鹽漬土地區(qū)混凝土基礎(chǔ)的腐蝕與防護(hù)

苗 興，袁 芳，李玉鵬

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050)

1 概述

混凝土具有取材方便、造價(jià)低廉、便于施工、承載能力強(qiáng)、剛度大、整體性好及易于成型等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中。在輸變電工程建設(shè)中，輸電線路桿塔通常采用柱型鋼筋混凝土基礎(chǔ)。作為輸電線路設(shè)備的重要組成部分，鋼筋混凝土基礎(chǔ)不僅要支撐輸電桿塔、導(dǎo)線、地線、絕緣子、金具等設(shè)備重量，還要承擔(dān)大風(fēng)、覆冰、熱脹冷縮、地震、沉陷等因素造成的載荷，其安全可靠性對保證輸電桿塔穩(wěn)定、防止桿塔變形及傾覆起到至關(guān)重要的作用。因此，鋼筋混凝土基礎(chǔ)的使用壽命與電網(wǎng)設(shè)備的安全、整體壽命密不可分。

然而，鋼筋混凝土基礎(chǔ)的使用壽命與其地理位置、土壤成分有很大關(guān)系。甘肅西部局部地區(qū)為鹽漬土壤，且氣候寒冷，晝夜溫差大，這些因素都對鋼筋混凝土基礎(chǔ)的使用壽命造成一定的影響。因此，如何降低鹽漬土對鋼筋混凝土的侵蝕，延長西部鹽漬土地區(qū)輸變電設(shè)備的使用壽命，是一個(gè)亟待解決的重要問題。

2 鹽漬土腐蝕成分特點(diǎn)

一般將土壤表層厚度0～30 cm且可溶鹽含量大于0.2 %(即2 000 mg/kg)的土壤稱為鹽漬土。鹽漬土的主要特征是含有鹽分，尤其是易溶鹽，這對鋼筋混凝土有腐蝕性，影響輸變電設(shè)備混凝土基礎(chǔ)和地下設(shè)施的耐久性和安全性。甘肅河西地區(qū)位于北溫帶大陸性氣候干旱荒漠，具有蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水稀少、日照時(shí)間長、晝夜溫差大、四季分明等特征，其鹽漬土主要分布在酒泉、張掖、武威3市。

鹽漬土中的可溶鹽主要為氯鹽、硫酸鹽和碳酸鹽，甘肅西部張掖市鹽漬土主要含硫酸鹽，還含有氯鹽和碳酸鹽等。為研究該地區(qū)鹽漬土腐蝕成分對輸電線路桿塔混凝土基礎(chǔ)的腐蝕情況，探索提高混凝土基礎(chǔ)抗腐蝕能力的方法并驗(yàn)證其有效性，現(xiàn)對甘肅西部張掖市臨澤縣的某110 kV線路沿線土壤腐蝕成分及含量開展了初步調(diào)查和取樣對比，并最終選定土壤鹽漬化程度最嚴(yán)重的G29號(hào)和G30號(hào)塔基作為試驗(yàn)研究和示范工程點(diǎn)。在開挖輸電線路桿塔混凝土基礎(chǔ)時(shí)，對G29，G30塔基部位表層土壤再次取樣分析，結(jié)果表明：該地區(qū)土壤可溶鹽成分主要為硫酸鹽和氯鹽，易溶鹽總含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鹽漬土含量標(biāo)準(zhǔn)。該地區(qū)土壤成分分析結(jié)果見表1。

從現(xiàn)場挖掘的土壤樣品來看，不同深度的土壤組成及易溶鹽形貌均存在差別。表層土壤中含有大量的砂石和分散的易溶鹽結(jié)晶體；深層土壤主要為結(jié)構(gòu)密實(shí)的紅壤土，含有大塊的鹽結(jié)晶體。通過現(xiàn)場實(shí)地勘察取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合示范線路及其附近運(yùn)行多年線路的勘察結(jié)果，可以得知：沿線地基土壤對混凝土結(jié)構(gòu)具有中～強(qiáng)腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱～中腐蝕性。

