新疆地理環(huán)境對鋼筋混凝土電桿耐久性的影響研究

程亞軍，劉海順，楊經(jīng)綸

（新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

隨著國家電網(wǎng)對架空線路和變電構(gòu)架的不斷改造升級，鋼筋混凝土電桿以其耗鋼少、成本低、施工快、維護(hù)少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力工程中。然而，隨著時間的推移和環(huán)境的變化，新疆大部分地區(qū)都普遍存在凍脹破壞和腐蝕性破壞的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了電桿抗腐蝕的能力，使得鋼筋混凝土電桿的耐久性問題已逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文根據(jù)新疆地區(qū)某四條輸送電線路中鋼筋混凝土電桿的應(yīng)用現(xiàn)狀實(shí)例，對影響鋼筋混凝土電桿耐久性的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究，以便為提高鋼筋混凝土電桿的耐久性和延長使用年限提供安全可靠的技術(shù)措施或方式方法等。

1 線路概況

（1）35kV 一號線

該線路長度 4.32km，單回供電，項(xiàng)目建設(shè)期：2009年6月 10日至 2009年7月 25日。工程 35kV 送電線路在耕地段直線桿選用Φ190 高 15m 及 18m 的拔梢鋼筋混凝土非預(yù)應(yīng)力雙桿，部分跨越采用鐵塔，荒地段采用Φ300 高 18m 的等徑鋼筋混凝土非預(yù)應(yīng)力單桿。轉(zhuǎn)角桿采用Φ300高18m的等徑鋼筋混凝土非預(yù)應(yīng)力雙桿。

（2）35kV 二號線

該線路長度 18.42km，單回路架設(shè)，電桿采用非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土拔梢桿Φ190-12m，15m，18m 及部分鐵塔，項(xiàng)目建設(shè)期 2009年。

（3）35kV 三號線

該線路長 19.38km，為改造線路，線路路徑與原線路相同，轉(zhuǎn)角 5 處，全線共用桿塔 104 基，其中鐵塔11 基。計(jì)劃 2009年6月 10日開工，2009年7月 25日竣工。

（4）110kV 四號線

該線路全長 93.621km，電壓等級110kV，單回路架設(shè)，全線共有桿塔 486 基，其中鐵塔 110 基、電桿 376基。本工程分為兩個標(biāo)段，一標(biāo)段線路長度為 46km，共有桿塔 223 基，其中混凝土電桿 135 基（直線桿129 基、轉(zhuǎn)角桿 6 基），線路經(jīng)過果園 12km，農(nóng)田地20km，戈壁荒地 4.5km，沙漠 9.5km。二標(biāo)段線路長47.621km，共有桿塔 263 基，其中混凝土電桿 241 基（直線桿 237 基、轉(zhuǎn)角桿 4 基）、鐵塔 22 基，線路經(jīng)過農(nóng)田地 12km，鹽堿荒地 35.6km。建設(shè)工程設(shè)計(jì)合同注明：設(shè)計(jì)合理使用年限為 10年。

2 研究過程

2.1 巡線檢查

依據(jù) GB/T 4623—2006《環(huán)形混凝土電桿》標(biāo)準(zhǔn)對混凝土電桿的表面裂縫情況（縱向裂縫個數(shù)、最大裂縫長度、最大裂縫寬度）、外表面露筋、麻面、粘皮及外觀質(zhì)量（外觀顏色變化、混凝土脫落、鋼筋裸露銹蝕）等可見缺陷進(jìn)行了四條線路中全數(shù)量混凝土電桿的現(xiàn)場巡查。四條線路混凝土電桿總計(jì) 646 基，其中錐形混凝土電桿 227 基，等徑混凝土電桿 419 基。其中：35kV一號線錐形混凝土電桿 15 基，等徑混凝土電桿 2 基；35kV 二號線錐形混凝土電桿 162 基（原設(shè)計(jì)中有 1 基空缺）；35kV 三號線錐形混凝土電桿 50 基，等徑混凝土電桿 42 基；110kV 四號線等徑混凝土電桿 375 基（原設(shè)計(jì)中有 1 基已更換為鐵塔）。

