盐渍土地区混凝土基础的腐蚀与防护.pdf

第1 7 卷( 2 0 1 5 年 第6 期) 电 力安全技 术 A 盐渍土地区混凝土基础的腐蚀与防护 苗 兴 ，袁芳，李玉鹏 ( 国网甘肃省 电力公司电力科学研 究院，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘要通过对甘肃河西地 区盐渍土壤腐蚀性成分的取样调查，探讨 了不 同腐蚀成分对混凝 土及内部钢筋腐蚀的原因，结合陇西地区的气象条件分析 了盐渍土地区混凝土基础腐蚀机理。通过 钢筋腐蚀传感器监测张掖地区 1 1 0 k V线路 试验工程，验证 了混凝土耐蚀性能措施的有效性 ，为盐渍 土地 区输变电杆塔基础腐蚀防护方法提供 了参考。 关键词盐渍土 ；输 变电杆塔；混凝土基础 1 概述 ? 昆 凝土具有取材方便、造价低廉 、便于施工 、 承载能力强、刚度大、 整体性好及易于成型等优点 ， 被 广泛应用于建筑行业 中。在输变 电工程建设 中， 输电线路杆塔通常采用柱型钢筋混凝土基础。作为 输电线路设备的重要组成部分 ，钢筋混凝土基础不 仅要支撑输电杆塔 、导线、地 线、绝缘子、金具等 设备重量 ，还要承担大风、覆冰、热胀冷缩 、地震 、 沉陷等因素造成的载荷 ，其安全可靠性对保证输 电 杆塔稳定 、防止杆塔变形及倾覆起到至关重要 的作 用。因此 ，钢筋混凝土基础的使用寿命与电网设备 的安全、整体寿命密不可分。 然而，钢筋混凝土基础的使用寿命与其地理位 置 、土壤成分有很大关系。甘肃西部局部地区为盐 渍土壤 ，且气候寒冷，昼夜温差大 ，这些 因素都对 钢筋混凝土基础的使用寿命造成一定的影响。 因此 ， 如何降低盐渍土对钢筋混凝土的侵蚀 ，延长西部盐 渍 土地区输变 电设备的使用寿命 ，是一个亟待解决 的重要问题 。 2 盐渍土腐蚀成分特点 一 般将土壤表层厚度 0_3 0 c m 且可溶盐含量 大于 0 2 ( 即 2 0 0 0 mg k g) 的土壤 称为 盐渍土 。 盐渍土的主要特征是含有盐分，尤其是易溶盐 ，这 对钢筋混凝土有腐蚀性 ，影响输变电设备? 昆 凝土基 础和地下设施的耐久性和安全性。甘肃河西地区位 于北温带大陆性气候干旱荒漠，具有蒸发强烈、降 水稀少、 日照时间长、昼夜温差大、四季分明等特 征 ，其盐渍土主要分布在酒泉 、张掖、武威 3市。 盐渍土中的可溶盐主要为氯盐、硫酸盐和碳酸 盐，甘肃西部张掖市盐渍土主要含硫酸盐 ，还含有 氯盐和碳酸盐等。为研究该地区盐渍土腐蚀成分对 输电线路杆塔混凝土基础的腐蚀 隋况，探索提高混 凝土基础抗腐蚀能力的方法并验证其有效性 ，现对 甘肃西部张掖市临泽县的某 l 1 0 R V线路沿线土壤 腐蚀成分及含量开展 了初步调查和取样对 比，并最 终选定 土壤盐渍化程度最严重的 G 2 9号和 G3 0号 塔基作为试验研究和示范工程点 。在开挖输电线路 杆塔混凝土基础时，对 G2 9 ，G3 0塔基部位表层土 壤再次取样分析，结果表 明：该地 区土壤可溶盐成 分主要为硫酸盐和氯盐，易溶盐总含量远远大于盐 渍土含量标准。该地区土壤成分分析结果见表 1 。 从现场挖掘的土壤样 品来看，不同深度的土壤 组成及易溶盐形貌均存在差别。表层土壤 中含有大 量的砂石和分散 的易溶盐结晶体；深层土壤主要为 结构密实的红壤土 ，含有大块的盐结晶体。