超高強(qiáng)混凝土研究現(xiàn)狀及在電桿中的應(yīng)用研究

曹文典，吳 婷

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司，江西南昌330063）

0 引言

混凝土電桿是我國(guó)供配電網(wǎng)中的重要電力設(shè)施。普通電桿大部分都自重大、容易開(kāi)裂、耐久性方面較差、壽命短，一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍。隨著國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，對(duì)混凝土電桿的各方面性能要求比以往要高；普通電桿的上述缺點(diǎn)在一定程度上制約著電網(wǎng)的發(fā)展，隱藏著較大的安全隱患，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。超高強(qiáng)混凝土本身?yè)碛袕?qiáng)度大，耐久性能好的優(yōu)異特點(diǎn)，能夠有效克服普通混凝土的不足，目前已運(yùn)用在橋梁、鐵路、預(yù)應(yīng)力管樁構(gòu)件中，在混凝土電桿方面的運(yùn)用還鮮有報(bào)道。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國(guó)城市土地資源越來(lái)越短缺，超高強(qiáng)混凝土電桿可以憑借其強(qiáng)度高的特點(diǎn)，避免了拉線占用土地資源的缺陷；借助薄壁質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，可以在山區(qū)等運(yùn)輸條件差和運(yùn)行環(huán)境惡劣的地區(qū)得到運(yùn)用。

1 超高強(qiáng)混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 超高強(qiáng)混凝土的定義及特點(diǎn)

超高強(qiáng)混凝土作為新型的水泥基材料，與常規(guī)混凝土相比，具有強(qiáng)度大、耐久性能好的優(yōu)點(diǎn)。隨著電網(wǎng)建設(shè)工程的發(fā)展，在綠色環(huán)保理念的大環(huán)境下，混凝土研究朝著高強(qiáng)度的方向發(fā)展。在各國(guó)學(xué)者精心研究和不懈努力下，Larrard等在1994年提出超高強(qiáng)混凝土這一概念[1]。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝土；具備和一些金屬等同的韌性，使結(jié)構(gòu)在極限荷載下具備更好的可靠性；由于低水膠比和孔隙率，使其具有較強(qiáng)的抗?jié)B透能力和抗腐蝕能力；因?yàn)槠鋬?nèi)部存在大量的沒(méi)有完全水化反應(yīng)的水泥顆粒，使其在開(kāi)裂狀態(tài)下可以進(jìn)行自我修復(fù)；自重的減少顯著降低靜荷載，有利于結(jié)構(gòu)的制造和降低工程成本[2]。

1.2 超高強(qiáng)混凝土的制備技術(shù)

該材料通過(guò)在砼中添加超細(xì)活性礦物料，如硅灰、磨細(xì)礦渣、磨細(xì)粉煤灰等，使基體內(nèi)部的孔隙等缺陷變少，從而獲得較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性能。謝友均等運(yùn)用硅灰、水泥和超細(xì)粉煤灰以0.25∶1∶（0.3~0.4）的用量比，在水膠比小于0.16 和100 ℃的熱水養(yǎng)護(hù)下制備了超高強(qiáng)混凝土，未添加鋼纖維的抗壓強(qiáng)度值為200 MPa，添加比例為3%時(shí)其值接近250 MPa[3]。黃政宇等采用河砂代替石英砂，制備含粗骨料超高強(qiáng)混凝土，其力學(xué)性能優(yōu)異[4]。魯亞等通過(guò)制備多種等級(jí)的超高強(qiáng)混凝土開(kāi)展力學(xué)性能試驗(yàn)，研究常規(guī)混凝土與超高強(qiáng)混凝土測(cè)驗(yàn)方法之間的差異，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)都可以按照普通混凝土的試驗(yàn)方法進(jìn)行操作[5]。國(guó)愛(ài)麗等用水泥、石英砂、粉煤灰、礦渣以及2%的鋼纖維制備了超高強(qiáng)混凝土，經(jīng)過(guò)3 天的60 ℃熱養(yǎng)護(hù)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到160 MPa[6]。