2.2 土質(zhì)、水質(zhì)、電桿混凝土（粉）的取樣及檢驗(yàn)項(xiàng)目

巡線檢查的同時，進(jìn)行了現(xiàn)場土質(zhì)、水質(zhì)及電桿混凝土（粉）的取樣工作。

土質(zhì)：四條線路分部位共取樣 10 處，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 176—2008《水泥化學(xué)分析》檢測其堿含量；依據(jù) GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、JTJ 01—2001《新疆鹽漬土地區(qū)公路路基路面設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》檢測其易溶鹽總量、碳酸根、碳酸氫根、氯根、鈣離子、鎂離子、硫酸根等化學(xué)物質(zhì)含量。

水質(zhì)：四條線路分部位共取樣 6 處，主要參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5750—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》，檢測其鈣含量、鎂含量、氯化物含量、碳酸鹽含量、碳酸氫鹽含量、硫化物含量等。

電桿混凝土（粉）：四條線路分部位共取樣 15處，參考標(biāo)準(zhǔn) GB/T 176—2008《水泥化學(xué)分析》檢測其堿含量、氯離子、氧化鎂、氧化鈣、三氧化硫等化學(xué)物質(zhì)含量，并采用 SEM（掃描電鏡）、EDS（能譜分析）等進(jìn)行混凝土微觀形貌觀測，化學(xué)元素組成及占比分析等。

2.3 混凝土電桿的取樣及檢驗(yàn)項(xiàng)目

四條線路共更換混凝土電桿 16 基，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 4623—2006《環(huán)形混凝土電桿》，對取出的混凝土電桿 16 基共計(jì) 50個桿段進(jìn)行力學(xué)性能、混凝土保護(hù)層厚度、混凝土碳化深度、防腐層長度/高度及電桿主鋼筋銹蝕檢查等項(xiàng)目的現(xiàn)場檢測。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 混凝土電桿外觀質(zhì)量

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，35kV 一號線：線路混凝土電桿總數(shù) 17基，發(fā)現(xiàn)明顯可見外觀缺陷的電桿基數(shù) 17 基，占比100%；35kV 二號線：線路混凝土電桿總數(shù) 162 基，發(fā)現(xiàn)明顯可見外觀缺陷的電桿基數(shù) 78 基，占比 48.1%；35kV 三號線：線路混凝土電桿總數(shù) 92 基，發(fā)現(xiàn)明顯可見外觀缺陷的電桿基數(shù) 75 基，占比 81.5%；110kV 四號線：線路混凝土電桿總數(shù) 375 基，發(fā)現(xiàn)明顯可見外觀缺陷的電桿基數(shù) 337 基，占比 89.9%。外觀質(zhì)量缺陷巡查結(jié)果匯總見表 1 及表 2，部分線路缺陷混凝土外觀照片見圖 1。

表1 外觀質(zhì)量缺陷巡查結(jié)果匯總表

表2 可見外觀缺陷占比線路總基數(shù)匯總表

圖1 部分線路有缺陷混凝土電桿照

3.2 現(xiàn)場土質(zhì)樣品檢測

參考標(biāo)準(zhǔn) GB/T 176—2008《水泥化學(xué)分析》；GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、JTJ 01—2001《新疆鹽漬土地區(qū)公路路基路面設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》對現(xiàn)場土質(zhì)樣品進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)見表 3。

結(jié)果分析：現(xiàn)場土質(zhì)樣品中含有氯離子/硫酸根離子濃度較大，對混凝土電桿中的鋼筋銹蝕/混凝土的膨脹型結(jié)晶產(chǎn)物（如：鈣礬石、石膏）等的生成提供了物質(zhì)來源。

