溫度作用對(duì)石灰?guī)r的熱學(xué)與力學(xué)性能影響

張江昆，李 揚(yáng)*，蘇 瑜，蔡元奇

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

1 研究背景

石灰?guī)r作為一種常用的建筑材料，多用于混凝土的粗骨料，而從節(jié)省成本出發(fā)，液化天然氣儲(chǔ)存罐常需要采用混凝土材料，此時(shí)需要考慮由于液氮泄露導(dǎo)致混凝土處于超低溫環(huán)境下的問(wèn)題。此外地下的天然氣存儲(chǔ)也需要對(duì)巖石的超低溫性能做深入分析。核工程建設(shè)領(lǐng)域，在地下煤氣及地?zé)豳Y源等開(kāi)發(fā)中，則需要了解巖石在高溫環(huán)境下的熱學(xué)以及力學(xué)性能。由此可見(jiàn)開(kāi)展石灰?guī)r在超低溫下以及高溫條件下的熱學(xué)及力學(xué)性能進(jìn)行深入研究十分必要。

目前，中外已初步開(kāi)展了關(guān)于建筑材料在非常溫環(huán)境下的性能研究。在高溫領(lǐng)域，Zhang等[1]分析了高溫前后石灰?guī)r的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化及力學(xué)性能，初步提出有關(guān)石灰?guī)r彈性模量隨溫度的變化趨勢(shì)。曹瑞東等[2]對(duì)石灰?guī)r骨料在經(jīng)歷高溫后的力學(xué)性能壓碎值的變化規(guī)律等進(jìn)行了研究。有研究者通過(guò)試驗(yàn)分析了高溫下混凝土性能的變化規(guī)律和機(jī)理[3]、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[4]、瞬時(shí)熱應(yīng)變[5]并對(duì)線膨脹系數(shù)(coefficient of linear thermal expansion,CLTE)進(jìn)行了測(cè)試[6]。前人還圍繞高溫對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響及機(jī)理進(jìn)行了分析[7-9]。在低溫領(lǐng)域，研究主要圍繞低溫凍融循環(huán)條件下巖石彈性模量變化規(guī)律及細(xì)觀結(jié)構(gòu)、巖石內(nèi)部裂縫的變化，液氮凍結(jié)條件下巖石孔隙結(jié)構(gòu)損傷等[10-14]。綜上，由于溫度-荷載耦合作用下的材料性能試驗(yàn)方法尚不成熟。前人研究多針對(duì)經(jīng)歷高溫或超低溫作用后的材料性能進(jìn)行研究，而關(guān)于石灰?guī)r在超低溫及高溫下的熱學(xué)和力學(xué)性能的研究成果相對(duì)較少。

基于此，自主研發(fā)力-溫度同步施加試驗(yàn)裝置，利用電阻應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)，結(jié)合極端溫度下工程結(jié)構(gòu)性能研究課題組提出的原位補(bǔ)償法，分別測(cè)得超低溫與高溫下石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)；在此基礎(chǔ)上，充分利用試驗(yàn)箱精確的控溫效果和力獨(dú)立施加技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將溫度作用與力加載引起的變形有效分離；由此測(cè)得石灰?guī)r在不同溫度下由于力引起的應(yīng)變值，進(jìn)而計(jì)算得到-165～300 ℃內(nèi)石灰?guī)r的彈性模量及其隨溫度的變化規(guī)律，以期為變溫環(huán)境下相關(guān)工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能研究及應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試樣介紹