1.3 超高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度

普通混凝土?xí)谐叽缧?yīng)問(wèn)題，在超高強(qiáng)混凝土當(dāng)中同樣會(huì)有這個(gè)問(wèn)題?？聲攒姷炔捎迷囼?yàn)方法證明超高強(qiáng)混凝土材料彈性模量和強(qiáng)度較大，對(duì)尺寸效應(yīng)反應(yīng)的敏感性要比常規(guī)混凝土弱[7]。添加鋼纖維、硅粉、粉煤灰等原材料，運(yùn)用熱養(yǎng)護(hù)方法，都可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度值，相反加入聚丙烯纖維會(huì)對(duì)強(qiáng)度有降低的作用[8]。王軍委等研究表明，水膠比為0.24時(shí)，對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)最有利[9]。隨著水膠比的變大，其抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著降低；礦物料的添加對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度影響比較明顯，對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)影響有限，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最適宜的比例為40%。膠凝材料用量的多少對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定的影響，一般總量為600 kg/m3最合適。

1.4 超高強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度

超高強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度的測(cè)試方式和普通混凝土相同，采用軸拉試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)。超高強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度從低到高排序?yàn)閺澙瓘?qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和軸拉強(qiáng)度。超高強(qiáng)混凝土控制開(kāi)裂的能力較好，最大拉應(yīng)變達(dá)到3%以上。蒲心誠(chéng)等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著抗壓強(qiáng)度的增大，超高強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度也相應(yīng)的提高，但相應(yīng)的增速比普通混凝土的要小[10]?？拐蹚?qiáng)度和劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值較常規(guī)混凝土的要小，表明超高強(qiáng)混凝土的脆性比常規(guī)混凝土的要弱。

2 混凝土電桿技術(shù)進(jìn)展及存在的問(wèn)題

2.1 混凝土電桿的技術(shù)進(jìn)展

混凝土電桿屬于城鄉(xiāng)中低壓電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。按桿上下端的直徑差異分成等徑桿和錐形桿兩類[11]。電桿結(jié)構(gòu)截面一般采用環(huán)形，由于環(huán)形截面具備下列優(yōu)勢(shì)：1）各向承載力均等；2）比實(shí)心截面節(jié)材約40%；3）環(huán)形截面無(wú)突出部分，不易損壞。環(huán)形截面電桿普遍采取離心工藝成型，運(yùn)用常壓蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)[12]。

目前混凝土電桿主要在低電壓等級(jí)的線路工程和通訊工程中運(yùn)用。在輸電線路工程中，常規(guī)電桿應(yīng)用比例越來(lái)越高，預(yù)應(yīng)力混凝土電桿應(yīng)用較少[13]，大彎矩混凝土電桿應(yīng)用有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在生產(chǎn)方面，國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范的實(shí)施，使得混凝土電桿的生產(chǎn)更加規(guī)范，電桿的質(zhì)量保證更加完善。在日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求下，大部分企業(yè)建設(shè)了蒸養(yǎng)池，同時(shí)采用了自動(dòng)化控制系統(tǒng)。目前生產(chǎn)線完成了機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化，各種自動(dòng)和智能的設(shè)施得到應(yīng)用，例如自動(dòng)吊具、自動(dòng)清模設(shè)備等。

2.2 混凝土電桿存在的問(wèn)題

雖然混凝土電桿具備自身的優(yōu)點(diǎn)，但其在生產(chǎn)、運(yùn)輸及后期的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在問(wèn)題，縮短電桿的使用壽命，增加電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1）目前混凝土電桿表面強(qiáng)度大多為C50，強(qiáng)度等級(jí)較低，在大跨越和轉(zhuǎn)角時(shí)需要安裝拉線，拉線的安裝會(huì)占用一定的土地資源，在城區(qū)等土地較緊缺的地域應(yīng)用受限。

2）普通混凝土電桿的強(qiáng)度較低，在承受大荷載的情況下，容易導(dǎo)致開(kāi)裂發(fā)生桿塔倒塌事故，造成供電故障風(fēng)險(xiǎn)。

3）普通水泥電桿常年承受垂直方向、水平方向的不對(duì)稱拉力作用，會(huì)產(chǎn)生淺表性裂紋，外部雨水和潮濕空氣會(huì)隨著裂紋侵蝕到電桿內(nèi)部，引起鋼骨架腐蝕，造成電桿的服役年限縮短。

4）混凝土電桿多數(shù)采用離心成型工藝，雖然此工藝能夠使混凝土更加密實(shí)，但是仍然有20%左右的水分殘留在混凝土中，水分揮發(fā)后殘留下孔隙的比例較高。隨著氣候的變暖和雨雪冰凍天氣的增加，孔隙率較高的混凝土電桿的耐久性能較差，一定程度上影響到電桿的服役年限。

