姚周飞， 杜习周， 王叶娇， 张政

(1.国网上海能源互联网研究院有限公司， 上海 200003； 2.上海大学力学与工程科学学院， 上海 200444)

高温超导电缆在液氮温度的传输电流密度比铜导线高至少两个量级，且采用无污染和火灾隐患的液氮作为冷却介质，在现有电力系统升级和新电力系统建设中具有重要的应用前景[1]。高温超导电缆在挂网运行中，存在着正常运行微泄露、外力破坏泄露、超导电缆短路放电击穿泄露三种情况[2]。当用于冷却的液氮介质泄露后，将会使得混凝土管线槽遭受极低温冻融作用，对混凝土的物理力学性质造成影响。

超声波在混凝土大坝、灌注桩以及桥墩等质量检测中广泛应用，具有检测设备简单、穿透能力强、便于操作以及检测成本低等优势[3]。Masayasu[4]利用超声波对测法测量了不同冻融次数混凝土的相对弹性模量，并结合单轴抗压试验验证了超声波用于混凝土弹性模量无损检测的可行性。寇佳亮等[5]采用超声波平测法对经历不同冻融循环次数的高延性混凝损伤层厚度进行了测定，并建立了高延性混凝土损伤抗压强度模型。Yan等[6]通过超声波试验得出硅粉混凝土的超声波波速与动弹性模量随着冻融循环次数增加呈现出一致的降低趋势。

冻融循环作用下混凝土力学性能的研究中，程猛等[7]通过冻融循环试验研究了纤维与粉煤灰掺料对混凝土抗压强度与相对动弹性模量的影响，适量的掺料对混凝土的抗冻性能有改善作用，但整体上仍呈现出劣化趋势。混凝土极低温冻融的宏观力学特性方面，时旭东等[8-9]以液化天然气储罐混凝土的极低温作用为研究背景，通过单轴压强度试验，研究了不同强度等级与超低温温度区间作用下混凝土的抗压强度，研究结果表明，在相同的冻融温度区间内，不同强度等级混凝土抗压强度均随着冻融次数的增加呈现出波动状的恶化态势；另一方面，C50强度混凝土经历不同超低温温度区间冻融循环后，下限温度越低，混凝土的累积损伤越严重。周大卫等[10]通过低温循环单轴和三轴试验对比研究了C60混凝土与自制的高强耐低温混凝土的抗压强度，试验结果表明液氮冻融循环作用后，两者的强度均随着冻融次数的增加逐渐降低。

核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)在混凝土冻融损伤微观结构研究方面，薛慧君等[11]利用NMR技术分析了风积沙混凝土经历冻融作用后孔隙的演变特征，经过冻融循环后，其孔隙度和渗透率均增大，孔径大于100 nm孔隙的增多以及孔径小于10 nm孔隙的减少，加剧了混凝土的冻融损伤。杨晶[12]利用NMR对不同冻融次数的混凝土试件进行了扫描，通过T2分布谱发现随着冻融次数的增加，T2谱的面积呈现出初期增速较快，后期增速减小的规律，混凝土内小孔孔隙的含量随冻融次数的增加而减小，大孔隙含量随着冻融次数的增加而增加。Zhang等[13]利用NMR试验测量了冻融循环后混凝土的微观孔隙结构，结果表明，混凝土的孔隙率以及中孔和大孔的比例随着冻融循环次数的增加逐渐增加，混凝土孔隙率变化的损伤模型能够定量表征宏观力学性能的退化规律。

综上，超声波检测与核磁共振试验在混凝土无损检测中广泛应用，现将通过超声波检测试验、核磁共振试验以及混凝土单轴抗压强度试验，研究液氮泄漏引起的极低温工况下超导电缆管线槽混凝土物理力学性质的变化规律，研究对于超导电缆运营前的安全评估以及液氮泄漏后的紧急抢险处理具有重要意义。

1 混凝土试块冻融试验

1.1 混凝土试块制作

混凝土试块尺寸规格为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，强度等级为C25，制作及养护参照现行的混凝土规范及标准，由混凝土管线槽制作的商品混凝土搅拌站制作并在饱和的石灰水溶液中养护至龄期。

