我国经济快速的发展和庞大的人口基数等导致能源需求量巨大。近年来酸雨、雾霾等环境问题引起了人们的高度重视，如何既满足人类生存和发展所需的能源需求又不影响环境成为国内外研究的热门领域。相关资料[1]显示：天然气在化石能源的比重1900—2013年的100年间由1%增至23%，并仍保持着较快的增长趋势[2]。目前我国的人均用气量不足西方发达国家的1/20，未来有很大的增长空间[3]。天然气热值高且燃烧产物无污染，成为近年来国内大力推广的燃料。除作为燃料外，天然气还是重要的化工原料，与丙烷、氨气、氢气等一起在化工、医药和环保领域发挥着重要作用。但这些气体原料的最大不足是常温气态的体积庞大，一般采用低温液态进行运输和储存。混凝土因其优异的低温性能近年来被广泛应用于液化天然气等的储罐结构。
已有的研究[4-9]表明:混凝土的受压强度在低温下有明显的提升。目前国内外关于这方面的研究仍较为分散，多基于最为关切的问题或因素进行探讨，较少考虑各因素的耦合作用，相关研究缺乏系统性，难以将各研究人员的试验结果进行对比分析，并且不同研究人员所给出的结果差别大且多存在局限性或特定前提条件，其可靠的定量结果较少。故对其进行系统化的探讨十分必要。
本文是清华大学混凝土超低温性能研究组的系列研究内容之一，通过控制变量的方法系统地探讨作用的低温及混凝土的强度等级、含水率等3个关键因素对混凝土低温受压强度的影响规律，并拟合出相应的耦合作用关系式。这些研究成果可为相关技术标准的编制或修订评估提供参考。
1 试验概况
1.1 试验内容及其试件
试验首先采用烘烤和浸泡对C30、C40和C50 3种设计强度等级混凝土试件进行不改变其内部孔隙结构和分布的含水率预处理，然后通过轴压试验获取其混凝土常温至-180 ℃的受压强度，进而给出作用的低温及混凝土的含水率、强度等级等3个关键因素对混凝土低温受压强度的影响规律。
所有试件均采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体形式、同批次制作。3种设计强度等级混凝土试件的配合比如表1所示。其中，水泥为P·O 42.5水泥，细骨料为河砂，粗骨料为碎石，掺合料为粉煤灰，减水剂为PCA(I)型的高效减水剂。
表1 混凝土配合比
Table 1 The mixture proportion of concrete kg
设计强度等级水泥粉煤灰砂石水减水剂C30283317641 1501721.57C40348397361 1051721.94C50418477061 0571692.33
试验共有195个棱柱体试件。其试验内容及其试件编号如表2所示。试件编号中，C30、C40和C50为其混凝土设计强度等级；CS表示进行受压强度试验；W1～W4分别表示不同的混凝土含水率状态且含水率依次升高；-40～-180 ℃分别为作用的低温。未标明混凝土含水率和作用的低温的试件为基准试件。为避免混凝土离散性对试验结果的影响，每个试验工况有3个试件。
表2 试验内容及试件编号
Table 2 Test contest and specimen number
试件编号加载时温度/℃试件编号加载时温度/℃C30CS-1～3C30CSW1-40-1～3C30CSW2-40-1～3C30CSW3-40-1～3C30CSW1-80-1～3C30CSW2-80-1～3C30CSW3-80-1～3C30CSW1-100-1～3C30CSW2-100-1～3C30CSW3-100-1～3C30CSW1-140-1～3C30CSW2-140-1～3C30CSW3-140-1～3C30CSW1-180-1～3C30CSW2-180-1～3C30CSW3-180-1～3C50CS-1～3C50CSW1-40-1～3C50CSW2-40-1～3C50CSW3-40-1～3C50CSW4-40-1～3C50CSW1-60-1～3C50CSW2-60-1～3C50CSW3-60-1～3C50CSW4-60-1～3C50CSW1-80-1～3C50CSW2-80-1～3C50