变电站混凝土立柱无损检测与损伤分析.pdf

研究与试验 湖南电力 第 2 9卷 2 0 0 9年第4期 变电站混凝土立柱无损检测与损伤分析 刘纯，陈红冬 ，胡波涛 ( 湖南省电力公 司试验研究院，湖南 长沙 4 1 0 0 0 7 ) 摘要：对 变电站混凝土立柱进行 了外观检查和无损检测，测定 了抗压强度 ，并对混凝 土的碳化、冻融和钢筋腐蚀进行 了原因分析 ，指 出混凝土剥落是由混凝土碳化和冻融共 同作用产生，钢筋锈蚀促进 了混凝土保护层的脱落，并提 出了建议 。 关键词：变电站 ；混凝土强度 ；无损检测；碳化分析 ；冻融 中图分类号 ：T U 5 2 8 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 8 - 0 1 9 8 ( 2 0 0 9 ) 0 4 - 0 0 0 8 -03 NDT a n d da m a g e a na l y s i s o f s ubs t a t i o n c o nc r e t e pi l e L I U C h u n，CHE N Ho n g - d o n g，HU B o t a o ( H u n a n E l e c t r i c P o w e r T e s t R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 7 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： r l mu g h t h e m i c ros c o p i c e x a mi n a ti o n a n d n o n d e s t r u c t i v e t e s t( N D T ) ， t h e c o n c r e t e s t r e n g t h o f a s u b s t a t i o n c o n c r e t e p i l e wa s d e t e r mi n e d T h e c a r b o n i z a t i o n an d t h e f r e e ze t h a w o f t h e c o n c r e t e a n d t h e c o r r o s i o n o f s t e e l b a r s we re a n a l y z e dI t wa s p o i n t ed o u t t h a t t h e c o n c r e t e s p a l l i n g d a ma g e wa s c a u s ed b y the c o o p e r a t i o n o f the c o n c ret e c a r bo n i zat i o n a n d f r e e z e t h a w a n d t h e c o r r o s i o n o f s t ee l b a r s a c c e l e r a t ed t h e c o n c r e t e fla k i n g a wa y S u g g e s t i o n s we D g g i v e n i n t h e e n d Ke y wo r d s： s u b s t a t i o n；c o n c r e t e s t r e n g t h；n o n d e s t r u c ti v e t e s t ；c a r b o n i z a t io n a n a l y s i s ；f r e e ze t h a w 前言 21 混凝 - t - 立柱无损检测 刖 吾 混凝豆枉尢顶 测 混凝土材料以其性能优越、施工方便和经济成 本低等方面的显著优势在土木工程领域内得到广泛 的应用。在早期变电站建设中，出线架构多采用混 凝土结构。混凝土是 由拌合物凝结硬化而成 ，拌合 物具有可塑性 ，可现浇成任意形状、任意结构尺寸 的整体性较好的梁柱结构。混凝土与金属材料钢筋 具有相近的线胀系数，钢筋埋在混凝土内部 ，又对 钢筋起到一定的保护作用，这种金属与非金属的复 合材料更能互相弥补不足、更好协同工作等优点。 同时，混凝土材料也有不足，如质量不好控制、抗 拉强度较低、受外界环境因素影响较大等 。近 年来，特别是2 0 0 8 年冰灾和5 1 2 大地震后，湖南 省内多座变电站混凝土塔架结构发现严重的混凝土 剥落、钢筋锈蚀现象 。所 以对变电站混凝土架构进 行强度检测和破坏机理与防治措施的研究是很有必 要的。 收稿 日期：2 0 0 8 1 2 - 2 2 毛家塘 2 2 0 k V变电站出线架构为混凝土结构， 混凝土强度等级 C 2 0 ，于 1 9 7 9年投运 ，至今运行 近 3 0年。1 9 9 5年 和 2 0 0 4年该 变 电站混凝土塔架 结构进行过 防腐处理。