1.2 混凝土试块冻融

制作好的试块，选取8组质量相近、无明显外观缺陷的混凝土试块，每3个为一组，分别编号为A～H，其中每组选择一个混凝土试块作为参照，不做冻融处理(详见2.2节)，其余试块分别按照设定的冻融次数进行冻融处理，试验用混凝土冻融容器见图1。其中一个10 L大口径液氮罐用于混凝土冻融反应，两个20 L液氮罐用作储存液氮，保证混凝土试块在冻的过程中稳定的极低温工况。混凝土冻融时长分布为冻4 h，融8 h。

图1 用于液氮冻融反应的容器Fig.1 Container for liquid nitrogen freeze-thaw reaction

1.3 混凝土冻融后表观特征的变化

混凝土试块刚开始放入液氮中时会听见液氮剧烈沸腾的声音，混凝土试块冻融结束拿出液氮反应容器时会听见混凝土试块“噼里啪啦”的响声且混凝土试块表面在较短时间内有明显的挂霜现象(图2)。

图2 混凝土试块冻融试验Fig.2 Freeze-thaw test of concrete

与未冻融的试块相比，冻融后的混凝土试块表面均未出现可见裂缝、缺角现象，试块质量无显著变化，但混凝土试块表面存在部分细骨料脱落形成的细小孔洞，试块表面颜色无明显变化。

2 混凝土超声波检测试验

2.1 试验仪器及试验原理

2.1.1 试验仪器

试验用“GTJ-U200型”混凝土超声波回弹仪符合《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》(T/CECS 02—2020)，广泛应用于各类建筑工程普通混凝土抗压强度的无损检测，图3为“GTJ-U200型”混凝土超声波回弹仪实物图。

图3 “GTJ-U200型”混凝土超声波检测仪Fig.3 “GTJ-U200” concrete ultrasonic detector

“GTJ-U200型”设备采用了先进的传感器以及ARM(advanced reduced instruction set computer machine)微处理器，声速与声时测量准确可靠，其示值误差为±0.1 μs，超声波换能器的工作频率为5 Hz～500 kHz，工作的环境温度为-10～40 ℃。

2.1.2 试验原理

超声波仪产生高压电脉冲，激励发生换能器内的压电晶体获得高频声脉冲，声脉冲传入混凝土介质中，由接收换能器接收通过混凝土传来的声信号，测出超声波在混凝土中传播的时间，最后由游标卡尺测出超声波的传播距离，可换算出超声波在混凝土内的传播速度。对于一定配合比的混凝土，混凝土的强度越高，超声波的波速越大，反之越小[14]。

2.2 试验步骤

2.2.1 冻融前测量

先用小刷子刷去混凝土试块表面的灰尘及浮浆，为方便超声波换能器的贴合与对中，选择两个平整度良好的相对面，用记号笔标记处两个面的中心点，并用游标卡尺测量出两个对立面的距离作为超声波的传播距离L，设定好相关参数后，通过三次测量，记录到超声波在混凝土内传播的声时t1(μs)，并计算出超声波在混凝土内的传播波速v1(km/s)。每组中选取超声波传播波速v1为中间值的混凝土试块不做冻融处理，作为参照组。

2.2.2 冻融后的测量

冻融后的测量与冻融前的操作方法相似，记录混凝土试块不同冻融次数混凝土试块的传播声时t2(μs)，并计算超声波传播波速v2(km/s)。

2.3 试验结果

对冻融后超声波传播的波速取平均值，整理冻融前后超声波的传播波速变化以及波速下降比见表1。

表1 冻融前后超声波波速传播的变化规律Table 1 Variation of ultrasonic wave velocity before and after freezing and thawing

整理表1的试验数据，以不同组的混凝土试块的编号为横轴，以超声波传播速度的平均值为纵坐标绘制柱状图，得到不同组混凝土试块在冻融前后的超声波波速分布规律，冻融作用前后，各组混凝土试块超声波波速变化规律见图4。

图4 冻融作用前后各组试块超声波波速的变化规律Fig.4 Variation of ultrasonic wave velocity before and after freezing and thawing action

为直观地反映经历不同冻融次数混凝土试块的超声波波速变化规律，将混凝土超声波波速下降比随冻融次数的变化规律整理见图5。

图5 混凝土超声波波速下降比随冻融次数的变化规律Fig.5 Variation of ultrasonic wave velocity of concrete with the increase of freezing and thawing cycles

