超低温环境下钢筋混凝土材料性能试验研究

近年来，由于液化天然气越来越受到青睐，超低温下钢筋混凝土的性能研究越来越受到国内学者的重视。国内学者的研究主要集中于对国外相关文献的归纳总结，国内相关试验的具体数据相当有限；而国外研究资料因年代久远，且具有保密性，实际的试验数据很难获得。 本次课题在成功研制超低温试验降温保温装置、试验测试仪表设备的基础上，系统的研究了超低温下钢筋混凝土材料的力学性能，其内容主要包括超低温下混凝土、钢筋和钢绞线的材料性能，超低温下钢筋与混凝土、钢绞线与混凝土的黏结性能，超低温下箍筋约束短柱、钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁等构件的受力性能。除此之外，该课题还探究了超低温冻融下混凝土的强度、钢筋与混凝土黏结性能退化情况。 经过三年的研究，本课题为超低温钢筋混凝土材料性能的研究积累了大量的数据，并取得了一定的成果：混凝土的抗压强度随着温度的降低有显著的提高，尤其是在20℃~-120℃范围内基本成线性提高，但在-120℃之下的温度点则变化较小；混凝土的劈裂抗拉强度随温度的降低而提高，但其提高的程度要与抗压强度的提高不成比例；超低温环境下，混凝土峰值应变逐渐降低，近似呈线性关系，实测0.5fc处的割线模量线性增大；随着温度的降低，钢筋和钢绞线的屈服强度和极限抗拉强度都有不同程度的提高，钢筋的塑性降低，但钢筋弹性模量变化不大；钢筋、钢绞线与混凝土的极限黏结强度随温度的降低而增大，并于-120℃达到峰值；不同低温环境下，钢筋、钢绞线与混凝土极限黏结强度受到温度、相对保护层厚度、锚固长度等参数的影响；同一低温下，箍筋约束混凝土峰值应变随配箍特征值的增大呈线性增大，而弹性模量随配股特征值变化不大；低温条件下混凝土峰值应变减小，脆性增大，而通过增加体积配箍率可以适当提高混凝土的峰值应变和延性系数；随着温度的降低，钢筋混凝土梁及预应力混凝土梁的开裂荷载、极限荷载均有所增大，但延性降低，梁正截面计算的平截面假定成立，可按考虑温度效应后的规范公式计算钢筋混凝土梁的承载力等值；较常规冻融循环，超低温冻融循环损伤作用更大，-80℃时大约增加1倍，且损伤程度有随温度的降低而加重的趋势，但在循环次数较少的情况下，对高强混凝土影响相对较小；超低温冻融循环对钢筋与混凝土黏结强度的削弱程度要大于对混凝土强度的影响。 2100433B

LNG等低温储罐的设计自主化，以及混凝土结构在严寒地区的安全使用，要求掌握钢筋混凝土材料在超低温环境下的力学和结构性能。本项目将通过一套完整的试验方案，对钢筋（包括钢绞线）、混凝土材料在超低温环境下的材料性能进行系统研究，分析低温对钢筋混凝土材料力学性能及结构性能的影响机理；建立混凝土、钢筋及钢绞线在低温环境下力学性能模型及相互间粘结性能模型；并通过钢筋混凝土构件和预应力混凝土构件在低温环境下的结构性能试验，验证及修正材料性能模型。本项目的研究将有助于我国建立一套比较完整的、独立的低温环境下钢筋混凝土结构设计标准体系，提升我国在大型低温储罐设计领域的国际地位，促进混凝土结构在超低温环境下更加安全可靠的应用。

存储LNG（液化天然气）、液氧、液氮等超低温液体的储罐和超低温冷库的设计自主化，以及预应力混凝土结构在严寒地区的安全使用，要求掌握预应力混凝土在超低温环境下的材料性能和结构性能。本项目通过在超低温环境下的系列试验，研究超低温环境下混凝土力学性能增强机理和冻融损伤机理，提出混凝土最佳配合比建议；研究造成预应力损失的主要因素及超低温对其影响规律，建立预应力损失计算公式；研究预应力混凝土梁在超低温环境下的结构性能及冻融循环对其结构性能的影响，提出预应力混凝土结构在超低温环境下的设计计算方法和遭受超低温冻融循环后的受损模型。研究成果将促进预应力混凝土结构在超低温环境下的安全广泛应用，为制定LNG储罐及类似低温结构的设计标准提供有力的技术支持。

近年来，随着国家对能源需求的不断增长，引进和生产LNG（Liquefied Natural Gas，即液化天然气，是将在常压下为气态的天然气冷却至-165℃，使之凝结成液体）对优化我国的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护，实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。 本次课题在成功研制超低温试验降温保温装置、试验测试仪表设备的基础上，系统的研究了超低温下混凝土力学性能变化机理、超低温下钢绞线力学性能、超低温下钢绞线与混凝土的粘结性能、超低温下混凝土的热应变与收缩徐变、超低温下钢绞线线膨胀系数与应力松弛、超低温下混凝土构件预应力损失,并且进一步开展了超低温下有粘结以及无粘结预应力混凝土梁的试验研究以及有限元分析,该课题还探究了低温及冻融循环作用下钢筋混凝土轴心受拉构件裂缝开展情况并进行了有限元分析。 经过四年的研究，本课题为超低温环境下预应力混凝土材料及结构性能的研究积累了大量的数据，并取得了一定的成果：低温下随着含水率的提高，混凝土的抗压强度不断增加；抗冻剂掺量为2%时，可使混凝土的抗压强度得到提高；饱水状态下混凝土低温稳定阶段热应变率大于自然状态下混凝土，混凝土低温稳定阶段热应变率小于常温阶段；低温下温度对混凝土收缩的影响不明显，但混凝土的徐变随着温度降低而显著减小，且随温度降低徐变更快趋于稳定；钢绞线瞬间线膨胀和平均线膨胀系数随着初始应力的增大而增大，随着温度的降低而减小；钢绞线应力松弛随着温度的降低而减小，且其松弛速率也随着温度的降低而减小；在材性试验和构件试验的基础上，提出了低温下预应力损失的计算方法；且研究了超低温下钢绞线的力学性能，建立了低温下预测钢绞线力学性能的数值模型；随着温度的降低，钢绞线与混凝土间平均粘结强度增大；随着温度的降低，预应力混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载逐渐增大，且预应力混凝土梁的刚度有一定的提高；提出了一种能够模拟有粘结以及无粘结预应力混凝土梁低温下结构性能的有限元计算方法；低温条件下钢筋混凝土轴心受拉构件的平均裂缝间距较常温条件的平均裂缝间距有所增加。 2100433B