超低温区间温度循环作用下混凝土受压性能研究

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为满足液化天然气储罐(Liquefied Natural Gas,简称LNG)大型化和经济化的发展趋势,考虑开展LNG全混凝土储罐(ALL Concrete Tank,AC-Tank)的研究工作。作为内罐主要材料的混凝土,在正常运行工况下将经受超低温区间反复的温度循环作用,而现阶段混凝土在LNG超低温环境(-165℃)温度循环作用下的研究较为匮乏。因此,本文在对AC-Tank温度场进行有限元分析的基础上,对混凝土遭受超低温区间温度循环作用后的受压性能进行试验研究。本文结合有限元分析结果,重点对混凝土在经历不同的超低温区间温度循环作用下的受压性能进行试验研究。利用有限元分析软件,建立AC-Tank的温度场模型,考虑不同储液高度,提取储罐正常运行状态下不同时间和不同位置处混凝土所经历的温度区间结果。试验考虑不同温度区间(变上限温度、变下限温度、循环温差)、不同循环次数以及不同含水率的影响,探索混凝土受压性能指标的变化规律,分析对比试验数据,得到循环温度作用对抗压强度、弹性模量和峰值应变的影响规律,为AC-Tank结构设计提供支撑。根据有限元分析和试验结果,得到以下结论:在储罐的正常运营状态下,混凝土内罐壁温度场随LNG液位变化存在不同情况。沿罐壁高度方向上,内外侧温度随液位的升高而降低,罐壁在液位高度一定范围内随液位的改变存在不同的温度梯度。在不同液位高度工况下,混凝土内罐内侧到外侧的温差可达178℃,罐壁始终存在受到不同低温区间反复循环作用的区域。混凝土在不同的超低温区间内,受压性能表现有所不同。其中,在变上限温度的超低温区间内,强度随循环次数的增加而减小,弹性模量随循环次数的变化规律大体与抗压强度相接近,峰值应变随着循环次数的增加,呈现先增大后减小的趋势。在变下限温度的超低温区间内,混凝土经历温度循环作用后的强度损伤较小。考虑含水率对混凝土受压性能产生明显影响:干燥和自然状态混凝土的峰值应力和弹性模量损伤程度趋势接近;浸泡状态混凝土峰值应力和弹性模量均出现了增长现象。本文研究表明,超低温环境下混凝土的受压性能受温度循环作用和含水率的影响较大,研究结果可为AC-Tank的安全设计和评估提供有力依据。
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