2.4 试验结论

从图4中灰色柱状图可以看出，混凝土试块的超声波波速受到混凝土试块制作以及测量的误差，存在着波动趋势，但整体分布均匀，说明混凝土试块内部的密实度差异较小；从图4与图5可以看出，混凝土试块的超声波的波速经历不同次数的冻融后，存在着不同程度的降低，并且整体表现为随着冻融次数的增加，超声波波速下降越明显，说明冻融作用使得混凝土内部密实程度降低或者混凝土表面产生了孔洞。

3 混凝土单轴抗压试验

混凝土的外在宏观性能是微观结构的直接反映，其优劣直接影响着混凝土的耐久性[15]。混凝土单轴抗压强度作为混凝土结构设计的重要参数，研究不同冻融次数下混凝土的单轴抗压强度具有重要的意义。

3.1 试验设备与试验步骤

3.1.1 试验设备

试验设备为上海大学结构力学试验室“200 T电液伺服结构加载机”，该设备具有精度高，操作便捷的优点。伺服液压试验机配套的数据采集系统可以采集混凝土试块加载过程中荷载与位移数据，并绘制荷载-位移曲线，伺服液压试验机及其配套的数据采集系统见图6。

图6 伺服万能试验机及其数据采集系统Fig.6 Servo universal testing machine and its data acquisition system

3.1.2 试验步骤

将待测试的混凝土试块放在加载平台上，与上加载板对中后，在软件控制端设置加载速率0.3 MPa/s，整个加载过程中，数据采集系统持续采集混凝土试块的荷载与位移数据，最后将采集到的不同编号混凝土试块的数据导入Excel表格中。

3.2 试验结果

3.2.1 混凝土试块的破坏形态

经历不同冻融次数后的混凝土试块在破坏前发出的声响较未冻融试块更加“沉闷”，混凝土试块的最终破坏形态均呈现出较为规则的对顶锥状，见图7。

图7 混凝土试块加载及破坏形态Fig.7 Loading and failure mode of concrete block

3.2.2 荷载与位移关系曲线

依照混凝土强度检验评定标准(GB/T 50107—2010)，对边长为100 mm的混凝土试块取强度折减系数为0.95[16]。为对比混凝土试块超声波波速与单轴抗压强度的关系，将超声波波速数据与混凝土单轴抗压强度数据整理到表2。

根据表2绘制得到的未冻融试块的强度分布规律与冻融作用后混凝土试块变化规律见图8。

表2 混凝土试块超声波波速与单轴抗压强度随冻融次数的变化规律Table 2 Variation Law of peak strength of concrete block with freeze-thaw cycles

图8 冻融作用前后混凝土试块的单轴抗压强度变化规律Fig.8 Uniaxial compressive strength change of concrete blocks before and after freeze-thaw actions

3.3 试验结论

从表2可以看出混凝土的单轴抗压强度与混凝土的超声波波速存在着相对一致的关系，具体表现为混凝土的单轴抗压强度越高，其超声波波速越大，这一结论与Masayasu[4]的研究结论基本一致。此外，从图8可以看出，除最后一个数据点外，混凝土的单轴抗压强度大致在33～35 MPa范围附近分布，对照图4未冻融试块的超声波波速分布规律，验证了超声波波速与混凝土试块单轴抗压强度分布规律的一致性。从图8可以看出混凝土的单轴抗压强度随着冻融次数的增加，呈现出先下降之后趋于稳定的特点，混凝土试块的单轴抗压强度下降的最大幅值超过了28%。

4 混凝土核磁共振试验

混凝土的孔隙率、孔径分布等微观结构对混凝土的抗压强度有着直接的影响。低磁场核磁共振技术作为一种高效便捷的无损检测技术，通过孔隙中氢质子的信号量变化得到T2谱曲线和孔隙度，可以得到混凝土微观孔隙结构的变化规律[17]。

4.1 试验设备及试验原理

4.1.1 试验设备

试验设备采用由上海纽迈电子科技有限公司推出的Meso MR 23～060 H-I岩心核磁共振成像分析仪，该设备的共振频率为23.403 MHz，磁场强度为(0.5±0.08) T，能够实现混凝土试块内孔隙度以及孔径分布测量，仪器设备图见图9。

图9 Meso MR23-060H型核磁共振仪Fig.9 MR23-060H nuclear magnetic resonance instrument

4.1.2 试验原理

饱水后的混凝土孔隙中常常充满了水，核磁共振原理是通过外加梯度场的作用，使得磁场中水分子与梯度场产生核磁共振现象，通过混凝土孔隙中水的氢质子信号强度变化得到T2谱线和孔隙度，检测不同冻融次数试块T2谱线的信号强度变化规律，得到混凝土试块在液氮中不同冻融次数的微观孔隙结构的变化规律。