CSW3-80-1～3C50CSW4-80-1～3C50CSW1-100-1～3C50CSW2-100-1～3C50CSW3-100-1～3C50CSW4-100-1～320-40-40-40-80-80-80-100-100-100-140-140-140-180-180-18020-40-40-40-40-60-60-60-60-80-80-80-80-100-100-100-100C40CS-1～3C40CSW1-40-1～3C40CSW2-40-1～3C40CSW3-40-1～3C40CSW1-80-1～3C40CSW2-80-1～3C40CSW3-80-1～3C40CSW1-100-1～3C40CSW2-100-1～3C40CSW3-100-1～3C40CSW1-140-1～3C40CSW2-140-1～3C40CSW3-140-1～3C40CSW1-180-1～3C40CSW2-180-1～3C40CSW3-180-1～3C50CSW1-120-1～3C50CSW2-120-1～3C50CSW3-120-1～3C50CSW4-120-1～3C50CSW1-140-1～3C50CSW2-140-1～3C50CSW3-140-1～3C50CSW4-140-1～3C50CSW1-160-1～3C50CSW2-160-1～3C50CSW3-160-1～3C50CSW4-160-1～3C50CSW1-180-1～3C50CSW2-180-1～3C50CSW3-180-1～3C50CSW4-180-1～320-40-40-40-80-80-80-100-100-100-140-140-140-180-180-180-120-120-120-120-140-140-140-140-160-160-160-160-180-180-180-180
1.2 试验装置和试验流程
试验装置主要包括自行研制的超低温试验炉及与之配套的2 000 kN加载试验机、制冷剂储存罐、量测与数据采集系统，以及用于混凝土含水率处理的浸泡水箱和程控高温试验炉等。
首先采用烘烤及浸泡两种方式得到不同混凝土含水率试件。其中，烘烤时按1 ℃/min的升温速率升至80 ℃时恒定不变至指定时间后关闭高温试验炉自然冷却至常温，浸泡时均将试件置于专用水箱至规定的浸泡时间。通过这种方式获取W1(约2.0%)、W2(约3.0%)、W3(约4.0%)和W4(约5.0%)等4种期望的混凝土含水率试件。试件作用的低温由超低温试验炉实施。该炉采用液氮作为其制冷剂，其最低工作温度可达-196 ℃，并可程控降回温速率以满足不同的低温作用工况要求。根据已有的研究结果[10]，为避免降温过程中试件出现较大的温度应力，按1 ℃/min的降温速率降温至指定的低温温度点，然后考虑混凝土的热惰性再恒温6 h以保证此时试件混凝土内外均达到指定的温度。达到规定的低温作用工况后对试件按8 kN/s的速率施加轴心受压荷载直至试件破坏。本次混凝土低温受压强度试验的流程如图1所示。
图1 混凝土低温受压强度试验流程
Fig.1 Procedure of concrete low-temperature compression strength test
2 试验宏观现象及其试件破坏形态
从试件表观看，低温作用后除其表面有一层白霜外均未发生明显的变化，但不同的低温作用和混凝土的含水率、强度等级试件的破坏特征有明显的差异。
所有试件的破坏形态相似、基本上呈对顶锥状的破坏形态，但其破坏面情况、破碎程度和破坏响声等有明显的不同。混凝土的强度等级和含水率越高、作用的低温越低，试件的脆性越明显、破坏响声更清脆响亮、破坏后碎裂的程度越高，破坏面粗骨料被劈裂现象也越明显。
2.1 作用的低温的影响
