低温混凝土导热影响因素的试验研究

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发布时间：2021-09-10

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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266580)
【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：①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；②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；③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】TU528．0 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2015)12—0004—03
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LNG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
为一40％和一162~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：
：
( + + 02T)． (1)
O r — cp、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，kJ／m·h·℃ 、ld／kg·℃ 、kg／m 。
文中定义中心点处温度的变化率为导热速度，
单位℃／min，即：
：= —a— (2Z)
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一160"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304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，该类型热电偶在一200oC～350℃范
围内使用较广。温度采集装置使用吉时利2700数字
采集器，测量精度可达0．0001℃。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C35，配合比如表1所示。试块分为三种：100mm立
方体，150mm立方体，直径d=175mm、高h=150ram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、一20、一30、一60、
一100、一120、一160~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、一20、
一100和一160~2温度下的试块进行了2O、15、2次和1
次冻融循环。
3 结果分析
3．1 含水率试验