高压输电线路耐腐蚀灌注桩的混凝土配方研究现状及建议

甘肃省电力公司 李栋林 左玉玺 王劲武 张 伟

陕西省电力公司规划评审中心 尚 勇 龚兴国 李宝昕

1.引言

新疆与西北主网联网750千伏第二通道输变电工程是国家电网公司“十二五”规划重点建设项目，是加快西北750千伏主网架建设，进一步加强新疆与西北750千伏电网联系，提高向西北主网输送能力，支持哈密东南部风电及敦煌、柴达木地区新能源接入送出，有效解决青海缺电问题，为“疆电外送”直流工程提供网架支撑的配套重点工程。

该工程路径途径新疆自治区、甘肃省和青海省。沿线分布对混凝土结构及混凝土结构中的钢筋具有腐蚀性的大面积盐渍土，尤以甘肃省范围内更为严重。该工程线路在敦煌市附近途径南泉湿地自然保护区，该地区地质主要以粉质粘土为主，地下水丰富。经对地基土和地下水现场取样化验，含有高浓度的SO42-和Cl-等腐蚀介质，根据相关规程规范进行腐蚀等级判定，地基土和地下水对基础混凝土结构和混凝土结构中的钢筋具有强腐蚀性。在线路工程中，在地下水丰富的软地基中的基础选型主要有开挖式基础和原状土的灌注桩基础两种。开挖式基础对地基的原状土体破坏严重，施工周期长，施工作业面大；灌注桩基础对原状土体则没有太大侵扰，施工周期短，施工作业面小。由于工程场地处于湿地自然保护区，在环境保护的要求下，该地区的基础选型应选为原状土的灌注桩基础。但在现行的《工业建筑防腐蚀设计规范》GB 50046-2008（以下简称防腐规范）中第4.9.5中规定：在SO42-和Cl-的介质作用下，腐蚀性等级为强腐蚀的情况下，不应采用混凝土灌注桩基础。为了满足工程需要，亟需研究出一种具有良好耐腐蚀性的灌注桩的混凝土配方。

2.地下水的腐蚀机理

与一般建筑用混凝土的腐蚀不用，桩基础的腐蚀主要来自于地下水，根据对软土地基腐蚀地区地下水的水质化学分析，混凝土耐久性的主要影响因素是硫酸盐侵蚀和氯离子侵入所致钢筋锈蚀。

徐惠[1]等人的研究表明，硫酸盐作为混凝土结构的劣化外力，通过与水泥水化产物作用，生成膨胀性的水化产物，使硬化混凝土开裂、崩坏。当发生膨胀性侵蚀时，生成的反应产物的体积大于参与反应的物质，因而产生膨胀压力，使混凝土开裂，造成强度损失，最终使混凝土崩裂破坏。主要有钙矾石型硫酸盐侵蚀和石膏型硫酸盐侵蚀。根据杜荣归等人[2]研究，氯盐离子对钢筋锈蚀主要作用为：破坏钝化膜、形成“腐蚀电池”，对钢筋表面产生坑蚀、阳极去极化作用、导电作用。而混凝土冻融破坏，是由于混凝土中的游离水受冻结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土抵抗强度致使混凝土破坏。此外，桩基础还面临Cl-、共存下的腐蚀问题。Cl-与C3A生成“复盐”，有利于降低硫酸盐与C3A作用而发生的“膨胀”破坏。就是说Cl-在一定条件下可抑制硫酸盐对混凝土的破坏作用。Jin等[3]的研究结果也证明了这一点。

3.耐腐蚀性混凝土配方的研究现状

国内外针对耐腐蚀性混凝土配方的研究主要集中在以下几个方面：

3.1 水泥品种

水泥作为混凝土的主要组分对混凝土的性能起决定性的作用。美国垦务局经过长达40余年的试验研究表明，如果混凝土中的硅酸三钙的含量过高，则会生成过多的氧氧化钙，易于受到硫酸盐的侵蚀生成石膏。如果混凝土中铝酸三钙过多，则易于生成过多的钙矾石，在侵蚀环境下导致膨胀破坏。在实际工程中，主要依据规范约束水泥中的铝酸三钙含量（一般为5%-8%）来保证混凝土的抗硫酸盐侵蚀性。防腐规范规定，当硫酸根离子浓度在2500-8000mg/L之间时，要采用高抗硫酸盐水泥，而对于Cl-强腐蚀作用条件下，防腐规范只做一般要求，即“宜采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥”。