2 0 0 8年 冰灾后 ，变电站 陆 续出现构架横梁混凝土剥落现象。 2 1 外观检查 各混凝土立柱均有不同程度碳化 ，碳化平均深 度 2 7 3 0 mm，个别箍筋处在 1 0 m m以上。箍筋 ? 昆 凝土保护层有脱落现象 ，且 不少钢筋锈蚀严重 ， 截面积减小 。个别横梁下翼缘受拉区混凝土剥离脱 落严重 ，已影响正常使用。如图 1 ，2所示。 2 2 无损检测 依据 J G J T 2 3 2 0 0 1 回弹法检测混凝土抗压 强度计算规程 ，应用 回弹法检测混凝土抗压强 度 。混凝土立柱尺寸较小，选 8 个测区做回弹 检测，在各立柱的南侧、北侧各设置2 个测区，在 内侧设置 2个测区 ，在上 、下面各设置 1个测区， 第2 9卷 2 0 0 9 年第4 期 湖南电力 研究与试验 I ：记凝土 立拄表面 铜筋锈蚀 图2 横梁混凝土表面脱落、碳化 每个测区测量 l 6个 回弹值 ，并选取 3个位置测量 碳化深度。检测数据如表 1 ，2所示。 表 1 混凝土回弹法检测数据 测 区 丁 学 3 5 3 3 3 6 4 0 3 9 3 0 3 0 3 4 4 1 4 2 3 6 3 5 3 6 4 0 41 3 8 3 6 4 0 4 2 3 9 4 4 3 8 3 5 3 6 3 9 4 6 4 2 4 0 3 9 3 7 3 6 4 0 3 2 4 2 3 4 3 7 4 2 3 2 4 0 3 7 3 2 3 9 3 5 4 1 3 8 3 4 4 0 3 3 3 8 3 9 3 7 3 9 41 4 0 4 0 3l 3 9 4 2 3 7 4 1 3 8 3 9 3 5 4 0 31 4 1 41 3 6 4 0 3 8 4l 4 5 3 4 4 2 3 7 3 5 4 2 3 7 4 2 3 6 3 4 3 9 3 3 4 3 4 3 3 4 4 4 3 7 3 2 4 3 3 6 3 4 41 4 2 3 6 4l 41 4 4 4 6 4 4 51 41 4 4 4 9 3 9 4 4 4 3 4 2 4 6 4 7 4 0 4 3 3 0 3 2 2 8 3 8 3 3 3 6 3 0 3 5 3 0 3 4 3 8 3 0 3 6 3 0 3 4 3 0 计算测区平均回弹值时，应从该测区的 1 6个 回弹值中删除 3个最大值和 3 个最小值 ， 余下的 l 0个 回弹值按下式计算 ： 1 0 R R 奇 ( 1 ) 式中尺 为测区平均回弹值，精确至 0 1 ；R i 为 第 个测点的回弹值。 当非水平方向检测混凝土浇筑侧面时， 按下式 修正： R = + R ( 2 ) 式 中R 为非水平状态检测时测区的平均回弹值 ， 精确至0 1 ；R 为非水平状态检测时回弹值修正 值，按规范采用。 根据 J G J T 2 3 2 0 0 1 回弹法检测混凝土抗压 强度计算规程 ，由回弹值可 以查表得到混凝土强 度值。当测区数少于 l O 个时，混凝土强度推定值 按下式确定 ： = ( 3 ) 式中 ： 为构件中最小测区混凝土强度换算值。 按上述公式对测量数据计算混凝土强度，结果 如表 3所示。 表 3 混凝土强度计算值 测区 _ 丁 了 下 R 3 6 9 3 9 0 3 6 7 3 8 9 3 8 9 3 8 3 3 9 9 3 5 8 丘 竺 ! ： ! ： 兰 ： ： ! ： ! ： 兰 ： 兰 ： 由表 3可知，该柱混凝 土强度值为 2 5 8 MP a ， 高于设计标准 l 3 4 MP a 。 3 损伤分析 3 1 碳化原因分析 混凝土碳化是指空气中的C O ： ，S O ： 等酸性气 体与水对水泥石中的 C a( O H) ： 作用 ，生成碳酸盐 和水 ，使混凝土的碱度降低 ，发生化学侵蚀破坏 ： C O 2 +H 2 0 +C a( O H) 2 =C a C O 3 + 2 H2 0 水泥在水化过程中生成较大数 目的C a( O H) ， 使混凝土内部充满 了饱和的 C a( O H) 溶液，这些 碱性的 C a( O n) ： 溶液对 钢筋具有 良好的保护作 用，会使钢筋表面生成氧化物即 F e ： 0 。 和F e ， 0 的 钝化膜。而碳化作用则是从和大气接触的混凝土表 面逐步 向混凝 土 内部延伸 的，当混凝 土 中的 c a( O H ) ： 与空气中的 C O 2 和 H 2 0接触起化学反 应，降低了C a( O H ) 的浓度，引起混凝土的体积 变化，使混凝土表层产生裂缝，裂缝的出现也就更 加大了混凝土与外界的接触 ；还有混凝土中的碱度 降低， 氢离子的浓度加大，碳化的化学侵蚀加剧。 混凝土的体积膨胀使细微裂缝更加深入，结构变得 0 研 究与试验 湖南电力 第2 9；- 2 0 0 9年第 4期 酥软、容易剥落。 3 2 冻融的影响分析 混凝土冻融破坏机理主要为膨胀压和渗透压理 论。吸水饱和的混凝土在冻融的过程中，遭受 的破 坏应力主要由 2部分组成。其一是当混凝土中的毛 细孔水在某一个负温条件下发生物态变化。