泡沫玻璃磚超低溫受壓性能試驗研究

時旭東 呂 超 鄭建華 李金光 張?zhí)焐?/p>

(1清華大學(xué)土木工程系 北京 100084)

(2中國寰球工程公司 北京 100029)

1 引言

隨現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展造成的環(huán)境惡化加劇和人們環(huán)保意識的不斷提高，液化天然氣(LNG)作為一種清潔能源得到大量而廣泛的應(yīng)用。但在其運輸和儲存的過程中需對其儲存設(shè)施進行良好的隔熱保溫處理以維持其常壓液態(tài)溫度(約－165℃)狀態(tài)。泡沫玻璃磚因其密度低、強度相對較高、導(dǎo)熱系數(shù)小、抗凍性能好、耐腐蝕和易加工等性能［1］在LNG等低溫領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

泡沫玻璃材料是經(jīng)過預(yù)熱、熔融、發(fā)泡與退火等工藝制成的。其氣泡孔徑在0.1ˉ3 mm之間，孔隙率可達80%ˉ95%［2-3］。目前對其探討主要集中于其分類、生產(chǎn)工藝、保溫性能以及實際應(yīng)用等方面，缺乏其力學(xué)性能、尤其超低溫下的力學(xué)性能研究。在LNG等隔熱保溫工程中，盡管泡沫玻璃材料形成的塊材并不參與結(jié)構(gòu)受力、且自身容重很小，但因堆積高度多較高其自重荷載作用不可忽略，并還需考慮超低溫的影響，即泡沫玻璃磚還應(yīng)滿足一定的受力要求，否則可能導(dǎo)致其良好的隔熱保溫性能難以在這類工程中實現(xiàn)。故本文通過泡沫玻璃磚超低溫試驗研究獲知其受力變化規(guī)律，以便為其實際工程應(yīng)用提供依據(jù)。

2 試驗概況

試驗主要考察溫度、容重和制作精細程度對泡沫玻璃磚受壓強度的影響。作用的低溫值?。?90℃，并進行常溫試驗以便進行受力性能對比;容重是反映泡沫玻璃磚孔隙程度的重要指標(biāo)，不同容重相應(yīng)的受力性能有所不同，這里根據(jù)超低溫環(huán)境中實際應(yīng)用的容重范圍取兩種容重進行考察;泡沫玻璃磚的性能還與制作工藝水平有關(guān)，這里選擇其它條件相近僅制作精細程度有所不同的兩個廠家泡沫玻璃磚進行試驗比較。

試件按試驗要求隨機抽取尺寸為600 mm×450 mm×150 mm泡沫玻璃磚手工對稱裁切成尺寸為300 mm×225 mm×150 mm制成。其中，受壓面尺寸為300 mm×225 mm，受壓高度為150 mm?？紤]到泡沫玻璃磚受力性能離散性較大，每種工況的試件取6個。表1為試驗內(nèi)容及其試件編號。其中，試件編號PCS-#﹩-※-＆表示給定溫度為※℃的溫度作用工況下第＆個具有#類容重和﹩級精細制作的泡沫玻璃磚受壓試驗試件，如PCS-AA-190-2則表示作用溫度為－190℃的第2個具有A類容重(1.247 kN/m3)和A級(高)精細制作的泡沫玻璃磚受壓試驗試件。

表1 試驗內(nèi)容及其試件編號Table 1 Experiment contents and specimen numbers

泡沫玻璃磚低溫受力性能試驗裝置由清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所超低溫性能研究組自行研制，包括試件加載系統(tǒng)、低溫作用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)量測記錄系統(tǒng)3部分(圖1)。

圖1 泡沫玻璃磚低溫受壓試驗總體示意圖Fig.2 Schematic diagram of cryogenic compressive experiment

3 試驗宏觀現(xiàn)象

3.1 溫度的影響

常溫下試件加載過程中基本均有兩次明顯的爆裂聲，分別出現(xiàn)在試件開裂和破壞時。試件側(cè)面中部多出現(xiàn)連通的水平裂縫。隨荷載增加，該裂縫寬度明顯增大，并伴有魚刺狀的眾多細微裂紋出現(xiàn)(圖2)。部分試件破壞時表面剝落嚴(yán)重，局部壓碎，甚至整個試件碎裂成小塊(圖3)。其受壓面上破壞時均出現(xiàn)大量粉末狀物(圖4)。