冯乃谦等[4]的研究结果证明水泥的抗硫酸盐侵蚀能力与其C3A含量的确密切相关。但亢景富[5]的研究表明，抗硫酸盐水泥并不能解决所有硫酸盐侵蚀问题，比如在八盘峡水电站在处理廊道底板硫酸盐侵蚀问题时，曾采用高抗硫酸盐水泥仔细施工，但一年后又出现了破坏。其原因在于，对于石膏结晶型侵蚀，C3A含量的大小并不起决定作用，而混凝土的强度、密实性及水泥石中Ca(OH)2的多少和干湿交替、水分蒸发可能起着关键作用。乔宏霞等[6]采用干湿循环的加速方法对高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀进行了研究，结果表明：在干湿交替的恶劣环境中，抗硫酸盐水泥的抗侵蚀性能并不比普通水泥混凝土好。

3.2 矿物掺合料种类及掺量

掺入活性矿物掺合料是国内外目前普遍采用的措施。混凝土矿物掺合料包括硅粉、沸石粉、磨细矿渣粉、粉煤灰等，这些掺合料可与水泥中的氯酸钙和硅酸钙发生化学反应，并可消耗水泥浆体中的Ca(0H)2，提高混凝土抗硫酸盐浸蚀性能。在硫酸盐和氯盐共同作用时，最常用的矿物掺合料是矿渣和粉煤灰。

贺传卿等[7]的研究表明，P.O 32.5普硅水泥掺粉煤灰完全可达到中抗硫酸盐水泥的要求。洪定海[8]的研究证明了不论是硫酸盐侵蚀还是氯离子侵蚀，大掺量矿物掺合料均能提高混凝土的耐腐蚀性。蒋卫东等[9]对盐渍地区抗腐蚀混凝土的耐久性进行了试验研究，研究结果表明在混凝土中添加粉煤灰对于混凝土在复盐侵蚀下的耐久性提高具有很好的效果。

3.3 混凝土强度等级

实际工程经验表明，采用适当强度等级的高密实性混凝土，则有望通过混凝土本身就获得良好的防腐蚀效果。陈蔚凡[10]对处于盐渍土地区的京津塘高速公路某立交桥的地下灌注桩和桥墩曾经采用与以普硅水泥、高效引气减水剂、低水胶比配制的高强混凝土作为主要防腐蚀技术路线，实践表明，在使用9年后，水线上下的混凝土表面完好如初。高礼雄[11]的研究表明，提高混凝土强度等级，可以进一步改善抗蚀性。巩鑫[12]进行的试验表明，混凝土在腐蚀后的动弹性模量的衰减速率随着水灰比增大而显著增大。

4.建议：一种新的耐腐蚀性混凝土配方

经对上述国内外研究现状的调研和总结，并兼顾高压输电线路工程施工点多面广的特点，考虑到施工简单、有效保证施工质量且原材料采购易行等方面，笔者提出了如下耐腐蚀灌注桩混凝土的新配方：采用氧化镁、三氧化硫和氯离子含量都较低的P O42.5普通硅酸盐水泥，复掺20%粉煤灰与30%磨细矿渣粉，水胶比控制在0.4以下，采用减水率为27%的复合减水剂，在混凝土搅拌过程中坍落度控制在（180±20）mm，含气量控制在（2.5±0.5）%，经过试验，该配方具有优异的耐腐蚀性能，具体试验结果将在另文中详细论述。

[1]徐惠.硫酸盐对混凝土腐蚀机理研究[J].大观周刊,2012(9):112-146.

[2]杜荣归,刘玉,林昌健.氯离子对钢筋腐蚀机理的影响及其研究进展[J].材料保护,2006,39(6):45-50.

[3]Z.Q.Jin et al.Interaction between sulfate and chloride solution attack of concretes with and without fl y ash[J].Cement and Concrete Research,2007,37:1223-1232.

[4]冯乃谦,邢锋.混凝土与混凝土结构的耐久性[M].北京:机械工业出版社,2009

[5]亢景富.砼硫酸盐侵蚀研究中的几个基本问题[J].混凝土,1995(3):9-17.

[6]乔宏霞,何忠茂,刘翠兰.无破损方法检测混凝土耐硫酸盐侵蚀性[J].低温建筑技术,2006(1):3-5.

[7]贺传卿,李永贵,王怀义,等.硫酸盐对水泥混凝土的侵蚀及其防治措施[J].混凝土,2003(3):56-57.

[8]洪定海.大掺量矿渣微粉高性能混凝土应用范例[J].建筑材料学报,1998,1(1):82-87.

[9]蒋卫东,等.盐渍地区抗腐蚀混凝土耐久性试验研究[J].东北大学学报,2008(29):280-283．

[10]陈蔚凡.滨海盐渍地区抗强腐蚀性混凝土的研究与应用[C].全国水泥基复合材料科学与技术学术讨论会,1999.

[11]高礼雄.掺矿物掺合料水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性研究[D].北京:中国建筑材料科学研究院,2005.

[12]巩鑫.混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究[D].大连:大连理工大学,2008.