由水转 变成冰， 体积膨胀 9 ，因受毛细孔壁约束形成膨 胀压力 ，从而在孔周 围的微观结构 中产生拉应力； 其二是当毛细孔水结成冰时 ，由凝胶孔中过冷水在 混凝土微观结构 中的迁移和重分布引起的渗管压。 由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点 随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度 在 一 7 8 以下 ，因而由冰与过冷水 的饱和蒸汽压差 和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗 透压 ，另外凝胶不断增大，形成更大膨胀压力。当 混凝土受冻时，这 2种压力会损伤混凝土内部微观 结构。只有当经过反复多次的冻融循环以后，损伤 逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝 ，使混 凝土的强度逐步降低 ，最后甚至完全丧失。从实际 应用事例不难看出 ，处在干燥条件的混凝土显然不 存在冻融破坏的问题 ，所以饱和水状态是混凝土发 生冻融破坏的必要条件之一 ，另一必要条件是外界 气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融 循环。这 2个必要条件 ，决定了混凝土冻融破坏是 从混凝土表面开始 的层层剥蚀破坏 。 另外 ，冻融为混凝土碳化反应创造更为有利的 条件，加速碳化进程 ，冻融次数越多 ，加速作用越 大。 3 3 钢筋腐蚀分析 电化学腐蚀是混凝土结构中钢筋锈蚀的根本原 因，它应具备以下 2 个条件： 钢筋表面形成电位 差 ，即在钢筋表面不同电位的区段之间形成阳极和 阴极；阳极区段的钢筋表面处于活化状态，可以 自由地释放电子，在阴极区段钢筋表面聚集足够的 水和氧。由于钢筋 中的碳及其它合金元素 的偏析 、 混凝土的碱度差异等因素都会使钢筋各部位的电极 电位不 同而形成局部电池 ，即在钢筋表面形成电位 差。一旦钢筋的钝化膜被破坏 ，在有水和氧的条件 下 ，钢筋就可能发生电化学反应。 电化学反应的过程如下 ： 阳极反应 ：F e F e “ + 2 e 阴极反应 ：2 H2 O+ O 2 + 4 e 一4 ( o n) 一 l 0 阳极、阴极反应生成的铁离子和氢氧根离子结 合生成氢氧化亚铁 ： F e + 2( O H) 一 - - - , F e( O H) 2 氢氧化亚铁与水中的氧作用生成氢氧化铁： 4 F e( O H) 2 + O 2 + 2 H 2 O - , 4 F e( O H) 3 钢筋表面上生成氢氧化铁 ，它下面的铁就成为 阴极 ，进一步促使锈蚀 。随着时间的推移 ，氢氧化 铁进一步 氧化生成 n F e O ， mH ： O ( 红 锈) ，一部 分氧化不完全 的变成 F e ， O ( 黑锈 ) ，在钢筋表面 形成锈层 。红锈 的体积可 以大到原来体积的 3 4 倍，黑锈的体积可以大到原来体积的2 倍。铁锈体 积膨胀 ，对周围混凝土产生压力 ，将使混凝土沿钢 筋方向开裂，进而使保护层成片脱落，而裂缝及保 护层的剥落又进一步导致钢筋更剧烈地锈蚀。 4结论和建议 4 1 对毛家塘 2 2 0 k V变电站混凝土立柱无损检测 表 明该立柱强度满足原设计强度要求 。 4 2 变 电站混凝土架构 昆凝土剥落是 由混凝 土碳 化 和冻融共 同作用产生 ，并且两者相互影响。 4 3 钢筋锈蚀属 电化学腐蚀 ，钢筋锈蚀后产生铁 锈加速了混凝土保护层的脱落。 4 4 加强对混凝 土柱 的防护工作 ，减缓混凝土碳 化速度 ；对于混凝土大面积脱落导致钢筋锈蚀严重 处 ，建议采用绕 丝法或加强板 等方 法加 固混凝土 柱 。 参考文献 1 杨奎 明 ，崔绍丰混凝土碳化 成 因与防治措施 J 海河水 利 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ：5 05 l ，5 7 2 李雯霞，周琦混凝土碳化对钢筋的腐蚀及影响因素 J 甘 肃科技 ， 2 0 0 8，2 4 ( 9 ) ：1 3 21 3 4 3 白轲 ，杨 元霞 ，何 智海 ，等浅析混凝土碳化机理及其影响因 素 J 粉煤灰综合利用 ， 2 0 0 8 ( 2 )：5 4 5 6 4 胡可 ，黄健 ，熊 娟 ，等混凝 土强 度的 回弹法无 损检测 技术 ( J ) 西 昌学 院学报 ： 自然科学版 ，2 0 0 8，2 2 ( 2 )：6 76 8 5 薛建新回弹法检测混凝土抗压强度的分析探讨 J 山西建 筑 ，2 0 0 8 ，3 4 ( 2 1 ) ：5 8 5 9 6 周 浪 ，关 淑君 ，袁 海军 回弹法测 定混凝 土强度能 力验证研 究 J 工程质量 ，2 0 0 8 ( 5 )：57 作者简介 ： 刘纯( 1 9 7 6一 ) ，男，湖北应城人，硕士，高级工程师，从事 结构应力分析和安全评估工作。