3 超高強(qiáng)混凝土在電桿中的應(yīng)用

隨著輸電網(wǎng)的建設(shè)，桿塔的耐久性、安全性等問(wèn)題越來(lái)越突出，各種新型桿塔不斷研發(fā)出來(lái)。超高強(qiáng)電桿因其強(qiáng)度較高、性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在電力線路中得到認(rèn)可[14]。

3.1 超高強(qiáng)混凝土電桿的特點(diǎn)

超高強(qiáng)混凝土電桿比普通水泥桿具備更高的強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度是普通混凝土的2 倍以上，在同等承載能力的前提下采用超高強(qiáng)混凝土制成的電桿壁厚比普通電桿減少50%，重量也相應(yīng)的可降低30%~50%。在山區(qū)、丘陵等運(yùn)輸條件困難，特別是需要人工進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的環(huán)境下，因其自重輕可以采用。

電桿高強(qiáng)度的表現(xiàn)有以下3個(gè)方面：1）基體材料的抗壓強(qiáng)度高；2）超高強(qiáng)混凝土集料粒徑較小，鋼筋間距能夠大幅減小，可配置的鋼筋數(shù)量變多，配筋率相應(yīng)提高，電桿的強(qiáng)度也會(huì)提高；3）混凝土水膠比較低，離心成型后電桿的密實(shí)度更高，強(qiáng)度也更大，在一定電壓等級(jí)條件下可以替代拉線桿、窄基塔和鋼管桿，不需要安裝拉線，基礎(chǔ)土方開(kāi)挖工作量也相應(yīng)減少，在施工及后期的檢修維護(hù)方面比較方便，減少土地的占用面積和桿塔成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

超高強(qiáng)電桿因其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使電桿在荷載作用下可以承受較大的變形。在極端天氣條件下，減少對(duì)結(jié)構(gòu)的損害。同時(shí)超高強(qiáng)混凝土電桿具備很好的抗?jié)B透性能，使其在侵蝕嚴(yán)重的環(huán)境下具有更高的使用壽命，適用于在鹽堿地、沿海等侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)使用。

3.2 超高強(qiáng)混凝土電桿荷載試驗(yàn)

3.2.1 電桿試件

超高強(qiáng)混凝土桿具有承載負(fù)荷大、重量輕、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，為了驗(yàn)證電桿結(jié)構(gòu)的合理性、可靠性，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用C120混凝土制作電桿，電桿總長(zhǎng)18 m，由2段9 m的桿件組成，采用法蘭連接，設(shè)計(jì)大風(fēng)30 m/s，覆冰風(fēng)速10 m/s，覆冰厚度20 mm，桿件的稍徑和根徑分別為230 mm和470 mm。

3.2.2 試驗(yàn)工況

電桿試驗(yàn)分標(biāo)準(zhǔn)荷載、覆冰荷載、大風(fēng)荷載三種工況，采用立式試驗(yàn)，分析桿件在真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景下的工作情況。試驗(yàn)時(shí)，將電桿承受的風(fēng)荷載簡(jiǎn)化成桿段重心處的橫向集中力，導(dǎo)地線上的風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為掛點(diǎn)處的橫向集中力，導(dǎo)線自重則為垂直的集中力，各工況荷載見(jiàn)表1。各荷載施加位置及位移觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖1所示。

表1 各工況加載值

圖1 荷載加載點(diǎn)和位移觀測(cè)點(diǎn)

3.2.3 試驗(yàn)概況

電桿在施加荷載過(guò)程中，產(chǎn)生橫向彎曲變形，如圖2所示，具體加載方式如下：

工況1：標(biāo)準(zhǔn)荷載；試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載。荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-0順序加荷，當(dāng)荷載加至100%時(shí)，第1 觀測(cè)點(diǎn)橫向位移為482 mm，縱向位移為-3 mm，垂直位移為-20 mm。

工況2：最大覆冰；試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載。垂直、橫向荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-0 順序加荷，當(dāng)荷載施加到100%的時(shí)候，第1觀測(cè)點(diǎn)水平位移為15 mm，縱向位移為-18 mm，垂直位移為0 mm。