图2为设计强度等级C50混凝土试件常温及经历-40，-100，-160 ℃时受压破坏形态。从图中可见：常温试件破坏时残留的上下锥体保留得较为完整且大小也接近，表明试件没有明显的偏心破坏现象，上下受压面也基本完整。加载过程中裂缝出现和粗骨料劈裂破碎等导致的声响较小，破坏时的声响较沉闷。破坏后试件中部碎裂的残块多为体积较大的长条状，细碎的残块较少。随作用的低温降低，上下锥体的形态差异加大，基本上为上锥体残块较小、下锥体残块较大，且表现出一定程度的偏心破坏现象。锥体的完整性多被破坏，上锥体也变得越来越小。当作用的低温很低时，上锥体只剩下其核心部位的极小部分；下部锥体则多现纵向劈裂现象，受压面破碎更明显，如图2d所示。加载过程中也可听到少量断续状但较清脆的碎裂声。作用的低温越低，试件破坏的声响越大且更清脆，表现出明显的脆性破坏特征。这与常温作用的试件受压破坏特征有明显的不同。
a—常温加载； b— -40 ℃时加载；
c— -100 ℃时加载； d— -160 ℃时加载。
图2 不同温度时C50混凝土试件受压破坏形态
Fig.2 Failure modes of C50 concrete specimens under
compression at different temperatures
2.2 含水率的影响
图3为不同混凝土含水率试件-100 ℃时受压破坏形态。可见,当含水率较低时，受压破坏后形成的锥体较大，受压面也保持得比较完整。其碎块主要来自于试件中部的破坏且块体较大，破坏面粗骨料破碎现象不明显(图3a)。当含水率较高(W3)时，受压破坏形成的上下锥体破损严重且受压面也破碎不再呈完整状。其中，上锥体残块只剩其核心部位，下锥体也被竖向劈裂成多个条状碎块，其他碎块均细小，表现出上下承压板的环箍效应不再明显。破坏时发出更大和更清脆的响声且脆性明显增强。
a—C30CSW1-100-1试件； b—C30CSW3-100-1试件;
c—C40CSW1-100-1试件; d—C40CSW3-100-1试件。
图3 不同含水率混凝土低温受压破坏形态
Fig.3 Compression failure modes of concrete of different water contents
2.3 强度等级的影响
相比作用的低温和混凝土含水率影响因素，混凝土强度等级对试验宏观现象的影响要弱。其中，常温和作用的低温较高且混凝土含水率较低时的影响较为明显。对比图4a、图4b和图2a可看出:混凝土强度等级较低时，试件破坏时上下受压面完整，基本没有出现缺角等现象，甚至受压面附近的垂直棱边也较为完好；而混凝土强度等级较高时，试件受压面则出现了明显的缺角等破损现象，受压面附近垂直棱边也产生了破裂。由图4c和图4d看出:混凝土含水率相同，C50试件-40 ℃受压破坏时的上下锥体差异明显，且上下受压面均呈现一定程度的破碎；而C30试件则不明显。当混凝土含水率较高，由图2d、图3b和图3d可看出：不同混凝土强度等级试件作用的低温较低时的破坏形态比较接近。
a—C30试件; b—C40试件; c—C30CSW1-40-1试件；
d—C50CSW1-40-1试件。
图4 不同强度等级混凝土不同温度时受压破坏形态
Fig.4 Compression failure modes of concrete of different
strength grades at different temperatures
3 试验结果及其分析
为便于分析比较，将试验获得的混凝土低温受压强度除以基准受压强度平均值获取其低温相对受压强度λcs，然后根据不同的低温以及混凝土的强度等级、含水率下λcs探讨混凝土低温受压强度变化规律。
3.1 含水率的影响
图5～图7为不同强度等级混凝土低温相对受压强度λcs与其含水率w间关系。可见，随w的升高，λcs显著地增长。其线性拟合的相关系数大部分约0.8。这表明它们间呈明显的线性关系。当作用的低温较低且w较高时，λcs甚至能达到4(图5e)；而当作用的低温较高且w较低时，λcs几乎没有增长，甚至还有一定程度的下降(图6a和图7a)。这也与混凝土的常规冻融损伤相契合。因混凝土中水从常温到超低温同样将经历结冰膨胀然后再收缩过程，其膨胀阶段也是其冻融损伤发生的主要阶段。随作用的低温降低，混凝土中水结冰膨胀损伤作用将减弱，而冰对混凝土细观结构的改善作用却增强，进而产生正向的增强作用。
