混凝土电杆冻胀裂缝的探讨.pdf

2 0 1 1 年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 1 N0 4 Ap r i l 混凝土电杆冻胀裂缝的探讨 李学真 ( 宁夏 电力质 监 中心站 ， 银 川 7 5 0 0 0 1 ) 摘 要 ： 混凝 土 电杆 冻胀 裂缝 在全 国乃 至世 界寒冷地 区均 出现过 ， 但在地 下水位 高的地 区尤为 突 出， 宁夏黄灌 区正好符合这 一特 定条件 ，在工程验收 中发现 了较 多的混凝土 电杆 出现冻胀裂缝 。本 文对 混凝 土电杆冻胀裂缝形 成 的 原 因进 行 了分 析 和 探 讨 ， 提 出 了冰 冻膨 胀 是 从 电 杆 内部 空 腔 形 成 的 新 观 点 。 为 了证 实 这 一 观 点 ， 提 出 了进 行 冰 冻膨 胀观 测 实 验 的 建 议 ， 并 提 出 了观 测 实验 的具 体 方 法和 防 治 电 杆 冻 胀 裂 缝 的 措 施 。 关键词 ： 混凝土 电杆 ； 冻胀 ； 裂纹； 裂缝 ； 实验 Ab s t r a c t ： F r o s t h e a v i n g c r a c k s o f c o n c r e t e p o l e s h a p p e n e d i n c o l d a r e a s i n o u r c o u n t r y o r e v e n o v e r t h e w o rl d T h e s i t u a t i o n i s pa r t i c ul ar l y o ut s t a nd i n g i n t he a r e a s wi t h hi g h g r o un d wa t e r l e v e l ，a n d Hua n g g ua n a r e a i n Ni ng xi a Pr o v i n c e i s fit t e d f o r t h i s pa r t i c u l a r c o n di t i o nDu rin g t he e n g i n e e rin g a c c e pt a nc e ，f r o s t h e a v i n g c r a c ks a r e a p pe a r e d i n ma ny c o n c r e t e po l e s Th e r e a s o ns f o r f o r mi ng t h e f r o s t h e a v i n g c r a c ks for c o nc r e t e po l e s a r e a n al y z e d a nd i n v es t i g a t e d i n t h i s pa p e r a n d a n e w v i e wp o i n t o f f o rm i n g f r e e z i n g e x p a n s i o n c r a c k s b y c a v i t y i n s i d e t h e p o l e s i s p u t f o r w a M T o p r o v e t h i s n e w v i e w p o i n t ，t h e p r o p o s a l o f o b s e r v a t i o n e x p e ri me n t for f r e e z i n g e x p a n s i o n i s p r o p o s e d Me a n wh i l e ，s p e c i fi c me t h o d s o f o b s e r v a t i o n e x p e rime n t a n d me a s u r e s o f p r e v e n t i n g f r o s t h e a v i n g