3 混凝土基礎(chǔ)的破壞現(xiàn)象和損傷機(jī)理

在鋼筋混凝土構(gòu)件使用過程中，混凝土結(jié)構(gòu)受到荷載、環(huán)境等方面影響，其結(jié)構(gòu)性能會(huì)發(fā)生退化。當(dāng)土壤含有大量硫酸鹽時(shí)，硫酸鹽會(huì)滲入混凝土孔隙中，并在土壤與干燥空氣的界面濃縮、結(jié)晶。一方面，當(dāng)結(jié)晶作用受到毛細(xì)孔壁限制時(shí)，將對孔壁產(chǎn)生巨大的結(jié)晶壓力，使混凝土產(chǎn)生裂縫；另一方面，土壤中的硫酸根離子滲入混凝土后，會(huì)和水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成具有膨脹性的腐蝕產(chǎn)物。在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生混凝土開裂、剝落等現(xiàn)象，造成混凝土強(qiáng)度和粘接性能喪失。在甘肅西部地區(qū)，由于季節(jié)溫差、晝夜溫差及濕度變化等物理因素造成凍融循環(huán)、鹽凍融循環(huán)以及熱脹冷縮等作用，也會(huì)進(jìn)一步加劇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和壽命降低。

表1 G29，G30塔基開挖取樣土壤腐蝕性成分分析檢驗(yàn)報(bào)告

在水化過程中，水泥產(chǎn)生高堿性(pH≥12.5)，使混凝土中的鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，對鋼筋具有較強(qiáng)的保護(hù)作用。然而，鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才穩(wěn)定。研究證明：鋼筋表面失去鈍化、發(fā)生腐蝕的臨界pH值在11.2～11.05。當(dāng)土壤中含有氯鹽時(shí)，游離Cl-可滲入混凝土中；當(dāng)Cl-濃度超過一定值后，在Cl-及CO2、SO2的共同作用下，混凝土孔隙液pH值將降低，鋼筋表面的鈍化膜將遭到破壞，使鋼筋產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕。這樣不僅降低了鋼筋對混凝土的加強(qiáng)作用，同時(shí)腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2、FeCl3等會(huì)因膨脹對混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞，使混凝土開裂、剝落，造成混凝土基礎(chǔ)承載能力下降。

對張掖市鹽漬土地區(qū)鋼筋混凝土設(shè)施的使用情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)通訊光纜混凝土標(biāo)記樁和電力線路混凝土桿塔受土壤中易溶鹽侵蝕及凍融循環(huán)等綜合作用，發(fā)生表層開裂、剝落及內(nèi)部鋼筋腐蝕現(xiàn)象。

4 提高鋼筋混凝土基礎(chǔ)抗腐蝕能力

混凝土含有膠凝材料、水、粗骨料、細(xì)骨料、摻合料以及外加劑等組份。選取適當(dāng)?shù)谋壤浜希?jīng)拌制、成型、硬化后形成具有一定強(qiáng)度和耐久性的人造石材。因此，混凝土中各組份成分及配比將對混凝土的機(jī)械性能及抗腐蝕性能產(chǎn)生重大影響。結(jié)合鹽漬土地區(qū)土壤腐蝕性介質(zhì)的成分特點(diǎn)，為提高鋼筋混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)從提高混凝土抗硫酸鹽能力及防止鋼筋腐蝕入手。

(1)采用抗硫酸鹽水泥或控制水泥中熟料中礦物質(zhì)C3A的含量，以降低混凝土硫酸鹽腐蝕后的膨脹量。

(2)摻加粉煤灰、礦渣粉等礦物摻和料，利用摻和料的填充效應(yīng)、微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)，降低混凝土的水膠比，改善混凝土的和易性，增加混凝土的密實(shí)度。

(3)控制最小水泥用量和最大水灰比：在一定范圍內(nèi)提高水泥的用量，可增加混凝土密實(shí)度和混凝土強(qiáng)度，減少因硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生的膨脹。

(4)改善養(yǎng)護(hù)條件，降低蒸養(yǎng)溫度，減少二次生成硫酸鋁和硫酸鈣，從而避免引起膨脹破壞。

(5)摻加可提高混凝土抗腐蝕性能的外加劑，混凝土外加劑一般可提高混凝土的抗?jié)B性能、早期強(qiáng)度及抗凍融能力，同時(shí)其內(nèi)部還含有防止鋼筋銹蝕的阻銹成分，可提高混凝土抵抗硫酸鹽和氯離子的雙重侵蝕能力。

據(jù)悉，現(xiàn)在有多種防止混凝土鋼筋腐蝕的措施，包括：適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度和水泥用量、采用高性能混凝土、確保鋼筋保護(hù)層厚度、避免混凝土開裂或嚴(yán)格控制裂紋寬度、提高混凝土密實(shí)度、內(nèi)摻鋼筋阻銹劑，外表涂層保護(hù)、涂鍍層鋼筋、陰極保護(hù)等。其中，在鋼筋混凝土澆筑過程中添加阻銹劑具有較好的防護(hù)效果，且具有成本低廉、便于施工的優(yōu)點(diǎn)，是目前防止鋼筋腐蝕的主要措施，已得到了廣泛應(yīng)用。

