昌吉-古泉±1100 kV特高壓直流輸電工程塔基混凝土防腐試驗研究

丁永福 ，曾力 ，張金德 ，王新元 ，吳定燕 ，曹雁峰 ，胡萍 ，徐霞

（1.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京 100000；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430072）

昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程（以下簡稱昌古工程）是實施“疆電外送”的第2條特高壓輸電工程，是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的特高壓輸電工程。線路路徑總長度約3319.2 km，途經(jīng)新疆（604.7 km）、甘肅（1276.9km）、寧夏（187.5km）、陜西（405.2 km）、河南（539.5 km）、安徽（305.4 km）六省區(qū)。

經(jīng)調(diào)研，甘肅、新疆等地區(qū)地下土普遍屬于強腐蝕鹽漬土，腐蝕介質(zhì)主要為SO42-和Cl-[1]。硫酸鹽侵蝕是造成混凝土耐久性危機的關(guān)鍵因素之一，進(jìn)入混凝土的SO42-會與其中的水化產(chǎn)物反應(yīng)生成石膏、鈣礬石等膨脹性物質(zhì)，當(dāng)膨脹壓力大于材料抗拉強度時，就會開裂破壞[2]。以昌古工程在甘肅境內(nèi)的N2292塔基為例，地下土SO42-含量達(dá)136 mg/kg，腐蝕嚴(yán)重。因此，有必要針對塔基混凝土嚴(yán)重的硫酸鹽侵蝕問題展開研究。

研究表明[3-5]，粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料的摻入不僅能發(fā)揮微集料效應(yīng)，增大混凝土結(jié)構(gòu)的密實性，還可以減少膠凝材料中C3A含量，并消耗水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2，從而有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。但是不同礦物摻合料種類和質(zhì)量對混凝土的耐久性影響差異較大。調(diào)整6組配合比的水灰比，控制混凝土具有相同的坍落度（180～220 mm）和強度等級（C40），單摻、復(fù)摻和三摻不同比例的粉煤灰、礦渣粉和硅灰，探究不同摻合料組合對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：甘肅恒壓水泥有限公司的P·O42.5水泥，主要化學(xué)成分和物理性能分別見表1、表2；粉煤灰：酒鋼吉瑞再生資源開發(fā)有限公司的Ⅱ級粉煤灰，主要化學(xué)成分和物理性能分別見表1、表3；礦渣粉：嘉峪關(guān)市安邦礦粉有限責(zé)任公司的S95礦渣粉，主要化學(xué)成分和物理性能分別見表1、表4；硅粉：武漢新必達(dá)公司的高加密硅粉，主要化學(xué)成分見表1；引氣劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司的GYQ-Ⅰ混凝土高效引氣劑；減水劑：玉門山柏建材化工有限公司的HPWR-R聚羧酸減水劑，固含量40%，減水率20%；河砂：細(xì)度模數(shù)3.0；碎石：粒徑5～20 mm，壓碎指標(biāo)11.5%。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理力學(xué)性能

表3 粉煤灰的物理性能

表4 礦渣粉的物理性能

1.2 試驗方法

按照表5配合比制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的干濕循環(huán)方法進(jìn)行混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗，設(shè)計抗硫酸等級為KS150。干濕循環(huán)30、60、90及150次后，分別進(jìn)行混凝土試件抗壓強度試驗，同時測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對比試件的抗壓強度，混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)采用式（1）計算；采用吸水動力學(xué)法分析混凝土孔隙結(jié)構(gòu)；同時按混凝土漿體部分制作凈漿試塊與混凝土試塊一起進(jìn)行侵蝕試驗，采用XRD法分析水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

式中：Kf——抗壓強度耐蝕系數(shù)，%；

fn——n次干濕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕的混凝土試件的抗壓強度，MPa；

f0——標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下對比混凝土試件的抗壓強度，MPa?？沽蛩猁}等級應(yīng)以混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)下降到不低于75%時的最大干濕循環(huán)次數(shù)來確定。

表5 混凝土的配合比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土抗壓強度及耐蝕系數(shù)

混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強度及耐蝕系數(shù)試驗結(jié)果見表6。

表6 混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強度及耐蝕系數(shù)

