 0 1 2 E E L 2 3 ) ； 中央高校基本科研业务费专项资金 资助 ( 1 5 C X 0 5 0 0 4 A) 盛余 飞等 ： 低 温混凝土导热影 响因素 的试验研究 5 试验对比了饱和水和标准养护两种不同含水率 试块的降温情况， 测定试块 中心点的温度 ， 研究含水 率在不同温度下对混凝土导热速度的影响。试块均 为 l O O m m立方体， 试验温度为 一5 、一2 0 、 一6 0和 一 1 2 0 o C。饱 和水试块在水 中浸 泡 7 2 h ， 试 验前擦拭 去试 块表面浮水。经烘干试验测定 ， 饱和水试块含水率平 均为 6 ， 标准养护试块含水率平均为 3 3 ， 试验结 果如图 1 所示 。 喜 一5 饱和 一5 标准 一2 0 饱水 一2 0 标准 _ 6 O 饱和水 一 6 0 标准 一l 2 魄 水 一 1 2 O 标准 时间 rai n 图 l 不同温度饱和水试块和标准试块降温曲线 所有试块起始温度均控制在 2 0 C 左右， 两者降温 趋势一致， 而饱和水试块降温速度略快。将降温曲线 以冰点为分界点进行分段分析， 从图 1 可知 ， 试块温度 在冰点以上时 ， 两种试块的降温速度相近 ， 可知温度 高于 0 时， 含水率对导热速度影响较小。而当试块 温度低于冰点后， 饱和水试块的降温速度明显快于标 准试块。冰点以下， 以5 m i n 为一时间段计算平均导热 速度， 取最大值进行比较分析， 图2为不同温度下饱和 水试块和标准试块 的导热速度 曲线 。 芝 簧 岳 喜 时间 mi n 时间I n t i n 目 j l i! 霰 船 试验温度， 图2 不同温度饱和水试块和标准试块导热速度 由图2可知， 不同试验温度饱和水试块的导热速 度均大于标准试块 ， 故含水率越大 ， 混凝土的导热速 度越快。笔者认为固体、 液体和气体的导热速度依次 降低， 含水率提高后 ， 混凝土内部孔隙减少， 水代替了 部分空气 ， 温度低于冰点时水凝结成冰， 而冰的导热 速度大约是水的3 4 倍 ， 且结冰后混凝土内部连通性 提高， 从而提高了导热性能。超低温下冰的结构和性 质发生变化 ， 故温度越低 ， 导热速度越快。 3 2 冻融循环试验 对试 块进 行 冻 融循 环 试验 ， 试 块 为 l O O m m 立 方 体 ， 标准养护， 研究冻融循环对混凝土导热速度的影 响， 将试块中心温度降至试验温度后再恢复至室温这 一 过程视为一次冻融循环， 初次降温视为冻融循环 0 次。混凝土试块初始温度近似 2 0 C， 记录每次冻融循 环 时混凝土 中心温 度 的变化 并绘制 曲线 ， 试 验结果 如 图 3所示 。 赠 哥 赠 0 导 时间 mi n 图 3 不 同温度不同冻融循环次数降温曲线 时间 rai n 柏 加 0 柏 加 一 一 一1 1 6 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1 2期( 总第 2 1 0期) 结果 表明 ， 对于 一 5 和 一 2 0 的低 温环境下 ， 冻 融循环 2 0次和 1 5 次后 ， 混凝土 的导热速度变化不大 ， 可知低温下每次冻 融循环对混 凝土 内部 结构影 响小 。 而在 一1 0 0 和 一1 6 0 的超低温环境中， 冻融循环次 数 对导 热速 度影 响显著 ， 且 经冻 融循 环后 ， 试 块表 面 变得粗 糙 ， 后 期混凝 土强 度试 验 中试 块 的强度 骤减 ， 笔 者认 为过 大 的温差 产生 的温 度应 力导 致混 凝土试 块 内部 微裂 纹产生 ， 冻融循 环 次数越 多 ， 对混 凝 土的 损伤越严 重。文献 通 过微观检 验试验 得到 ， 冻 融循 环次数越 多 ， 裂缝 愈多 ， 而且 愈为扩 大。文献 给 出， 冻融循 环使 混凝 土 内微 孔 隙含量增 加 ， 密 实度 降低 。 这与本 试验 现象 吻合 ， 过大 的温差使 孔 隙 中水 结冰 ， 体积变大， 且在混凝土内部形成的温度应力， 最终导 致 裂缝 的产生 ， 严重 影响混凝 土 的耐 久性 。