試驗(yàn)所用的石灰?guī)r取材于湖北咸寧，通過(guò)加工長(zhǎng)×寬×高=150 mm×10 mm×10 mm/150 mm×150 mm×10 mm的石材試件用于線膨脹系數(shù)測(cè)試；通過(guò)加工制成尺寸為長(zhǎng)×寬×高=100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件用于彈性模量測(cè)試；石英玻璃由東?？h昊天石英玻璃制品有限公司提供(純度99%)，以此作為線膨脹系數(shù)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)件。在每個(gè)用于測(cè)試線膨脹系數(shù)的試件上沿其長(zhǎng)度方向布置一個(gè)應(yīng)變片；在用于彈性模量測(cè)試的立方體試件[圖1(a)]表面周圍四個(gè)面形心位置，各沿荷載施加方向布置一個(gè)應(yīng)變片。此外在每個(gè)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)位置，同時(shí)布置一支熱電偶用于實(shí)時(shí)測(cè)試測(cè)點(diǎn)處的溫度。應(yīng)變片及相應(yīng)黏膠均選自日本TML生產(chǎn)的產(chǎn)品：低溫測(cè)試選用CFLA-6-350-11型超低溫應(yīng)變片，其室溫下電阻為350 Ω，靈敏度系數(shù)為2.0%±1%；底膠選用EA-2A；高溫應(yīng)變片選用ZFLA-6-11型高溫應(yīng)變片，其室溫下電阻為120 Ω，靈敏度系數(shù)為2.0%±1%；膠黏劑選用NP-50(聚酯膠)。熱電偶為PT100型。試驗(yàn)材料信息如表1所示。

表1 試件信息Table 1 Specimens information

圖1 試件示意Fig.1 Experiment specimens

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

1為數(shù)據(jù)采集儀；2為導(dǎo)線；3為試件；4為試驗(yàn)箱；5為拉桿；6為支撐裝置；7為保溫棉；8為外部支撐；9為支撐梯；10為鋼配重；11為連接裝置；12為加載裝置；13為地面；14為圓鋼；15為螺栓圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Experiment equipment

采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的低溫與高溫加載試驗(yàn)裝置各一臺(tái)(圖2)，箱體由江蘇無(wú)錫騰川儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)制作。該試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)在于：能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試試件溫度作用、力加載作用的獨(dú)立施加，同時(shí)預(yù)留通道實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件溫度以及應(yīng)變等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。在溫度控制方面，針對(duì)低溫試驗(yàn)箱，通過(guò)注入液氮降溫，降溫速率最快可達(dá)1 ℃/min，高溫試驗(yàn)箱則通過(guò)電熱管升溫，升溫速率可達(dá)5 ℃/min，兩臺(tái)試驗(yàn)箱均由控制臺(tái)設(shè)定目標(biāo)溫度實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，控溫精度±0.5 ℃。在荷載施加方面，利用鋼配重、箱體外連接裝置以及伸入試驗(yàn)箱中的加載裝置等實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的加載。鋼配重總質(zhì)量為3.2 t，從下至上共分7級(jí)，經(jīng)標(biāo)定，各級(jí)加載分別提供471、946、1 373、1 815、2 253、2 692、3 132 kN的力。數(shù)據(jù)采集采用TDS-530高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，最高采樣頻率為1 Hz。

2.3 試驗(yàn)方法

(1)針對(duì)低溫條件下的石灰?guī)r立方體彈模測(cè)試，將完成測(cè)點(diǎn)布置的3個(gè)石灰?guī)r立方體試件作為一組放入低溫箱加載裝置內(nèi)，另選擇同樣尺寸規(guī)格的立方體在其中心埋入熱電偶，由此實(shí)時(shí)監(jiān)控試件中心的溫度。降溫范圍為-165～0 ℃。由0 ℃開(kāi)始每降10 ℃，維持試件內(nèi)外溫度恒定一致(確保冷透)，待試件冷透時(shí)，進(jìn)行一次配重加載試驗(yàn)并完成數(shù)據(jù)的測(cè)試采集，重復(fù)上述步驟直至溫度降至-165 ℃。

(2)針對(duì)降溫條件下的石灰?guī)r線膨脹系數(shù)測(cè)試，將完成測(cè)點(diǎn)布置的試件放入試驗(yàn)箱，由0 ℃開(kāi)始每降10 ℃，維持試件內(nèi)外溫度恒定一致(確保冷透)，待試件冷透時(shí)，進(jìn)行一次應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，重復(fù)上述步驟直至溫度降至-165 ℃。

針對(duì)高溫條件下的石灰?guī)r彈模及線膨脹系數(shù)測(cè)試方法，與低溫測(cè)試方法基本一致。升溫范圍為30～300 ℃。每升高20 ℃，進(jìn)行一次加載試驗(yàn)及數(shù)據(jù)測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算方法