通过现 场实地勘察取样化验数据，结合示范线路及其附近 运行多年线路的勘察结果 ，可以得知：沿线地基土 壤对混凝土结构具有 中强腐蚀性，对钢筋混凝土 结构中的钢筋具有弱 中腐蚀性。 3 混凝土基础的破坏现象和损伤机理 在钢筋混凝土构件使用过程 中，混凝土结构受 一 一 A 电 力安全技术 第1 7 卷( 2 0 1 5 年 第6 期) 表 1 G 2 9 ，G 3 0塔基开挖取样土壤腐蚀性成分分析检验报告 到荷载、 环境等方面影响， 其结构性能会发生退化。 当土壤含有大量硫酸盐时 ，硫酸盐会渗入混凝土孔 隙中，并在土壤与干燥空气的界面浓缩、结晶。一 方面，当结晶作用受到毛细孔壁限制时，将对孔壁 产生巨大的结晶压力 ，使混凝土产生裂缝 ；另一方 面 ，土壤 中的硫酸根离子渗入混凝土后，会和水泥 的水化产物发生反应， 生成具有膨胀性 的腐蚀产物。 在混凝土内部产生的内应力超过混凝土的抗拉强度 时，就会产生混凝土开裂、剥落等现象 ，造成混凝 土强度和粘接l 生能丧失。在甘肃西部地 区，由于季 节温差 、昼夜温差及湿度变化等物理 因素造成冻融 循环 、盐冻融循环 以及热胀冷缩等作用，也会进一 步加剧钢筋混凝土结构耐久性和寿命 降低 。 在水化过程 中， 水泥产生高碱性 ( p H 1 2 5 ) ， 使混凝土中的钢筋表面形成一层致密的钝化膜 ，对 钢筋具有较强的保护作用。然而，钝化膜只有在高 碱性环境中才稳定。研究证明： 钢筋表面失去钝化、 发生腐蚀的临界 p H值在 l 1 2 1 1 0 5 。当土壤 中 含有氯盐时，游离 C 1可渗入混凝土中；当 C l 一 浓 度超过一定值后 ，在 C l 一 及 C O 、S O 的共 同作用 下，混凝土孔隙液 p H值将降低 ，钢筋表面的钝化 膜将 遭到破坏 ，使钢筋 产生严 重锈 蚀。这样不仅 降低了钢 筋对混凝土的加强作用，同时腐蚀产物 F e ( OH) ， 、F e C 1 等会因膨胀对 昆 凝土结构造成破 坏，使混凝土开裂、剥落 ，造成混凝土基础承载能 力下降。 对张掖市盐渍土地区钢筋混凝土设施的使用情 况进行调查，发现通讯光缆混凝土标记桩和 电力线 路混凝土杆塔受土壤 中易溶盐侵蚀及冻融循环等综 合作用，发生表层开裂、 剥落及内部钢筋腐蚀现象 。 4 提高钢筋混凝土基础抗腐蚀能力 混凝土含有胶凝材料、水、粗骨料 、细骨料 、 掺合料 以及外加剂等组份 。选取适 当的比例配合， 经拌制、成型、硬化后形成具有一定强度和耐久性 一 一 的人造石材。因此，混凝土 中各组份成分及配比将 对 昆 凝土 的机械性能及抗腐蚀性能产生重大影响。 结合盐渍土地区土壤腐蚀性介质的成分特点 ，为提 高钢筋混凝土基础结构的耐久性 ，应从提高混凝土 抗硫酸盐能力及防止钢筋腐蚀人手。 ( 1 )采用抗硫酸盐水泥或控制水泥中熟料中矿 物质 C A的含量 ，以降低混凝土硫酸盐腐蚀后的 膨胀量。 ( 2 )掺加粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料 ，利用 掺和料的填充效应、微集料效应和潘 l!生 效应 ，降低 混凝土的水胶比，改善混凝土的和易性 ，增加? 昆凝 土的密实度。 ( 3 )控制最小水泥用量和最大水灰比：在一定 范 围内提高水泥的用量 ，可增加混凝土密实度和混 凝土强度，减少因硫酸盐侵蚀产生的膨胀。 ( 4 )改善养护条件 ，降低蒸养温度 ，减少二次 生成硫酸铝和硫酸钙，从而避免引起膨胀破坏。 ( 5 )掺加可提高混凝土抗腐蚀性能 的外加剂， 混凝土外加剂一般可提高混凝土的抗渗性能、早期 强度及抗冻融能力 ，同时其内部还含有 防止钢筋锈 蚀的阻锈成分 ，可提高混凝土抵抗硫酸盐和氯离子 的双重侵蚀能力。 据悉 ， 现在有多种防止混凝土钢筋腐蚀的措施 ， 包括 ：适当提高混凝土强度和水泥用量、采用高性 能混凝土、确保钢筋保护层厚度 、避免混凝土开裂 或严格控制裂纹宽度 、提高混凝土密实度 、内掺钢 筋阻锈剂 ，外表涂层保护、涂镀层钢筋、阴极保护 等。其中，在钢筋混凝土浇筑过程中添加阻锈剂具 有较好的防护效果 ，且具有成本低廉 、便于施工的 优点 ，是 目前防止钢筋腐蚀的主要措施 ，已得到了 广泛应用。 在原示范应用工程线路 中，采用亚硝酸盐无机 阻锈剂。这种阻锈剂为典型的阳极型阻锈剂 ，虽然 能保护钢筋免遭腐蚀 ，但也在不断地消耗 自身，其 抗腐蚀效果难以保证 ，且当 C r浓度大到一定程度 时反而能够促进钢筋腐蚀。另外 ，由于亚硝酸盐具 第 1 7 卷 ( 2 0 1 5 年第 6 期 ) 电力 安 全 技 术 有毒性 ，目前 已逐渐被低毒和更环保的有机阻锈剂 取 代。在 张掖 1 1 0k V线路 的实验和示 范工程 中， 采用中科院金属所新近开发的含氧、氮和磷杂环 化合物和醇 胺缩合物为主体的新型有机 阻锈剂 ， 并进行了对 比试验。这类阻锈剂分子可通过竞争优 先吸附在混凝土中钢筋 的表面上 ，形成吸附膜，阻 碍 C l在钢筋表面吸附和对钢筋的侵蚀 ，延长钢筋 局部腐蚀的诱发时间，从而起到阻锈的功能。 5 实验研究与示范工程实施 项 目在大量实验室模拟实验的基础上 ，提出通 过改变混凝土成分和配合 比、加入适合外加剂和调 整 昆 凝土施工工艺等措施 ，以提高混凝土强度、抗 腐蚀和耐久性，并通过设计、土壤取样、基础开挖 整平、绑钢筋、支模、混凝土原材料和配合 比调整、 混凝土搅拌、运输、浇筑、试样制备、传感器安装、 基础及试块填埋、跟踪监测等， 全过程参与和控制。 5 1 抗腐蚀混凝土配制及防护效果对 匕 试验 5 1 1 高性能抗腐蚀混凝土配制 工程原设计基 础? 昆 凝 土强度等级 为 C 3 5 ，为 提高混凝 土的强度 和抗硫酸盐腐蚀能力 ，采取降 低水灰 比，在混凝土 中掺入一定量 的粉煤 灰和矿 粉 ，并适 当添加 外加剂 ，经过反复试配 ，最终得 出性 能 良好 的 C 6 0混凝 土。该混凝土水泥用量为 2 8 0 k g m ( 总胶 结材 料为 4 7 0 k g m ) ，总 用水 量 约 1 6 0 k g m ，平 均 抗压 强 度为 6 3 MP a ( 标 样 2 8 d) ，混凝 土的出机塌落度 2 4 0 mm，塌落扩展 度 6 0 0 mm，l h后坍落度无损失，具有 良好的工 作性 。浇筑完成 4 8 h后进行拆模 ，经检查 ，混凝 土外观光洁平整 ，质量 良好。拆模后立 即包裹聚氯 乙烯薄膜进行养护，2天后拆除塑料膜进行回填。 5 1 2 混凝士 陛能试验 5 1 2 1 抗压强度 实际示范桩基用 C 6 0 ，C 3 5 A混凝土的 3 d ，7 d 和 2 8 d平均抗 压 强度见 表 2 ，均 满足 C 6 0和 C 3 5 A 混凝土抗压强度要求。 