c r a c k s f o r c o n c r e t e p o l e s a r e p r o v i d e d Ke y wo r d s ： Co n c r e t e p o l e s ； F r o s t h e a v i n g ； C r a c k l e s ； C r a c k s ； E x p e r i me n t 中 图 分 类 号 ： TU5 2 5 文 献 标 识 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 01 1) 0 4 2 5 0 4 0前 言 近期在 宁夏农 网工程验收 中发现 了一种奇特 的质量问题 ， 就是用于灌区的混凝土 电杆普遍 出现 了纵 向裂 纹或 裂 缝( 本 文 对 裂纹 和裂 缝 的定 位 为 ： 用 肉眼认 真观 察才 能看 到 的为 裂纹 明显 的 、 l m 外 一 眼就 能看 到 的 称裂 缝 ， 文 中提 到 的 裂缝 包 含 了裂 纹 。 但裂纹不包含 裂缝 ) ， 且都集 中在 电杆 的阴面 ， 但横向没有 而同期施工 的非灌 区混凝土 电杆就没 有这种裂缝现象 。施工单位及现场监理反 映。 混凝 土 电杆 在 组 立 前 、 后 经 检 查 均 未 发 现 裂 纹 、 裂 缝 现 象 。假 如 电杆 在 制造 、 运输 或 施 工 过 程 中产 生 了裂 缝 ， 不 论 电杆 架设 在 何 处 ， 此 类 裂缝 均可 能 存 在 ， 绝 对 不 会集 中 在 水 位 高 的地 区 ， 而 且 都 在 阴 面 ， 排 除 了 电杆 在制 造 、 运 输 和 施 工过 程 中产 生 裂缝 的可 能 性 。但经过一 、 两个冬天问题就出现了 ， 而且较为普 遍 ，有些特定地 区的裂纹 、裂缝率 占电杆 总数的 9 5 以上 其 中裂缝 占多数 。 这种 阴 面裂缝 在 以前 的 工 程 中也 出现得 较 多 ， 可 见 问题 的严 重 性 。为 什 么 裂缝 都 集 中 在 电杆 的 阴 面? 而且 经过 一 、 两个 冬 天 后 才会 出现 ?为 了摸 清 问题 的根 源 ， 宁 夏 电力 公 司 农 电部组织 宁夏电力质监中心站及建设 、运行 、 施 工、 监理单位和制造厂对电杆裂缝 比较集 中的地 区 进行 了实地察看和调研 ，并 召开 了专题研讨会 ， 经 认 真 分析 和 讨论 ， 结合 国 内其他 省份 和地 区 对 电杆 类 似 裂 缝 成 因 的 阐述 达 成 了共 识 ， 形 成 了一 致 意 见 ， 即在 特 定 地 区 冰冻 膨 胀 是 造 成 混 凝 土 电杆 大 面积裂缝 的直接原 因。但冰冻膨胀是如何形成 的， 如 何预 防还 没 有定 论 ， 为此 本 文进行 了探讨 。 1 造成 混凝 土 电杆 裂 缝的 几种 原 因 混 凝 土 电杆 处 在 正 常 ( 地 下 水 位 不高 ) 情 况下 ， 排 除 电 杆在 运 输 、 组 立 过程 中人 为 可 能 出现 的裂 纹 外 ， 一般产生裂纹 的原 因有 三 ： 一是环境 温差 大可 能产生裂纹 。对 于钢筋混凝土制 品来说 ， 其线膨胀 系数与 电杆混凝土 的强度等级和配筋有关 ， 不是定 数 。普通纯水泥制 品的线膨胀系数 为 0 1 4 x l 0 - 4 f C 卵石 、砂粒 为 0 1 2 x 1 0 - 4 C ( 参 考 值 ) ，钢材 为 0 1 1 1 0 _ 4 。对于电杆来讲 ， 纵 向的膨胀可能导致横 向开 裂 ， 而 横 向 的膨胀 可能 导 致纵 向开裂 。 以 8 m 电杆为 例 ， 露 出地面的高度为 6 5 m， 靠近地面电杆的外径周 长 约 为 7 6 6 mm， 假 定 在 日照 下 电 杆 阳面 的 温度 是 均 匀 的 ， 当 阴 、 阳两 面温 差 假 定 为 2 5 时 ， 经 计 算 其 阳面横 向膨胀 约为 0 1 1 5 m m这 个 数量 级 绝对 不会 导致 电杆 出现 纵 向裂 纹 。 