圖2 常溫試件破壞水平裂縫Fig.2 Horizontal fracture of specimen at room temperature

試件超低溫作用過程中均有響聲，但其外觀未見有損傷現(xiàn)象。加載中爆裂聲的響度與次數(shù)均較常溫有所增加，但明顯的爆裂聲僅發(fā)生兩次。與常溫相似，兩次爆裂聲分別對應(yīng)于試件開裂與破壞。

圖3 常溫試件局部壓碎剝落Fig.3 Local failure of specimen at room temperature

圖4 常溫試件破壞時的受壓面Fig.4 Load face of specimen at room temperature

超低溫作用下各試件破壞形態(tài)基本相同，首先側(cè)面中部出現(xiàn)明顯的水平裂縫，然后加寬并在其上下出現(xiàn)眾多細微裂縫。試件除個別出現(xiàn)壓潰成塊狀現(xiàn)象外其余破壞時均較完整(圖5)。

圖5 超低溫試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure mode of specimen at cryogenic temperature

可見，常溫與超低溫試件的試驗宏觀現(xiàn)象基本相似，但超低溫下脆性明顯增強。

3.2 容重的影響

A類(高)容重試件加載時各側(cè)面中部存在明顯的水平裂縫，并最終因其發(fā)展而破壞(圖2)。而B類(低)容重試件加載時各側(cè)面中部也出現(xiàn)水平裂縫，但表面剝落嚴(yán)重(圖6)。

3.3 制作精細程度的影響

同容重的影響相似，A級(高)和B級(低)制作精細程度試件都因側(cè)面中部出現(xiàn)水平裂縫而破壞，但后者水平裂縫的發(fā)展不像前者那樣充分、且各側(cè)面剝落嚴(yán)重。

4 試驗結(jié)果及其分析

4.1 溫度的影響

常溫泡沫玻璃磚典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。從圖中可看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有兩次應(yīng)力峰值。首次應(yīng)力峰值發(fā)生于試件側(cè)面即將出現(xiàn)水平裂縫時，開裂后應(yīng)力急劇下降。但隨加載進行應(yīng)力仍能繼續(xù)增加，直至試件破壞。試驗獲得的常溫試件受壓強度平均值如表2所示。

圖7 常溫泡沫玻璃磚應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curve of specimen at room temperature

表2 常溫試件受壓強度試驗結(jié)果Table 2 Compressive experiment results of specimen at room temperature

表2中所取的極限荷載為加載過程的最大應(yīng)力。從表中可看出，PCS-BA-20-1ˉ6、PCS-AA-20-1ˉ6和PCS-AB-20-1ˉ6試件的開裂荷載較高，接近或等于極限荷載;而PCS-BB-20-1ˉ6試件的開裂荷載較低，其極限荷載要明顯高于開裂荷載。

超低溫泡沫玻璃磚典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。從圖中可看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線同常溫一樣存在兩個應(yīng)力峰值，分別對應(yīng)于開裂荷載與極限荷載。試驗獲得的超低溫試件受壓強度平均值如表3所示。

圖8 超低溫泡沫玻璃磚應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curve of specimen at cryogenic temperature

表3 超低溫試件受壓強度試驗結(jié)果Table 3 Compressive experiment results of specimen at cryogenic temperatur

可見，超低溫下泡沫玻璃磚的開裂荷載均低于極限荷載。

表4和表5分別為常溫與超低溫泡沫玻璃磚的開裂荷載及極限荷載對比表，表6為常溫與超低溫泡沫玻璃磚的極限荷載與開裂荷載之比。從這些表可看出:

(1)泡沫玻璃磚超低溫的開裂荷載低于常溫。因泡沫玻璃磚超低溫下脆性增強、變形能力減弱，在較小變形下即開裂，因而開裂荷載相對較低。

(2)泡沫玻璃磚超低溫的極限荷載一般也低于常溫。這表明超低溫不能提高試件的有效受壓面積，反而低溫作用使其裂縫增多、脆性增強，致使其極限荷載有所降低。

(3)泡沫玻璃磚超低溫極限荷載與開裂荷載之比明顯高于常溫，前者可達125%ˉ130%而后者則大多不超過105%。這表明泡沫玻璃磚超低溫的開裂并不是其承載力達到極限狀態(tài)。當(dāng)取開裂荷載作為泡沫玻璃磚的設(shè)計強度時，應(yīng)注意常溫和超低溫作用下強度儲備的差異。

表4 常溫與超低溫的開裂荷載對比Table 4 Comparison of cracking load at room and cryogenic temperature

表6 常溫與超低溫的極限荷載/開裂荷載Table 6 Comparison of ultimate/cracking load at room and cryogenic temperature

4.2 容重的影響

常溫下A類(高)和B類(低)容重試件典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9和圖10所示，超低溫下則如圖11和圖12所示。從圖中可看出，無論溫度高低，B類(低)容重試件加載過程均較長，整個應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈波動狀，表明除明顯開裂導(dǎo)致應(yīng)力巨變外開裂后還存在較大的塑性變形和其它裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展;而A類(高)容重試件也有波動但很少，破壞較為迅速、呈明顯的脆性，表明一旦出現(xiàn)裂縫便預(yù)示基本達到其極限狀況，開裂后其塑性變形能力相比B類明顯地低。

圖9 B類容重常溫試件典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curve of specimen with bulk density B

圖10 A類容重常溫試件典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Stress-strain curve of specimen with bulk density A

圖11 B類容重超低溫試件典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Stress-strain curve of cryogenic specimen with bulk density B

圖12 A類容重超低溫試件典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Stress-strain curve of cryogenic specimen with bulk density A

兩者強度對比見表2及表3，可得以下結(jié)論:

(1)泡沫玻璃磚強度與容重密切相關(guān)。常溫與超低溫下，A類(高)容重試件開裂荷載與極限荷載均明顯高于B類(低)容重試件。高容重的泡沫玻璃磚因其孔隙率低、密實度高，使其無論常溫還是超低溫的強度均顯著提高。

(2)常溫和超低溫度下B類(低)容重泡沫玻璃磚開裂后破壞過程均較長、且后期應(yīng)力還將增長。這主要由于低容重泡沫玻璃磚孔隙率高，孔隙易損且造成的應(yīng)力變化平緩，進而使應(yīng)力重分布較為充分，使得開裂后其應(yīng)力不降反而繼續(xù)增長。

4.3 制作精細程度的影響

常溫下具有A級(高)和B級(低)制作精細程度試件典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7和圖13所示，超低溫下則分別如圖11和圖14所示。從圖中可看出，制作精細程度對泡沫玻璃磚的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律影響不明顯，B級(低)制作精細程度試件應(yīng)力波動幅度比A級(高)制作精細程度試件稍小。

圖13 B級制作精度常溫試件典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.13 Stress-strain curve of specimen with production level B

圖14 B級制作精度超低溫試件典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.14 Stress-strain curve of cryogenic specimen with production level B

結(jié)合表4、表5及表6可看出不同制作精細程度的影響:

(1)B級(低)制作精細程度下試件破壞的離散性大，有些破壞過程可能與正常情況不符，如編號為PCS-AB-190-1ˉ6的試件無應(yīng)力二次增長，一次開裂即造成破壞。

(2)相同容重的A級制作精細程度試件的開裂荷載與極限荷載均高于B級制作精細程度試件，這表明不同生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)過程控制對試件受力性能存在影響，高制作精細程度可減少試件內(nèi)部缺陷，提高其受壓強度。

5 與混凝土受壓性能的對比

混凝土立方體試件典型的破壞形態(tài)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖15和圖16所示［4］。與上述試驗獲得的泡沫玻璃磚受壓性能對比可看出:

圖15 混凝土典型破壞形態(tài)Fig.15 Typical failure mode of concrete

圖16 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.16 Typical stress-strain curve of concrete

(1)裂縫出現(xiàn)對試件受力影響程度不同。常溫與多數(shù)超低溫下泡沫玻璃磚開裂時瞬間應(yīng)力大幅跌落隨后又急速恢復(fù)甚至不斷增加，整個應(yīng)力-應(yīng)變曲線帶有明顯的峰谷緊鄰波動;而混凝土裂縫開始出現(xiàn)時并不在其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力降低，更無應(yīng)力降低還有回升現(xiàn)象，僅表現(xiàn)出塑性變形特征，整個應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈較光滑、連續(xù)狀。

(2)裂縫出現(xiàn)的位置和走向不同。泡沫玻璃磚基本上首先出現(xiàn)位于其中部的橫向裂縫，且最終因橫向裂縫不斷地發(fā)展而破壞;而混凝土的裂縫則首先出現(xiàn)在試件中部然后斜向向上下受壓面周邊延伸，最終形成八字形裂縫［5］。

(3)試件的破壞形態(tài)不同。泡沫玻璃磚破壞主要表觀特征是其中部形成與上下受壓面近乎平行的水平環(huán)形帶狀裂縫，即使出現(xiàn)剝落，也僅限于試件角部;而混凝土則為典型的對頂錐破壞狀，裂縫發(fā)展較充分，剝落主要集中在試件中部。

(4)超低溫下性能變化不同。超低溫作用的混凝土性能較常溫有較大程度的改變，其抗壓強度隨溫度降低提高明顯［6］。這主要由于混凝土孔隙水結(jié)冰使其不斷密實［7］;而泡沫玻璃磚雖屬多孔材料，但制作使用過程孔隙不含水，超低溫下不會出現(xiàn)類似混凝土的情況，反而由于其本身材料的低溫脆性提高，使其受力性能有所惡化。

泡沫玻璃磚和混凝土這兩種材料出現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象和破壞形式等差異的原因主要在于前者的泊松比顯著高于后者，且單軸受壓下處于較大變形狀態(tài)。泡沫玻璃磚作為一種多孔泡沫材料，其泊松比平均值在1/3左右［8］，而混凝土則多小于0.2。故其受壓過程中的橫向變形將更為顯著。由于受制于受壓面摩擦阻力，將在泡沫玻璃磚各側(cè)面中部形成豎向拉力。當(dāng)該拉力達到泡沫玻璃磚受拉強度時必然在此位置出現(xiàn)水平環(huán)向裂縫，進而形成有別于混凝土的破壞形式。

6 結(jié)語

通過泡沫玻璃磚常溫與超低溫單軸受壓試驗，并與混凝土相關(guān)性能對比，可得出如下結(jié)論:

(1)泡沫玻璃磚常溫和超低溫受壓基本上首先出現(xiàn)位于其中部的橫向裂縫，其破壞形態(tài)均呈水平環(huán)形帶狀。

(2)泡沫玻璃磚常溫和超低溫受壓均出現(xiàn)開裂瞬間應(yīng)力大幅跌落隨后又急速恢復(fù)甚至不斷增加現(xiàn)象。實際工程泡沫玻璃磚的應(yīng)用時應(yīng)采用其開裂強度作為其強度設(shè)計值。

(3)泡沫玻璃磚的超低溫受力性能有所惡化，受壓脆性明顯;泡沫玻璃磚常溫和超低溫受壓性能均與容重關(guān)系密切。容重越大，其強度越高，但脆性更明顯;泡沫玻璃磚制作精細程度對其受壓性能影響不明顯。一般制作精細程度低的離散性大且受壓強度要低。

(4)泡沫玻璃磚常溫和超低溫受力性能明顯不同于混凝土，實際工程應(yīng)用時必須考慮其自身的受力特性，以便使其可靠地作為一種新型保溫材料應(yīng)用于諸如LNG等工業(yè)領(lǐng)域中。

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