5 1 2 2 抗渗性能试验 按 NE L法测得的标养 2 8 d的 C 6 0混凝土中的 平均氯离子扩散系数为 1 2 X 1 0 m s ，表明它具 有优 良的抗渗性。 5 1 2 3 C 6 0和 C3 5混凝土耐久性能对 比试验 选择 G 2 9塔基做 C 6 0和 C 3 5 混凝土抗腐蚀性 能对 比试验。A，C基桩采用原设计 C 3 5 +原设计 阻锈剂 ，B，D基础采用示范 C 6 0混凝土 ，定期观 察对 比 2种混凝土表面开裂和剥蚀 青况。 作 为反 映 昆凝土 内部特 征 的一 个重要 指标 ， 动弹性模量与混凝土的抗压强度、腐蚀损伤及冻 融破坏间存在必然的联系。当混凝土试件受到腐 蚀、冻融等作用产生裂纹或密度 、强度下降时，其 谐振频率就会发生改变 ，采用动弹性模量测量仪 进行 昆 凝土试块 的共振频率测试和分析 ，可 以间 接 了解混凝 土内部结构 的变化情 况。为此 ，分别 制 作 了 C 3 5和 C 6 0自然暴 露 昆凝 土试 件 各 9个 ( 1 0 0 mmX 1 0 0mm 4 0 0 mm) ，竖立半埋于 G 2 9基 础 中心 回填土中，每间隔一定时间挖出测量其共振 频率 ，以了解混凝土性能变化情况。测试试样浇筑 后 1 2 0天暴露龄期内的共振频率 ，其数据具有一定 的分散性但相对稳定 ，没有 明显的规律性改变。 因混凝土动弹性模量的变化受腐蚀环境影响较 大 ，干湿循环条件下的混凝土受到硫酸盐的侵蚀要 比长期处于浸泡环境 中的混凝土更加严重，力学性 能下降也更明显。考虑到张掖地处干旱地 区，且试 件制成时间短 ，尚未经历明显的湿度改变及冻融循 环 ，因此其动弹性模量在短期内不可能产生明显改 变 。由于试块成型品质差异、测试人员不同等因素 对测试产生的影响 ， 数据小幅度波动应在情理之中。 5 2 不同阻锈剂对比试验及防护效果监测 选 定为 G3 0塔基进行试验 。其 中 A，C基桩 采用原设计 C 3 5混凝土 +原设计亚硝酸盐阻锈剂 ， B，D基桩采用 原设计 C 3 5混凝土 +中科院 阻锈 剂。在 4个基桩 中分 别埋设 了 4个钢筋腐蚀传感 表 2 示范工程用混凝土配比及抗压强度试验结果 一 一 A 电 力 安全 技 术 第 1 7 卷( 2 0 1 5 年 第6 期) 器 ，埋设部位距地 表面 2 5 mm 深，距混凝土外表 面 1 0 0 mi l l 。钢筋腐蚀传感器 中的工作电极 由建筑 用普通钢筋加工而成 ，面积 1 2 0 7 3 8 c m2 ，辅助电 极为石墨棒 ，除工作面外，其余部分用环氧树脂密 封 。钢筋腐蚀传感器埋人混凝土后 ，定期测量体系 的电极电位、宏观 电池电流密度，了解混凝土中钢 筋的电化学腐蚀进程。 对基础浇筑 完成及其后 6 0天和 1 2 0天的 3 次 监测结果进行对 比，发现 5个测量传感器测出的电 极 电位和腐蚀 电流均未发生明显变化。因钢筋腐蚀 是一个长期过程 ， 且冬季张掖地区气候干旱 ， 因此 ， 初期阶段腐蚀很缓慢，暂时还无法判断原设计 阻锈 剂和有机阻锈剂对 比后的防腐蚀效果 。 另 外 ，在 基 础 浇 筑 时， 同 时 成 型 了 2 1个 1 5 0 1 5 0 mm 的钢筋混凝 土试件 ，置于 G3 0塔 基周围地表盐渍土 中，埋深为 1 5 0 mm。