2.1.1 粉煤灰摻量對耐蝕系數(shù)的影響

由表6可見：（1）硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)30次時，6組混凝土的耐蝕系數(shù)不減反增，循環(huán)60次后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耐蝕系數(shù)逐漸減小。文獻(xiàn)[6-7]的研究也得到相似結(jié)論。這是因為早期硫酸鹽侵蝕時，在混凝土孔隙中生成的鈣礬石和石膏量有限，不足以產(chǎn)生膨脹破壞，反而填充混凝土孔隙，起到降低混凝土孔隙率，提高孔均勻性并減小孔徑的作用，因而混凝土的耐蝕系數(shù)不減反增。但隨著侵蝕時間的延長，生成的鈣礬石和石膏量也逐漸增加，其產(chǎn)生的膨脹力足以破壞混凝土結(jié)構(gòu)，因而耐蝕系數(shù)減小。（2）隨著粉煤灰摻量增加，在侵蝕后期，混凝土耐蝕系數(shù)逐漸增大，這是因為摻粉煤灰減少了水泥用量，C3A量也隨之減少，相應(yīng)減少了鈣礬石等膨脹物質(zhì)的生成量；同時，粉煤灰會消耗混凝土的水化產(chǎn)物氫氧化鈣，進(jìn)而減少膨脹物質(zhì)的生成量；此外，摻合料還可填充、細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實性。粉煤灰摻量15%時，150次干濕循環(huán)抗壓強度耐蝕系數(shù)已達(dá)到80%。因此，防腐混凝土的摻合料摻量應(yīng)大于15%。粉煤灰摻量為30%時，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能較好，故后續(xù)雙摻及三摻試驗均選擇30%的摻合料摻量。（3）粉煤灰對混凝土的后期強度發(fā)展有利，且摻量越大，強度發(fā)展越顯著?？箟簭姸仁腔炷两Y(jié)構(gòu)完整性的宏觀表現(xiàn)，因而摻入粉煤灰可以有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，并且摻量越大（試驗范圍內(nèi)）抗硫酸鹽侵蝕性能越高。

2.1.2 復(fù)摻對耐蝕系數(shù)的影響

由表6可見，摻合料摻量相同時，F(xiàn)-5采用粉煤灰與礦渣粉復(fù)摻，150次干濕循環(huán)后，其抗硫酸鹽侵蝕性能比F-3單摻粉煤灰的混凝土有提高；同樣，F(xiàn)-6采用粉煤灰、礦渣粉及硅粉三摻，其抗硫酸鹽侵蝕性能比F-5雙摻混凝土又有提高。其原因為：（1）活性效應(yīng)優(yōu)化，硫酸鹽侵蝕的途徑之一是混凝土中存在與其反應(yīng)可生成膨脹性有害物質(zhì)的水化產(chǎn)物Ca（OH）2，摻合料的作用就是可部分消耗掉這種水化產(chǎn)物，而摻合料復(fù)摻不僅可消耗掉這種水化產(chǎn)物，還利用不同摻合料的活性時間效應(yīng)把消耗作用合理分布在不同時段，達(dá)到全時段更有效地發(fā)揮抗侵蝕作用。（2）填充效應(yīng)優(yōu)化，硫酸鹽侵蝕的另一途徑是混凝土中存在硫酸根離子進(jìn)入的通道，即與外界的連通孔隙，不同顆粒細(xì)度的摻合料復(fù)摻可以更有效填充孔隙，降低孔隙率并減小孔徑，起到密實作用。因此，通過摻合料復(fù)摻可以更有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)分析

采用吸水動力學(xué)法[8]測試和計算得到混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)（顯孔隙率P、孔均勻性α及平均孔徑λ），其中α值的波動范圍為0≤α≤1，其值越大表明孔的均勻性越好，對單毛細(xì)孔材料α=1，而λ值越小表明平均孔徑越小，孔結(jié)構(gòu)越好。測試結(jié)果分別見圖1～圖3。