3.1 原位補(bǔ)償測(cè)試方法

材料線膨脹系數(shù)的測(cè)量方法，根據(jù)不同測(cè)量對(duì)象和目的主要分為試差法、光學(xué)干涉法、直觀法、X光測(cè)量法等。以上測(cè)量方法對(duì)被測(cè)試樣幾何形狀、尺寸規(guī)格要求嚴(yán)格且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，應(yīng)用電阻應(yīng)變片測(cè)量材料熱膨脹方法簡(jiǎn)便精度高，既可同時(shí)用于金屬與非金屬，也可以測(cè)高溫(400 ℃以下)與超低溫[15]。

采用電阻應(yīng)變片測(cè)線膨脹系數(shù)，其實(shí)際輸出的應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果，經(jīng)考慮待測(cè)試件上粘貼應(yīng)變片和變溫影響，以及應(yīng)變片與試件之間由于線膨脹系數(shù)差異引起的相對(duì)變形，可用式(1)表示：

(1)

式(1)中：εt為被測(cè)試件在某溫度t下的熱輸出；R為應(yīng)變片的電阻，Ω；ΔR為變溫條件下應(yīng)變片電阻值的差值，Ω；Ks為應(yīng)變片的敏感系數(shù)；φs為應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)，℃-1；α為試件的平均溫度線膨脹系數(shù)，℃-1；αs為應(yīng)變片的平均溫度線膨脹系數(shù)，℃-1；ΔT為溫差，℃。

以往的線膨脹系數(shù)測(cè)試方法中，將試件測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片與標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)變片通過(guò)半橋連接[15]。但考慮到同一時(shí)刻被測(cè)試件和標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)點(diǎn)附近溫度未必完全相同，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)試件的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)補(bǔ)償，因而提出原位補(bǔ)償?shù)乃悸罚翰捎?/4橋(虛擬電阻補(bǔ)償)分別連接試件和標(biāo)準(zhǔn)件，由此可以分別得到如式(2)、式(3)所示的試件及標(biāo)準(zhǔn)件熱輸出數(shù)據(jù)。

(2)

(3)

式中：α1為待測(cè)試件的平均溫度線膨脹系數(shù)，℃-1。α2為標(biāo)準(zhǔn)件的平均溫度線膨脹系數(shù)，℃-1。

由此，采用原位補(bǔ)償測(cè)試方法來(lái)計(jì)算石材的線膨脹系數(shù)：在待測(cè)石灰石試件上與石英玻璃上粘貼相同的應(yīng)變片，分別測(cè)得其熱輸出曲線，如圖3所示，將對(duì)應(yīng)同一溫度下，試件和標(biāo)準(zhǔn)件的輸出結(jié)果相減，最終得到實(shí)際試件的應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果公式如式(4)所示：

Δε=εt1-εt 2=(α1-α2)ΔT

(4)

進(jìn)而有：

(5)

圖3 線膨脹試件熱輸出與溫度關(guān)系Fig.3 The thermal output-temperature relationship of CLTE specimens

3.2 線膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果

石英玻璃作為標(biāo)準(zhǔn)件，在-200～1 000 ℃，石英玻璃的線膨脹系數(shù)如表2所示[16]，其隨溫度的擬合曲線如圖4所示。

表2 石英玻璃線膨脹系數(shù)Table 2 CLET of fused silica

圖4 石英玻璃在-200～300 ℃內(nèi)的線膨脹系數(shù)Fig.4 The CLTE of fused silica at temperature from -200 ℃ to 300 ℃

經(jīng)由如上原位補(bǔ)償方法，通過(guò)式(5)計(jì)算得出其線膨脹系數(shù)。以溫度為橫坐標(biāo)，以所有石灰?guī)r試件線膨脹系數(shù)為縱坐標(biāo)，得到其線膨脹系數(shù)隨溫度變化散點(diǎn)圖如圖5所示。從圖5中可以看出，石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)在-165～300 ℃與溫度為正相關(guān)的關(guān)系，降溫過(guò)程中，隨著溫度的降低，其平均線膨脹系數(shù)從7×10-6℃-1逐漸減小到0.98×10-6℃-1，下降百分比達(dá)到了86%。從在30～300 ℃的升溫過(guò)程中，隨著溫度的升高其平均線膨脹系數(shù)從3.12×10-6℃-1逐漸升高到4.94×10-6℃-1，上升百分比達(dá)到了58%。