工況3：90°大風(fēng)（超載）；試驗(yàn)荷載為140%設(shè)計(jì)荷載。垂直、橫向荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-105%-110%-115%-120%-125%-130%-135%-140%-0順序加荷，當(dāng)荷載施加到100%時(shí)，第1觀測(cè)點(diǎn)橫向位移為1030 mm，縱向位移為3 mm，垂直位移為-59 mm；當(dāng)荷載施加到140%時(shí)，第1 觀測(cè)點(diǎn)橫向位移為2335 mm，縱向位移為-20 mm，垂直位移為-236 mm。

圖2 電桿變形

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

工況2 屬于垂直荷載控制，三個(gè)方向位移值都比較?。还r1、工況3都是橫向風(fēng)控制，橫向水平位移是主要的方向，且數(shù)值較大，本文只對(duì)工況1、工況3 的橫向水平位移進(jìn)行繪圖分析，見(jiàn)表2、表3；圖3、圖4所示。

表2 工況1：電桿橫向水平位移

圖3 工況1：電桿橫向水平位移

在工況1作用下，電桿的桿頂撓度為482 mm，桿件沒(méi)有發(fā)生破壞或局部破壞，電桿沒(méi)有發(fā)生破壞或局部破壞，處于彈性狀態(tài)。小于75%設(shè)計(jì)荷載時(shí)，曲線是線性變化，荷載超過(guò)75%時(shí)，曲線呈現(xiàn)雙線性變化特征，9 m處為電桿撓度變形的分界線；9 m下?lián)隙茸兓苄。?5%設(shè)計(jì)荷載撓度是55 mm，100%荷載時(shí)為150 mm；9 m以上隨著荷載的變大撓度增加較大，18 m處75%設(shè)計(jì)荷載撓度是196 mm，100%荷載時(shí)為482 mm。

表3 工況3：電桿橫向水平位移

在工況3（90°大風(fēng)超載）作用下，電桿在100%和140%荷載值時(shí)桿頂部撓度是1030 mm和2335 mm，電桿未發(fā)生破壞，處于彈性狀態(tài)。小于75%設(shè)計(jì)荷載時(shí)，曲線是線性變化，荷載超過(guò)75%時(shí)，曲線呈現(xiàn)雙線性變化特征，9 m 處為電桿撓度變形的分界點(diǎn)；9 m以下?lián)隙茸兓苄。?00%設(shè)計(jì)荷載撓度是317 mm，140%荷載時(shí)為747 mm；9 m以上伴隨荷載的變大撓度增加很大，18 m 處100%設(shè)計(jì)荷載撓度是1030 mm，140%荷載時(shí)為2335 mm。

圖4 工況3：電桿橫向水平位移

電桿通過(guò)了3 個(gè)工況的100%設(shè)計(jì)荷載測(cè)試，其中90 °大風(fēng)（超載）工況荷載加至140%，試驗(yàn)完成后對(duì)被試驗(yàn)桿進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)被試桿根部受壓區(qū)，離地2.3 m 處桿身混凝土壓碎，見(jiàn)圖5 所示。經(jīng)過(guò)對(duì)桿身混凝土破碎現(xiàn)象分析，認(rèn)為是由于生產(chǎn)工藝的原因，造成混凝土水灰比偏大，導(dǎo)致強(qiáng)度未達(dá)到要求；桿件在卸除全部荷載后，變形恢復(fù)原始狀態(tài)，結(jié)構(gòu)顯示優(yōu)異的變形能力，可以滿足工程應(yīng)用的要求。

圖5 桿件根部混凝土碎裂

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土電桿朝著抵御荷載效果更好、承載力更高的方向發(fā)展。超高強(qiáng)混凝土作為一種新發(fā)展的高強(qiáng)度、韌性優(yōu)良、孔隙率較低的水泥基材料，將其應(yīng)用于電桿中具有比傳統(tǒng)電桿更好的性能優(yōu)勢(shì)。超高強(qiáng)電桿通過(guò)真型試驗(yàn)，驗(yàn)證了其具有一定的過(guò)載能力，可以在工程中應(yīng)用。

本次試驗(yàn)驗(yàn)證了超高強(qiáng)電桿具有優(yōu)異的變形性能，但由于某些原因，未能做破壞性試驗(yàn)，其在極限荷載作用下產(chǎn)生的裂縫的分布形態(tài)等一些問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。