表3 現(xiàn)場土質(zhì)樣品檢測結(jié)果匯總表

3.3 現(xiàn)場水質(zhì)檢測

主要參考標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5750—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》對現(xiàn)場水質(zhì)樣品進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)見表 4。結(jié)果分析：現(xiàn)場水質(zhì)樣品中的氯化物和硫化物含量較高，對混凝土的膨脹開裂及鋼筋的銹蝕提供了有害物質(zhì)來源。

表4 現(xiàn)場水質(zhì)樣品檢測數(shù)據(jù)匯總表

3.4 現(xiàn)場混凝土（粉）檢測

參考標(biāo)準(zhǔn) GB/T 176—2008《水泥化學(xué)分析》檢測其化學(xué)物質(zhì)含量，混凝土（粉）化學(xué)物質(zhì)含量檢測結(jié)果見表 5。

結(jié)果分析：參考 GB 50164—92《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（文中提到的混凝土電桿是在 2009年生產(chǎn)出來并竣工的，所以采用該版標(biāo)準(zhǔn)）第 2.3.4 條 混凝土拌合物總的氯化物總含量（以氯離子重量計(jì)）應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中“對在潮濕并含有氯離子環(huán)境中的鋼筋混凝土，不得超過水泥重量的 0.1%”的規(guī)定，混凝土（粉）樣品中的氯離子含量超出了控制范圍，對混凝土中的鋼筋銹蝕的發(fā)生有著促進(jìn)作用，同時也會導(dǎo)致混凝土的膨脹開裂。

表5 部分混凝土（粉）化學(xué)物質(zhì)含量檢測結(jié)果 %

采用 SEM（掃描電鏡）混凝土微觀形貌觀測。部分圖譜見圖 2。

觀測結(jié)果：混凝土（粉）中膠凝材料基本完全水化，水化產(chǎn)物主要為水化 CSH 凝膠，較為顯著的鈣礬石產(chǎn)物相在 35kV 三號線 017號線桿、110kV 四號線115號線桿、110kV 四號線 412號線桿的混凝土樣品中觀測到。

運(yùn)用 X 射線能譜儀（EDS）對取自現(xiàn)場的 16個混凝土（粉）樣進(jìn)行元素含量分析，部分結(jié)果匯總見表 5及表 6。

圖2 部分混凝土（粉）掃描電子顯微鏡下微觀形貌圖

表6 部分混凝土（粉）EDS 檢測結(jié)果

由表 6 檢測結(jié)果可知，氯元素的占比為 31.2%，硫元素的占比為 18.8%。樣品中礦物相主要組成為 SiO2、CaCO3、CaMg(CO3)2以及水化硅酸鈣等產(chǎn)物，具體到各個樣品還略有差異，16個樣品中鈣礬石相明顯和較明顯的有 8個，占比樣品總數(shù)為 50%。

3.5 混凝土電桿的現(xiàn)場檢測

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 4623—2006《環(huán)形混凝土電桿》，對更換取出的混凝土電桿桿段樣品進(jìn)行力學(xué)性能、混凝土保護(hù)層厚度、碳化深度、防腐層長度/高度及主筋銹蝕檢查等項(xiàng)目的現(xiàn)場檢測。力學(xué)性能檢測結(jié)果匯總見表 7；力學(xué)性能檢測試驗(yàn)前桿身外觀質(zhì)量檢查匯總見表8；混凝土保護(hù)層厚度、碳化深度、防腐層長度/高度及主筋銹蝕檢查檢測結(jié)果匯總見表 9。