在原示范應(yīng)用工程線路中，采用亞硝酸鹽無機(jī)阻銹劑。這種阻銹劑為典型的陽極型阻銹劑，雖然能保護(hù)鋼筋免遭腐蝕，但也在不斷地消耗自身，其抗腐蝕效果難以保證，且當(dāng)Cl-濃度大到一定程度時(shí)反而能夠促進(jìn)鋼筋腐蝕。另外，由于亞硝酸鹽具有毒性，目前已逐漸被低毒和更環(huán)保的有機(jī)阻銹劑取代。在張掖110 kV線路的實(shí)驗(yàn)和示范工程中，采用中科院金屬所新近開發(fā)的含氧、氮和磷雜環(huán)化合物和醇/胺縮合物為主體的新型有機(jī)阻銹劑，并進(jìn)行了對比試驗(yàn)。這類阻銹劑分子可通過競爭優(yōu)先吸附在混凝土中鋼筋的表面上，形成吸附膜，阻礙Cl-在鋼筋表面吸附和對鋼筋的侵蝕，延長鋼筋局部腐蝕的誘發(fā)時(shí)間，從而起到阻銹的功能。

5 實(shí)驗(yàn)研究與示范工程實(shí)施

項(xiàng)目在大量實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出通過改變混凝土成分和配合比、加入適合外加劑和調(diào)整混凝土施工工藝等措施，以提高混凝土強(qiáng)度、抗腐蝕和耐久性，并通過設(shè)計(jì)、土壤取樣、基礎(chǔ)開挖整平、綁鋼筋、支模、混凝土原材料和配合比調(diào)整、混凝土攪拌、運(yùn)輸、澆筑、試樣制備、傳感器安裝、基礎(chǔ)及試塊填埋、跟蹤監(jiān)測等，全過程參與和控制。

5.1 抗腐蝕混凝土配制及防護(hù)效果對比試驗(yàn)

5.1.1 高性能抗腐蝕混凝土配制

工程原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C35，為提高混凝土的強(qiáng)度和抗硫酸鹽腐蝕能力，采取降低水灰比，在混凝土中摻入一定量的粉煤灰和礦粉，并適當(dāng)添加外加劑，經(jīng)過反復(fù)試配，最終得出性能良好的C60混凝土。該混凝土水泥用量為280 kg/m3(總膠結(jié)材料為470 kg/m3)，總用水量約160 kg/m3，平均抗壓強(qiáng)度為63 MPa(標(biāo)樣28d），混凝土的出機(jī)塌落度>240 mm，塌落擴(kuò)展度>600 mm，1 h后坍落度無損失，具有良好的工作性。澆筑完成48 h后進(jìn)行拆模，經(jīng)檢查，混凝土外觀光潔平整，質(zhì)量良好。拆模后立即包裹聚氯乙烯薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，2天后拆除塑料膜進(jìn)行回填。

5.1.2 混凝土性能試驗(yàn)

5.1.2.1 抗壓強(qiáng)度

實(shí)際示范樁基用C60，C35A混凝土的3d，7d和28d平均抗壓強(qiáng)度見表2，均滿足C60和C35混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

5.1.2.2 抗?jié)B性能試驗(yàn)

按NEL法測得的標(biāo)養(yǎng)28d的C60混凝土中的平均氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.2×10-12m2/s，表明它具有優(yōu)良的抗?jié)B性。

5.1.2.3 C60和C35混凝土耐久性能對比試驗(yàn)

選擇G29塔基做C60和C35混凝土抗腐蝕性能對比試驗(yàn)。A，C基樁采用原設(shè)計(jì)C35+原設(shè)計(jì)阻銹劑，B，D基礎(chǔ)采用示范C60混凝土，定期觀察對比2種混凝土表面開裂和剝蝕情況。