圖5 石灰?guī)r線膨脹系數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)Fig.5 The CLTE variation of limestone with temperature

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得的不同溫度下線膨脹系數(shù)取平均值，如表3所示。

表3 試驗(yàn)所得石灰?guī)r在-165～300 ℃的線膨脹系數(shù)Table 3 CLTE of limestone at temperature from -165 ℃ to 300 ℃

3.3 彈性模量測(cè)試

3.3.1 計(jì)算方法

在不同溫度的加載情況下，電阻應(yīng)變片采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)由三部分組成:①試件在溫度影響下的應(yīng)變值；②應(yīng)變片本身電阻的影響；③由加載產(chǎn)生的應(yīng)變。在機(jī)械力和溫度共同作用下，所測(cè)得的總應(yīng)變?nèi)缡?6)所示：

(6)

式(6)中：εM為力引起的應(yīng)變。

從常溫變溫至某一溫度Ti時(shí)，將加載時(shí)實(shí)際輸出的應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果減去該溫度下未加載的應(yīng)變值，此差值正是在為待測(cè)試件在固定荷載作用下引起的試件應(yīng)變值，即：

ΔεTi=ε2Ti-ε1Ti=εMTi

(7)

式(7)中：εMTi為溫度Ti溫度下的力引起的應(yīng)變；ε1Ti為Ti溫度下未加載時(shí)的應(yīng)變值；ε2Ti為Ti溫度下加載時(shí)的應(yīng)變值。

設(shè)定試件受力截面面積為A，則在配重荷載N的作用下，溫度為Ti時(shí)的混凝土彈性模量ETi為

(8)

綜上，通過(guò)將測(cè)得的試件在各個(gè)穩(wěn)定溫度下受力與不受力時(shí)的應(yīng)變值做差，得到的各個(gè)溫度下對(duì)應(yīng)的ΔεTi，再結(jié)合已知的截面面積A和施加的壓力N，利用式(8)得到試件在溫度Ti時(shí)對(duì)應(yīng)的彈性模量ETi，從而確定試件彈模-溫度關(guān)系。

3.3.2 彈性模量測(cè)試結(jié)果

由圖6可知，石灰?guī)r在低溫-165～0 ℃降溫過(guò)程中，彈性模量變化有略微減小的趨勢(shì)，溫度降到-165 ℃時(shí)，彈性模量比常溫下降了10%。石灰?guī)r在30～300 ℃的升溫過(guò)程中，其彈性模量受溫度影響很大，呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)。溫度達(dá)到300 ℃時(shí)相對(duì)彈性模量下降了60%。

圖6 石灰?guī)r彈性模量隨溫度變化趨勢(shì)Fig.6 The Elastic modulus variation of limestone affected by temperature

4 結(jié)論

采用原位補(bǔ)償法測(cè)得高溫及超低溫下石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)和彈模隨溫度的變化趨勢(shì)，得到以下結(jié)論。

(1)低溫環(huán)境下，隨著溫度從0 ℃降低到-165 ℃時(shí)，石灰?guī)r線膨脹系數(shù)從7×10-6/℃逐漸減小到0.98×10-6℃-1，降幅達(dá)到86%；高溫環(huán)境下，隨著溫度由30 ℃升高300 ℃，石灰?guī)r線膨脹系數(shù)從3.12×10-6℃-1逐漸升高到4.9×10-6℃-1，增幅達(dá)到58%。

(2)石灰?guī)r在低溫條件下(-165～0 ℃)的彈性模量與常溫相比變化不大。整個(gè)降溫過(guò)程中，彈性模量有略微減小的趨勢(shì)，當(dāng)溫度降到-165 ℃時(shí)，其彈性模量比0 ℃時(shí)下降10%。

(3)高溫作用下(30～300 ℃)，石灰?guī)r的彈性模量會(huì)隨著溫度的升高而下降，當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，其彈性模量下降到常溫30 ℃下的60%。