因此 超低 温环境下 ， 温度应力对 混凝土 自身性能 的破坏程 度显 著 ， 实际应 用 中应尽 量避 免 混凝 土 内部 形成 过 大 温 差 ， 同时减少 冻融循 环次 数 ， 以提高混 凝土 的耐 久性 和使用寿命 。 3 3 形状 尺寸试验 为研究混凝土导热速度 与尺 寸和形状 的关 系 ， 试 块分为三种 ： 1 0 0 m m立方体、 1 5 0 m m立方体和圆柱体， 标 准条件养护 ， 测量体 中心点处 的温度 。试 验温度 为 一 2 0 、 1 6 0 C， 控制试块初始温度2 0 C。 赙 时间 m i n 图 4 2 0 不同尺寸试块降温曲线 时间 r a i n 图 5 1 6 0 C 不同尺寸试块降温曲线 图 4和图 5分别 为 一2 0 C和 一1 6 0 三种 试块 的 降温曲线。可见 ， 1 0 0 m m立方体试块导热速度最大， 1 5 0 ra m立方体 次之 ， 圆柱 体导 热速 度最小 ， 尺 寸和 形 状对 导热速度影响很 大 ， 且影响程度 随温度 的降低 而 加剧。 一 2 0 和 一1 6 0 下， 1 0 0 m m立方体的导热速 度分别是 1 5 0 ra m立方 体的 1 7 8倍 和 2 1 8倍 ， 故导 热 速度与边长不是简单 的正比关系， 温度越低 ， 大尺寸 混凝土的隔热效果越突出。此外， 试块的形状影响着 导热速 度 ， 与 立方体 相 比， 圆柱体 能减弱 温度 对混 凝 土的影 响。 4结语 ( 1 ) 昆 凝 土 的导热 速度受 尺寸 和形状 的影 响 ， 试 块尺 寸越大 ， 导热 速度越 小 ， 但 导热速 度 和尺寸 非 正比关系， 温度越低 ， 影响程度越显著。立方体的角 部位置温度 变化快 ， 圆柱形相对 于立方体 可 以很好 地 减小 导热速度 。 ( 2 ) 文中给出混凝土试块在两种含水率情况下 的导热速度随温度变化关系， 含水率越高 ， 导热速度 越快， 冰点以下混凝土的导热速度受含水率影响更为 明显。 ( 3 ) 低 温下情 况 ， 冻 融循环 次数对 混凝 土 的导 热速度影 响微弱 ， 超低 温混凝土 导热速度受 冻融循 环 影 响严重 ， 且冻融次数越多 ， 导热速度越快 。 参考文献 1 张向民， 高亮 ， 曾志平 ， 高宝林 ， 张广义 青藏铁路多年冻 土地 区混凝土双片式 T型梁 日温差 变化 规律 J 中南 大学学报 (自然科学版) ， 2 0 1 3， 4 4( 1 1 ) ： 4 6 1 1 4 6 1 6 2 程旭东 ， 朱兴吉 L N G储罐外 墙温度 应力分 析及预 应力筋设 计 J 石油学报， 2 0 1 2， 3 3 ( 3 ) ： 4 9 9 5 0 5 3 M a t i nP r e z B S e r v i c e 1 i m o d e l l i n g o f R C h i g h w a y s tr u c t u r e s e x p o s e d t o c h l o ri d e s D U n i v e i t y o f T o r o n t o ， 1 9 9 9 4 S u s a n t a C h a t t e 6 i 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 m a t e r i a l wa t e r s y s t e m Pa n 1 F r e e z i n g a n d t h e p r o p e i e s o f wa t e r a n d i c e J C e m C o n c r R e s ， 1 9 9 9， 2 9 ( 4) ： 6 2 7 5 施士升 冻融循环对混凝土力学性能的影 响 J 土木工程学 报 ， 1 9 9 7， 3 0 ( 4) ： 3 5 4 2 6 李金玉， 曹建国， 徐文雨， 林莉， 关遇时 混凝土冻融破坏机理 的研究 J 水利学报 ， 1 9 9 9 ， ( 1 ) ： 4 1 4 9 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 2 5 作者简介 盛余飞( 1 9 9 2一) ， 男， 山东单县人， 硕士研究生 从事低温及超低温混凝土结构的研究工作。