每个试块 中埋有 3根用钢 筋制成 的 1 0 3 0mm 圆棒 ，圆 棒重量事先经过精确称量 ，埋入地下后定期取出再 次进行称量 ，以确定钢筋棒金属腐蚀消耗量 。因工 程结束时间尚短 ，加之冬季气候干旱 ，考虑到钢筋 腐蚀不会太明显， 故暂未对这些试件解体进行测量。 6 结束语 由于甘肃西部地区气候比较干燥 ，气象条件和 土壤腐蚀成分相对较为复杂，在各种 因素的共同作 用下 ，钢筋混凝土基础的损伤和破坏相对复杂、漫 长。因此 ，对项 目示范工程塔基混凝土进行长期跟 踪监测，以获取实际腐蚀环境下混凝土构件在整个 寿命历程 中的完整监测数据，对于进一步研究甘肃 西部盐渍土地区钢筋? 昆 凝土基础的腐蚀破坏过程和 失效机理 ，探索和总结适用于输变电设备混凝土基 础的切实可行的腐蚀防护方法 ，延长其使用寿命和 提高运行安全陛，具有十分重要的意义。 参考文献： 1 张如龙，毕建龙，巴建文张掖城市湿地土壤盐渍化分 布特征及成因浅析 甘肃农业，2 0 1 0 ( 1 0 ) 2 付清华，王红霞甘肃省河西地区盐渍土路基病害与防 治 f J 甘肃科技，2 0 0 7 ( 1 0 ) 3谷坤鹏 ，王成启混凝土硫酸盐侵蚀的研究现状 J 广 东建材，2 0 1 0 ( 8 ) 4 乔宏霞 ，何忠茂 ，刘翠兰 高性 能 昆凝土抗硫酸盐腐 蚀 的研究 J 】 兰州理工大学学报，2 0 0 4 ( 1 ) 5 孙丛涛，牛荻涛，元成方，等混凝土动弹性模量与超 声声速及抗压强度的关系研究 J 】 混凝土，2 0 1 0 ( 4 ) 6 郭钟群，赵奎，余育新，等不同环境条件下混凝土 性能的试验研究 J 】 江西理工大学学报，2 0 1 1 ( 6 ) 收 稿日期 ：2 0 1 5 0 3 2 0 。 作 者简介 ： 苗兴 ( 1 9 5 8 一 ) ，男，高级工程师，主要从事电力设备材料检 测和失效分析 ，e ma i l ：mxl 1 8 5 1 6 3 c o rn。 袁芳 ( 1 9 8 1 一) ，女 ，高级 工程师 ，主要从事 电力设备材料检 测和失效分析。 李玉鹏 ( 1 9 8 3 一) ，男 ，工程师 ，主要 从事电力设备材料检测和 失效分析 。 我国水电装机容量突破 3 亿 k W 2 0 1 5 - 0 5 -1 9 ，第五届世界水电大会透露 ：2 0 1 4 年 ，我国水 电装机容量突破 3 亿 k W ，居世界 第 1位，约 占全球水 电装机总量的 1 4 。根据我国的可再生能源建设规划 ，水 电总装机容量将在 2 0 2 0年达到 4 2亿 k W。 根据全球可再生能源发展状况报告 ( 2 0 1 4 ) ，作为世界上最主要、最成熟并且能源效率最高的 可再生能源 ，2 0 1 3年全球 电力生产 中可再生能源份额 已达 2 2 1 ，其 中水 电贡献率高达 8 5， 水 电提供世界约 l 6的电力 。根据 中国水力资源复查结果 ，我 国水 电资源理论蕴藏量装机 6 9 4 亿 k W ，约占全球总量的 1 6 ，其 中技术可开发装机 5 4 2亿 k W，经济可开发装机 4 0 2亿 k W。 目前我国水电资源开发利用程度 已超过 5 0 ，还具有较大的开发潜力 。 ( 来源： 人民网2 0 1 5 -0 5 - 2 1 ) 一 一