而纵 向的 尺寸 为 6 5 m， 在 同样 的假 定 温度 下 阳面 纵 向膨胀 约 1 9 5 mm， 这就 有 可 能 导 致横 向 出现裂 纹 。但从 实 际情 况 来 看 ， 发 现 的裂缝均在 阴面且都是纵向 ， 排除 了因温差引起电 杆 裂 缝 的可 能 性 ；二 是 混 凝 土发 生 碱 集 料反 应 。 即 混 凝 土产 品 成 型后 ， 由于原 材 料 中 的碱 与 集 料 中 的 一 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李 学真 混凝 土 电杆 冻胀 裂缝 的探 讨 膨 胀是 发 生 在混 凝 土 电 杆 的 内部 空 腔 而不 在 外 部 ， 其原因是地下水位高( 杆 内潮汽大 ) 、 气候寒冷造成 的。那么， 为什么用于 l l O k V的非预应力等经杆裂 的就轻一点 ， 这可能是杆径粗 、 壁厚 、 箍筋密 、 整体 强度 相 对较 高 的原 因 ， 它 所能 承 受 的 冰 冻膨 胀 应 力 要 比预应 力 杆 大 得 多 ， 所 以 大 多 数 为 裂 纹 ， 且 裂 纹 范围也小一些。而预应力 电杆壁薄 、 箍筋少 。 它所能 承受 的冰冻 膨 胀应 力 要 比等经 杆 小 得 多 ， 所 以 出现 了大面积的裂纹或裂缝 。至于 6 m用于 电信 的预应 力 电杆 为 什 么 裂 的程 度要 小 一 些 ，这 可 能 是 埋 深 浅 、 杆 内的潮 汽 相 对要 少 ， 杆 子 的 内腔小 ， 结 冰 的 面 积 和 厚度 也 相对 要 小 ，冰所 产 生 的 膨胀 力 也 要 小 ， 所 以裂 的程 度 和范 围也 就小 一些 。再 则 ， 6 m杆 杆 细 壁薄 ， 白天太 阳照射后杆 内温度上 升较快 ， 其 内部 温度 要 比杆粗 壁 厚 的要 高 一 些 也 可 能 造成 阴 面 的 冰部 分 溶 化 ， 所 以杆 子 的裂纹 相 对 要 小 。用 这 个 道 理来 解 释 8 m 电杆 距 杆 顶 约 2 m 的部 位 裂纹 少 的原 因也能 成 立 。冰 冻膨 胀 出现 的裂 纹 也 好 、 裂 缝 也 好 都是 纵 向的 。 所 以与 电杆 主筋 的大 小 和 多少 没 有 直 接 关 系 ， 关 键取 决 于 电杆 的箍筋 和壁 厚 。 另外 ， 成品混凝土有一定 的吸水性 ， 当吸入的 水 分 结 冰后 也 会 产 生膨 胀 ， 尤其 在 冬 天 ， 晚 上 的 温 度 低 于 0 而 白天 的温 度又 高 于 O C 时 ， 吸入 的水 分 晚上 后半 夜 结 冰而 白天 溶化 ，从 微 观方 面分 析 ， 结 冰 时产 生 的膨胀 使 电 杆 固有 微 小缝 隙扩 大 ， 冰 融化 后再吸入水分的量要 比上一次多 ， 再结冰后 可能使 缝 隙进 一 步 扩 大 ， 如此 反 复 ， 最 终 可 能 导 致 电杆 出 现细微裂纹。对电杆阴面来说 。 这种吸水性 冰冻膨 胀 现象 发 展 到冰 不再 融 化 为 止 而 阳 面 因太 阳 的照 射 ， 白天 融 化 晚上 又 结 冰 ， 如 此 要 反 复整 整 一 个 冬 天 ， 从 理 论 分 析 不 难 看 出 ， 阳面 因这 种 原 因 引起 裂 纹 的几率 要 比阴 面大 得 多 。 但 从 实 际情 况 来 看 阳 面 并没有 出现裂纹 ， 所以 ， 可以肯定地说 ， 这种因混凝 土 吸水 引起 的 电杆 裂纹 的现 象 ， 对 大 面 积 阴 面裂 缝 来讲 也不 占主导地 位 。 3 混 凝 土 电杆 冻 胀实 验的 建议 和 实验 方法 探讨 为 了能准 确 判 断上 述 分 析 结论 是 否 正 确 就 必 须进 行实 验验 证 。因混 凝土 电杆 在 宁夏 出现 冻胀 裂 纹的范围较大 ， 遍 布整 个黄灌 区， 只是因地质条件 的不 同裂缝 的数量 、 程度和范 围不 同而已。电力线 路 验 收规 范规 定 。