表7 部分力學(xué)性能檢測結(jié)果匯總表

表8 部分力學(xué)性能檢測試驗(yàn)前桿身外觀質(zhì)量檢查匯總表

表9 部分混凝土保護(hù)層厚度、碳化深度、防腐層長度/高度及主筋銹蝕檢查檢測結(jié)果匯總表

統(tǒng)計(jì)分析：力學(xué)性能試驗(yàn)的樣品由未見明顯可見缺陷的 7 基、有可見缺陷但相對較輕的 5 基、有可見缺陷、嚴(yán)重的 4 基電桿組成，總計(jì) 16 基 50個桿段。其中：能達(dá)到承載力檢驗(yàn)彎矩試驗(yàn)要求、同時裂縫寬度及撓度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的有 3個桿段，均為未見明顯可見缺陷的桿段，（裂縫寬度、撓度及承載力彎矩 3個檢測項(xiàng)目同時符合要求）占比樣品總數(shù)的 6%；裂縫寬度或撓度結(jié)果不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求但殘余承載力檢驗(yàn)彎矩超過標(biāo)準(zhǔn)要求的有 5個桿段，占比樣品總數(shù)的 10%；裂縫寬度或撓度結(jié)果不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求但殘余承載力檢驗(yàn)彎矩達(dá)到規(guī)定要求承載力檢驗(yàn)彎矩 76%～99.6% 的有 42個桿段，占比樣品總數(shù)的 84%。結(jié)合表 7，樣品存在可視外觀缺陷情況下，其可見缺陷的不同嚴(yán)重程度（裂縫的長度、寬度、數(shù)量及較小面積的混凝土脫落）對桿身殘余承載力彎矩的影響關(guān)聯(lián)不是十分明顯，但對試驗(yàn)后的裂縫寬度和撓度的影響關(guān)聯(lián)相對較為明顯。

統(tǒng)計(jì)分析：（1）混凝土保護(hù)層厚度測定點(diǎn)數(shù) 150個，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求點(diǎn)數(shù) 114個，占比測點(diǎn)總數(shù) 76%，混凝土保護(hù)層厚度符合標(biāo)準(zhǔn)要求桿段 5個，占比桿段總數(shù) 10%。（2）碳化深度測定點(diǎn)數(shù) 100個，超過 3mm 碳化深度點(diǎn)數(shù) 7個，占比測點(diǎn)總數(shù)的 7%，混凝土碳化對性能的影響程度不明顯。（3）防腐層長度/高度檢查：35kV 一號線 1 基 2 桿，符合要求；35kV 二號線 4 基 4桿，均不符合要求；35kV 三號線 3 基 4 桿其中 1 桿符合要求，3 桿不符合要求；110kV 四號線 8 基 16 桿，其中 4 桿符合要求，12 桿不符合要求。（4）力學(xué)性能試驗(yàn)后新破混凝土檢查主筋銹蝕情況，所有 50 桿段樣品的主筋均有不同程度銹蝕現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）由于新疆地理環(huán)境和施工現(xiàn)場情況的復(fù)雜性，鋼筋混凝土電桿在運(yùn)輸、堆放和施工安裝的過程中，如果在高有害物質(zhì)環(huán)境下無有效的隔離或防護(hù)，自然堆放時間又較長，電桿根部的防腐層處理再不符合設(shè)計(jì)要求等，都將直接導(dǎo)致鋼筋混凝土電桿受到外界環(huán)境中硫酸鹽和氯離子等有害物質(zhì)的侵蝕，對鋼筋混凝土電桿的耐久性產(chǎn)生明顯不利的影響。

（2）鋼筋混凝土電桿在稻田、棉田、果園、荒沙地、荒土地及灘涂地等組成的地理環(huán)境中使用，由于自然及人工作業(yè)等因素，果園、稻田、棉田有季節(jié)性澆灌水作業(yè)，灘涂地有季節(jié)性自然積水，部分荒沙地、荒土地有季節(jié)性洪水浸襲現(xiàn)象，這其中棉田的冬季排堿灌水作業(yè)及灘涂地的嚴(yán)重自然積水，在冬春季節(jié)形成了自然環(huán)境下的含水較高的凍融循環(huán)。經(jīng)本研究發(fā)現(xiàn)，棉田環(huán)境及灘涂地自然積水嚴(yán)重地塊環(huán)境中的鋼筋混凝土電桿，相對損傷數(shù)量及損傷程度均明顯高于其它地塊環(huán)境中混凝土電桿的損傷情況，有排堿灌水作業(yè)的地塊環(huán)境或自然積水嚴(yán)重的地塊環(huán)境，更是大大縮短了鋼筋混凝土電桿的有效使用年限。