作為反映混凝土內(nèi)部特征的一個(gè)重要指標(biāo)，動(dòng)彈性模量與混凝土的抗壓強(qiáng)度、腐蝕損傷及凍融破壞間存在必然的聯(lián)系。當(dāng)混凝土試件受到腐蝕、凍融等作用產(chǎn)生裂紋或密度、強(qiáng)度下降時(shí)，其諧振頻率就會(huì)發(fā)生改變，采用動(dòng)彈性模量測量儀進(jìn)行混凝土試塊的共振頻率測試和分析，可以間接了解混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況。為此，分別制作了C35和C60自然暴露混凝土試件各9個(gè)(100 mm×100 mm×400 mm)，豎立半埋于G29基礎(chǔ)中心回填土中，每間隔一定時(shí)間挖出測量其共振頻率，以了解混凝土性能變化情況。測試試樣澆筑后120天暴露齡期內(nèi)的共振頻率，其數(shù)據(jù)具有一定的分散性但相對穩(wěn)定，沒有明顯的規(guī)律性改變。

因混凝土動(dòng)彈性模量的變化受腐蝕環(huán)境影響較大，干濕循環(huán)條件下的混凝土受到硫酸鹽的侵蝕要比長期處于浸泡環(huán)境中的混凝土更加嚴(yán)重，力學(xué)性能下降也更明顯?？紤]到張掖地處干旱地區(qū)，且試件制成時(shí)間短，尚未經(jīng)歷明顯的濕度改變及凍融循環(huán)，因此其動(dòng)彈性模量在短期內(nèi)不可能產(chǎn)生明顯改變。由于試塊成型品質(zhì)差異、測試人員不同等因素對測試產(chǎn)生的影響，數(shù)據(jù)小幅度波動(dòng)應(yīng)在情理之中。

5.2 不同阻銹劑對比試驗(yàn)及防護(hù)效果監(jiān)測

選定為G30塔基進(jìn)行試驗(yàn)。其中A，C基樁采用原設(shè)計(jì)C35混凝土+原設(shè)計(jì)亞硝酸鹽阻銹劑，B，D基樁采用原設(shè)計(jì)C35混凝土+中科院阻銹劑。在4個(gè)基樁中分別埋設(shè)了4個(gè)鋼筋腐蝕傳感器，埋設(shè)部位距地表面25 mm深，距混凝土外表面100 mm。鋼筋腐蝕傳感器中的工作電極由建筑用普通鋼筋加工而成，面積12.073 8 cm2，輔助電極為石墨棒，除工作面外，其余部分用環(huán)氧樹脂密封。鋼筋腐蝕傳感器埋入混凝土后，定期測量體系的電極電位、宏觀電池電流密度，了解混凝土中鋼筋的電化學(xué)腐蝕進(jìn)程。

表2 示范工程用混凝土配比及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對基礎(chǔ)澆筑完成及其后60天和120天的3次監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)5個(gè)測量傳感器測出的電極電位和腐蝕電流均未發(fā)生明顯變化。因鋼筋腐蝕是一個(gè)長期過程，且冬季張掖地區(qū)氣候干旱，因此，初期階段腐蝕很緩慢，暫時(shí)還無法判斷原設(shè)計(jì)阻銹劑和有機(jī)阻銹劑對比后的防腐蝕效果。

另外，在基礎(chǔ)澆筑時(shí)，同時(shí)成型了21個(gè)Φ150×150 mm的鋼筋混凝土試件，置于G30塔基周圍地表鹽漬土中，埋深為150 mm。每個(gè)試塊中埋有3根用鋼筋制成的Φ10×30 mm圓棒，圓棒重量事先經(jīng)過精確稱量，埋入地下后定期取出再次進(jìn)行稱量，以確定鋼筋棒金屬腐蝕消耗量。因工程結(jié)束時(shí)間尚短，加之冬季氣候干旱，考慮到鋼筋腐蝕不會(huì)太明顯，故暫未對這些試件解體進(jìn)行測量。

6 結(jié)束語

由于甘肅西部地區(qū)氣候比較干燥，氣象條件和土壤腐蝕成分相對較為復(fù)雜，在各種因素的共同作用下，鋼筋混凝土基礎(chǔ)的損傷和破壞相對復(fù)雜、漫長。因此，對項(xiàng)目示范工程塔基混凝土進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測，以獲取實(shí)際腐蝕環(huán)境下混凝土構(gòu)件在整個(gè)壽命歷程中的完整監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于進(jìn)一步研究甘肅西部鹽漬土地區(qū)鋼筋混凝土基礎(chǔ)的腐蝕破壞過程和失效機(jī)理，探索和總結(jié)適用于輸變電設(shè)備混凝土基礎(chǔ)的切實(shí)可行的腐蝕防護(hù)方法，延長其使用壽命和提高運(yùn)行安全性，具有十分重要的意義。

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