新建 3 5 k V 及 以下 架 空 电力 线 路 等径杆应无纵 向裂纹 ，横 向裂纹的宽度不应超 过 0 1 mm； 预应 力 混凝 土 电杆 应无 纵 、 横 向裂 纹 ： 0 4 k V 低压线路运行规程 明确规定 电杆不宜有纵 向裂纹 横 向 裂纹不 应 大于 0 5 ram。黄灌 区某些 线 路工 程秋 季施 工 ，来年 春 季 就 发现 较 多 电杆 裂 纹 或 裂 缝 ， 给 生产 运行 带来 较 大 的安全 隐患 。对 于有 纵 向裂 缝 的 电杆如何处理也是个问题 全部更换数量过多 ， 费 用较高 ， 而且严重影响用户供 电。若不 能找 出真正 原 因 ， 从 根 本上 解 决 问 题 ， 即便是 重 新 换 新杆 ， 历 经 冬 季 照样 会 裂 ， 所 以 ， 建 议 制 造 厂成 立 攻 关 小组 ， 对 混凝 土 电杆 进行 冬 季 冻胀 裂 缝 实 地 实验 。 掌 握第 一 手资料 ， 分析原 因， 在制造过程 中就采取措施 ， 以达 到根治冰冻膨胀造成混凝土 电杆裂缝 的难题。 3 1 实验 材料 准备 因 8 m 预应 力 混 凝 土 电杆 裂 缝 最 为严 重 ，所 以 选择 8 m 电杆做 实验 效果 更 好 。 实 验共 需 电杆 3根 ， 其 中 2根 可 用报 废 电杆 ， 只 要 保证 电杆 的一 个侧 面 没有纵 向裂缝( 允许有裂纹 ) 就行 ， 另一根要在杆体 开多个观察孔 。须特殊加工 ，为方便叙述将三根杆 分别编为 、 、 号。另外 ， 还需准备 0 1 0 0 x 2 3 0 0 x 5 ram塑 料 管一 根 。 号杆模拟 目前施工现状 ，杆 体不做任何变 动 ，杆根孔洞敞开杆稍封堵 ，组立后用于观察杆体 可 能 出现裂 纹 的 时间过 程 和程 度 。 号杆杆根 和杆稍严 密封堵 ， 使地下潮汽不得 进入杆腔 ， 根据杆体 出现裂纹与否来判 断造成裂纹 的原 因是 否 为潮 汽 ， 为制 定 预 防措施 找 出依 据 。 号杆在制造过程中要预留 1 个 0 5 0 m m、 4个 0 3 0 m m 的圆形孔洞 ， 杆梢封堵 ， 杆根不堵 ， 让潮汽进 人 杆 腔 ， 用 于 观 察 杆 内冰 形 成 的全 部 过 程 ， 具 体 开 孑 L 位置见图 2 。 塑料管与电杆一并植入地下 ， 但埋深 要 比电杆 深一 些 。 一 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 0期 设 底 盘 ， 为 防止 泥 土 进 入 杆 腔 过 多 ， 杆 根 处 可 垫 以 草 袋或 用 编织 袋包 裹 杆 ( 管 ) 根阻 挡 。 电杆埋 深 按规 范要求准确控制在 1 5 m。塑料管埋深 2 m， 以便观察 地下水位的变化。特别要提醒注意的三个地方 ： 一 是不 论新 杆 还是 废杆 ， 组立 后应 保 证 电杆 的阴 面没 有任何裂纹 ； 二是有预留孔的电杆开孔方 向应朝 向 正南( 阳面) ， 以便观察阴面的结冰过程。三是杆 、 管 组立结束后 ， 应将所有预留孔洞和塑料管 口用保温 性能好的、 可供多次使用的软性材料封堵 。 图 3杆 、 管 组 立 不 意 图 3 4观察和 测量 根 据 当地 的 环境 温 度 情 况 ，当夜 间最 低 温度 在 一 1 0 及 以下 而 白天 最 高 温 度 在 0 以上 时可 进 行抽查 ， 作好记录； 当白天环境最高温度低于 0 时 便开始正式 实验工作 ， 每 3 d观测一次 ， 作好记录。 观 测 和记 录 的 内容有 ： 时 间 、 当 日最 高 、 最 低 温 度 ， 各孑 L 洞 对应 阴面冰 层 的厚 度 ( 用游 标 卡尺 测 量 ) 、 塑 料 管底 部 是 否 有 水 及 管 底 温 度( 用 水 银 温 度 计 测 量) 、 杆体 阴面是否出现裂纹 ( 用裂纹放大仪观测 ) ， 若出现两个及以上裂纹时应对裂纹编号记录。