4.2 试验步骤

对未冻融混凝土试块、冻融1次与冻融6次混凝土试块展开核磁共振试验，试验步骤如下。

(1)核磁T2谱参数调试，进行中心频率校准、参数设置。

(2)第1次测量T2谱线，混凝土试样烘干，烘干时长为36 h，烘干温度为50 ℃，称量混凝土试块干重，测试样品原始的T2谱。

(3)使用真空加压饱和装置对混凝土试块进行抽真空，压力设置为-0.1 MPa，抽真空时长约为2 h。

(4)第2次测量T2谱，对混凝土试块加压饱和水处理(12 MPa，12 h)，将饱和后的样品取出，用润湿的纸巾擦拭样品表面，称量湿重。

(5)样品测试，将真空加压饱水后的混凝土试块用聚乙烯膜包裹后放入线圈载床，测量混凝土的T2弛豫值。

(6)数据处理，根据测量结果，利用反演软件，得到混凝凝土的T2曲线进行分析。

4.3 试验结果

4.3.1 试样饱水前后的质量分布

混凝土试块在试验开始前需要做有压力饱水处理，核磁T2峰面积和水质量之间的对应关系见表3。

表3 混凝土饱和试样的水量分布情况表Table 3 Water distribution of saturated concrete

4.3.2 混凝土冻融前后T2谱线

表4～表6分别整理出了未冻融混凝土试块、不同冻融次数试块的核磁试验数据，反演得到的T2谱线见图10。

从图10可以看出混凝土的T2谱线呈现出双峰曲线，T2峰的信号强度值越大，代表所对应孔径的孔隙数量越多，T2峰面积为T2谱线的定积分，积分大小与孔隙数量成正比。

表4 未冻融试块峰面积的分布规律Table 4 Distribution of peak area of unfrozen test block

表5 冻融1次试块峰面积的分布规律Table 5 Distribution of peak area of primary freeze-thaw test block

表6 冻融6次试块峰面积的分布规律Table 6 Distribution of peak area of test block freeze-thaw for 6 times

图10 T2谱线Fig.10 T2 Spectral line

4.4 试验结论

从表3～表6以及图10可以看出，混凝土试块经历不同次数的冻融后，其内部总孔隙数量呈现为增加的趋势，且随着冻融次数的增加，混凝土内小孔数量降低而孔径显著变大，大孔的数量与孔径均变大，这一结论与文献[18]的研究结论基本一致。

5 结论

以高温超导电缆液氮泄漏对混凝土管线槽造成的极低温冻融工况为研究背景，通过超声波试验、混凝土单轴抗压试验以及核磁共振试验，研究了C25混凝土在极低温冻融作用下，其物理力学性质的变化，得到如下主要结论。

(1)经过液氮冻融作用的混凝土试块其颜色、质量均无显著变化，混凝土表层有少量细骨料脱离的细小孔洞；混凝土试块在拿出液氮反应容器不久，在其表面会有明显的挂霜现象。

(2)超声波波速随着混凝土试块冻融次数的增加呈现出先降低后趋于稳定的特征，在第四次冻融及之后，超声波波速最大降幅达到13.6%。

(3)随着冻融次数的增加，混凝土单轴抗压强度与超声波波速的变化规律呈现出相似的特征，整体表现为随着冻融次数的增加呈现出波动状的劣化趋势。

(4)通过对未冻融混凝土试块以及不同冻融次数混凝土试块的核磁共振试验发现，混凝土经过极低温冻融后，混凝土内小孔数量降低而孔径增大，大孔的数量与孔径均增大。

核磁共振试验得到的混凝土孔隙数量以及孔径大小的变化规律从微观角度揭示了不同冻融次数的混凝土试块的超声波变化规律与混凝土单轴抗压强度变化规律，极低温冻融使得混凝土内小孔连通形成更大孔径的大孔隙，降低了混凝土弹性模量，使得超声波在混凝土内的传播速度降低；此外，在单轴抗压强度试验中，当外部应力施加在混凝土试块上时，混凝土内的大孔更容易在混凝土的薄弱面连通，形成贯穿裂隙，造成混凝土试块强度的降低。