圖1 不同侵蝕次數(shù)混凝土的顯孔隙率

圖2 不同侵蝕次數(shù)混凝土的孔均勻性

圖3 不同侵蝕次數(shù)混凝土的平均孔徑

2.2.1 顯孔隙率分析

由圖1可見：（1）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，各組混凝土的孔隙率總體上先減小后增大。印證了侵蝕早期生成的鈣礬石及石膏量有限，其膨脹力不僅不會引起破壞，反而起到填充孔隙的作用；隨著侵蝕的不斷進(jìn)行，生成的鈣礬石和石膏量隨之增加，晶體的膨脹破壞力越來越大，最終使顯孔隙率不斷增大。（2）粉煤灰摻量越大及摻合料復(fù)摻，混凝土的顯孔隙率相應(yīng)減小，隨著侵蝕次數(shù)的增加，顯孔隙率的增加量也較小。

2.2.2 孔均勻性分析

由圖2可見：（1）在硫酸鹽侵蝕下，各組混凝土的孔均勻性α隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，表明孔均勻性逐漸變差，尤其是在侵蝕后期，變差效果更明顯，說明到后期硫酸鹽侵蝕破壞作用越來越大。（2）同樣，粉煤灰摻量越大及摻合料復(fù)摻，混凝土的孔均勻性較好。

2.2.3 平均孔徑分析

由圖3可見：（1）與前規(guī)律相同，隨著侵蝕次數(shù)增加平均孔徑先減小后增大，進(jìn)一步證明早期硫酸鹽侵蝕作用主要是填充孔隙，到了后期開始發(fā)揮破壞作用。（2）摻合料摻量增加及復(fù)摻均可細(xì)化孔隙，提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

摻入摻合料可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使體系更加密實[9]，提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，尤其復(fù)摻效果更佳。

2.3 水化產(chǎn)物分析

標(biāo)養(yǎng)條件下，F(xiàn)-1、F-2、F-3試樣干濕循環(huán)150次后的XRD 圖譜見圖 4（a）；硫酸鹽侵蝕條件下，F(xiàn)-3、F-5、F-6 試樣干濕循環(huán)150次后的XRD圖譜見圖4（b）。

圖4 各組試件干濕循環(huán)150次后的XRD圖譜

由圖 4（a）可見，粉煤灰摻量從 0 增加到 45%，Ca（OH）2衍射峰高度逐漸降低，一方面是因為摻入摻合料減少了水泥用量，Ca（OH）2隨之減少；另一方面是因為摻合料發(fā)揮火山活性消耗了部分 Ca（OH）2，Ca（OH）2的減少有利于混凝土的抗硫酸鹽侵蝕。摻入摻合料，AFt晶體含量相應(yīng)降低，表明生成的膨脹破壞性物質(zhì)減少。

由圖4（b）可見，礦物摻合料總摻量為30%條件下，混凝土在150次硫酸鹽干濕循環(huán)后的Ca（OH）2和Aft衍射峰高度（物質(zhì)含量）由高到低順序為F-3>F-5>F-6。說明相同礦物摻合料摻量下，摻12%粉煤灰+12%礦渣粉和6%硅灰最有利于提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，其次是復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉，最后為單摻粉煤灰。這一結(jié)果與復(fù)摻對混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)的影響結(jié)果吻合。

摻入摻合料可改變混凝土的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，減少與硫酸鹽反應(yīng)的水化產(chǎn)物，達(dá)到提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的目的。

3 結(jié)論

在控制混凝土抗壓強度滿足C40的條件下，選取不同的摻合料種類和摻量，采用硫酸鹽干濕循環(huán)法加速腐蝕試驗。通過抗壓強度、耐蝕系數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和XRD圖譜的測試分析，研究不同摻合料組合對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

（1）在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗中，6種混凝土的耐蝕系數(shù)都在循環(huán)30次時達(dá)到最大，之后隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能經(jīng)歷先提高后下降的過程。

（2）粉煤灰對混凝土的后期強度發(fā)展有利，且摻量越大，強度發(fā)展越顯著，越有助于提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。單摻粉煤灰時，防腐混凝土要求至少15%的摻量。

（3）當(dāng)增大粉煤灰摻量或采用粉煤灰、硅粉雙摻以及粉煤灰、礦渣粉和硅粉三摻時，礦物摻合料的活性效應(yīng)和填充效應(yīng)能有效改善混凝土孔結(jié)構(gòu)和有害水化產(chǎn)物量，從而提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

（4）復(fù)摻12%粉煤灰+12%礦渣粉和6%硅灰最有利于提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。