a—-40 ℃; b—-80 ℃; c—-100 ℃; d—-140 ℃; e—-180 ℃。
图5 C30混凝土不同低温时的λcs-w间关系
Fig.5 λcs-w relation of C30 concrete at different low temperatures
a—-40 ℃; b—-80 ℃; c—-100 ℃; d—-140 ℃; e—-180 ℃。
图6 C40混凝土不同低温时的λcs-w关系
Fig.6 λcs-w relation of C40 concrete at different low temperatures
a—-40 ℃; b—-60 ℃; c—-80 ℃; d—-100 ℃;
e—-120 ℃; f—-140 ℃; g—-160 ℃; h—-180 ℃。
图7 C50混凝土不同低温时的λcs-w关系曲线
Fig.7 λcs-w relation of C50 concrete at different low temperatures
a—C30混凝土; b—C40混凝土; c—C50混凝土。
—H1； 
—H2； 
—H3。
图8 不同强度等级混凝土的λcs-T关系曲线
Fig.8 λcs-T relation of concrete with different strength grades
3.2 作用的低温的影响
因每个试件的混凝土含水率各不相同，难以直接由试验结果剥离混凝土含水率的影响。为便于控制变量，这里不妨设定H1(含水率2%)、H2(含水率3.5%)和H3(含水率5%)等3种混凝土含水率， 将其分别代入到图5～7中的拟合式中，进而可得到3种强度等级混凝土不同低温下相对受压强度变化规律(图8)。从图8可看出:随作用的低温降低，3种含水率混凝土的λcs均大幅地增长，较为潮湿的H3含水率混凝土的λcs由-40 ℃时的1.6大幅地增加到-180 ℃的约4.0。不同含水率混凝土的λcs变化规律有所不同。对于较为干燥的H1含水率混凝土，λcs的变化可分为4个阶段：0～-40 ℃时处于冻胀损伤期。此时的λcs基本与基准受压强度持平或略有降低；-40～-100 ℃时为快速增长期。此时的λcs随作用的低温降低快速地增长，其中-100 ℃时的增幅可达80%以上；-100～-140 ℃时为缓慢增长期。此时的λcs仍有所增加，但增长速度远小于此前阶段；-140 ℃后则为稳定期。此时的λcs基本保持不变或者稍有所下降。对于正常(H2)和较潮湿(H3)含水率混凝土，λcs的变化也可分为4个阶段：0～-40 ℃时为低速增长期。此时的λcs增长较为缓慢；-40～-100 ℃时为快速增长期。此时的λcs随作用的低温降低而增长的速度明显地加快；-100～-140 ℃时为再次的低速增长期。此时的λcs增长速度与0～-40 ℃温度区间较为接近；-140 ℃后则为极低速增长期。此时的λcs随作用的低温降低增长速度进一步地降低，且不到前一阶段的一半。
已有的研究结果表明，混凝土的低温受压强度存在低温极值。所给出的极值点大多集中于-100 ℃附近。但试验结果表明:仅当混凝土含水率较低时才会在-100～-140 ℃区间出现其低温受压强度极值；而对于含水率较高的混凝土，其低温受压强度-180 ℃前却一直保持增长，只是在-100 ℃后的增长幅度大幅降低。从图5～图7的λcs-w间拟合式可看出:拟合直线的斜率随作用的低温降低逐渐增加。可见，作用的低温越低，混凝土的低温相对受压强度对其含水率变化愈发敏感。
3.3 强度等级的影响
图9为不同含水率下各强度等级混凝土的λcs-T间关系对比。可以看出，不同强度等级混凝土随作用的低温降低，λcs的变化趋势较接近，但增长的幅度有明显的差异。其他相同条件下，混凝土强度等级越高，λcs的增幅越小。例如，-180 ℃且较潮湿的H3含水率下，3种强度等级(C30、C40及C50)混凝土的受压强度分别为其基准试件的4.1、3.4和3.0倍。λcs的增幅差异与作用的低温及混凝土含水率相关。当混凝土含水率较低或者作用的低温较高时，它们间的差距较小，反之差距则迅速拉大。