测量 时应 注 意 以下 几 点 ： 一 是 观察 测 量 速 度 要 快 ， 尤 其 是大 孔 ， 免得 杆 内潮 汽 外泄 及杆 外 不 同温 度 的进 人 影 响实验 的准确 性 观 测完 后 立 即将 孔洞 封 堵 ： 二 是测 量塑 料 管底 部 的温 度 时 应 将水 银 温 度计 用 细 丝拴住 缓缓 放入 管底 后 马上 将管 口封 住 5 m i n后 取 出温 度计 观测 记 录 以免 管 外冷 空 气进 入 使 温度 失 真； 或将温度计长期保留在管底 ， 仅观测 时拿出 ， 并 根据温度计底部是否浸湿判断管底是否有水 ； 三是 携 带 照相 机及 微孔 摄 像 头拍 摄杆 内冰层 情 况 ， 留下 珍贵的图像资料。 4防止 混凝土 电杆 冻胀裂 纹 的应急措 施 混凝 土 电杆 冰冻 膨 胀 实验 最 快 也 只有 在 冬 季 进行 ， 为了避免电杆经冬天后再出现较严重的冻胀 一 2 8一 裂缝 ， 在实验结果未 出来之前 ， 不论在什么季节施 工 ， 只要是用于灌 区的电杆都应采取应急措施 。建 议在起 吊的前用水泥砂浆灌人杆根 ， 再用编织袋包 裹绑扎结实防止砂浆流出， 然后组立 ， 这样 ， 当电杆 立 起后 砂 浆 均 匀 下 沉 到 杆 根 周 围 ， 紧 贴 杆 壁 ， 以达 到密封杆底 的作用 ， 费工 费料不大 。 或许收到意想 不 到 的效 果 。如果 在 电杆组 立 前提 前 封 堵 。 因 电杆 是平放 的 ， 砂浆塌落 ， 砂浆上部与杆壁之间出现缝 隙 ， 水 或 潮气 仍 能进 入 杆腔 ， 达 不 到密 封效 果 ， 电杆 仍 会产 生冻 胀裂 缝 。或许 施工单 位会 想 出更好 的封 堵办法 ， 只要 能达 到严密 封堵 杆根 的效果 即可 。 有人会提 出， 杆根 、 杆稍均封堵后 ， 假定电杆无 任何沙眼和微小缝隙，杆腔 内部与外界彻底隔绝 。 当环境温度变化时 ，杆腔 内空气会膨胀或收缩 ， 会 不会使杆壁产生应力而使 电杆出现裂纹?从物理学 我们知道 在常温下 ， 密封在容器里的一定量气体 ， 当温度每升高( 或降低) 1 ， 增加( 或减小 ) 的压强等 于它在 0 时压 强 的 1 2 7 3 ， 换 句话 说 ， 当温度 从 0 升高到 2 7 3 o C 时， 密封容器里的压强将增加 1倍 ， 电 杆壁能承受内腔的负压远远大于正压 ， 也就是说当 杆 内气 体膨胀 对 电杆 的危 害要 大 的多 。宁 夏地 区的 温 差较 大 因空气 膨胀 会 对 电杆 产生 较 大 的不 良后 果 ，但 电杆总会有微小的沙眼或缝隙起呼吸作用 ， 采取临时应急措施 时可暂时不考虑因气体膨胀对 电杆产生的影 响 ， 如果试验成功 ， 在 电杆制造过程 中工厂化的封堵时就要考虑这个因素， 可在距杆顶 约 2 0 0 mm处杆 的侧面预 留一小通气孑 L 解决。 5结 语 ( 1 ) 冰冻膨胀是一物理现象 。 但 要造成混凝 土 电杆裂纹得具备特定的条件 ，一是地下水位高 ， 二 是环 境 温度寒冷 。 ( 2 ) 冻胀是发生在 电杆的内部而不是外部。 ( 3 ) 成 品混 凝 土 有 一 定 的 吸水 性 ， 水 份 结 冰后 对电杆冻胀裂缝有促进作用 但不占主导地位。 ( 4 ) 电杆 的冰 冻 膨 胀 裂 纹 与 制 造 、 施 工 质 量 无 直接 因果 关系 。 ( 5 ) 从分析结果来看 ， 只要杜绝潮 汽进入杆体 内径孔洞便可防止杆内结冰 ， 从 而解决混凝土电杆 冻胀裂纹这一难题 。 但要经实验来验证 。 ( 6 ) 采用混凝土砂浆封堵杆根 的应急办法是简 单易行 的 ， 建议 在施工 时采 纳 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 一 O 2 2 1 作者简介 ： 李学真 ( 1 9 5 0 一 ) ， 男 ， 高工 。 通讯地址 ： 宁夏银川市长城东路 2 7 7号后楼 联 系 电 话 ： 1 3 9 0 9 5 7 1 7 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m