a—H1含水率； b—H2含水率； c—H3含水率。—C30； —C40； —C50。
图9 不同含水率下各强度等级混凝土λcs-T关系
Fig.9 λcs-T relation of concrete with different water contents
4 关键影响因素耦合作用的混凝土低温受压强度
由图5～图7得到的混凝土λcs-w间拟合关系发现，混凝土的低温相对受压强度λcs与含水率w间满足λcs=aw+b形式的函数关系。并可见，随作用的低温降低，拟合直线的截距b在固定值0.75附近波动，可直接取值为0.75；而其斜率a则逐渐增大，由此可拟合出斜率a和作用的低温间函数关系。图10为3种强度等级(C30、C40及C50)混凝土的a-T间关系。
a—C30混凝土; b—C40混凝土; c—C50混凝土。
图10 3种强度等级混凝土的a-T关系
Fig.10 a-T relation of concrete for three strength grades
根据图10可知:a和T基本满足a=cln(-T)+d形式的函数关系，而c均随混凝土强度等级的提高而减小，d正好相反。所以可据此拟合出c和d关于混凝土基准受压强度S的函数关系，如图11和图12所示。得到的c和d关于S的函数关系式后再逐步回代，即可得到混凝土的λcs关于w、T和S的函数关系式：
λcs(w, T, S)=[(-0.39S+38.8)ln(-T)+
1.28S-121.4]w+0.75
(1)
式中：S为混凝土基准受压强度，MPa。
a—c-S关系； b—d-S关系。
图11 不同强度等级混凝土参数c和d与S间关系
Fig.11 Relationship between c, d and S
of concrete with different strength grades
a—C30混凝土; b—C40混凝土; c—C50混凝土。
—H1； 
—H2； 
—H3； ----拟合值。
图12 不同强度等级混凝土在给定含水率下
λcs-T关系及拟合曲线
Fig.12 λcs-T relation and fitting curve of concrete with
different strength grades under given water contents
为检验所获得的混凝土λcs函数拟合效果，将混凝土含水率H1、H2和H3，以及3种强度等级(C30、C40及C50)混凝土基准受压强度S和作用的低温T代入到式(1)中可得到不同强度等级混凝土在特定的混凝土含水率下随作用的低温的变化曲线，然后将其与图8的曲线进行对比(图12)。可以看出：拟合结果整体上可较好地反映出混凝土低温受压强度随作用的低温变化规律，除C40混凝土的拟合结果在部分作用的低温点稍微偏高外，其拟合曲线的整体结果稍偏小并偏于安全。
5 结束语
1)混凝土单次低温作用下无明显表观损伤，但低温加载时的宏观现象有明显差异。作用的低温越低、混凝土的含水率和强度等级越高时，试件破坏时的声响越大且清脆、其脆性更显著，偏心现象逐渐明显，破坏后上下锥体残块体积的差异也越大、碎块变得细碎，粗骨料被劈裂现象更明显。
2)混凝土低温受压强度大幅提升，作用的低温越低、混凝土的含水率越高和强度等级越低时提升幅度越大。关键影响因素中作用的低温和混凝土含水率起决定性作用，而混凝土强度等级影响稍弱。
3)混凝土低温受压强度与含水率间存在明显的线性关系，λcs-w拟合曲线的相关系数均在0.8左右。且随作用的低度降低，仅混凝土含水率较低时才会在-100～-140 ℃区间出现其低温受压强度极值，而含水率较高时混凝土的受压强度会在常温至-180 ℃间持续地上升。
4)由试验结果拟合的混凝土低温受压强度关于作用的低温及混凝土的含水率、强度等级等3个关键因素的耦合函数λcs(T,w,S)，可为相关规范的编制和修订及低温储罐类结构的设计和安全评定提供参考。
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