昌吉-古泉±1100 kV特高压直流输电工程塔基混凝土防腐试验研究

2018-10-19丁永福曾力张金德王新元吴定燕曹雁峰胡萍徐霞

新型建筑材料 2018年8期

丁永福，曾力，张金德，王新元，吴定燕，曹雁峰，胡萍，徐霞

（1.国家电网公司直流建设分公司，北京 100000；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072；3.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430072）

昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路工程（以下简称昌古工程）是实施“疆电外送”的第2条特高压输电工程，是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。线路路径总长度约3319.2 km，途经新疆（604.7 km）、甘肃（1276.9km）、宁夏（187.5km）、陕西（405.2 km）、河南（539.5 km）、安徽（305.4 km）六省区。

经调研，甘肃、新疆等地区地下土普遍属于强腐蚀盐渍土，腐蚀介质主要为SO42-和Cl-[1]。硫酸盐侵蚀是造成混凝土耐久性危机的关键因素之一，进入混凝土的SO42-会与其中的水化产物反应生成石膏、钙矾石等膨胀性物质，当膨胀压力大于材料抗拉强度时，就会开裂破坏[2]。以昌古工程在甘肃境内的N2292塔基为例，地下土SO42-含量达136 mg/kg，腐蚀严重。因此，有必要针对塔基混凝土严重的硫酸盐侵蚀问题展开研究。

研究表明[3-5]，粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料的掺入不仅能发挥微集料效应，增大混凝土结构的密实性，还可以减少胶凝材料中C3A含量，并消耗水泥水化产物Ca（OH）2，从而有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。但是不同矿物掺合料种类和质量对混凝土的耐久性影响差异较大。调整6组配合比的水灰比，控制混凝土具有相同的坍落度（180～220 mm）和强度等级（C40），单掺、复掺和三掺不同比例的粉煤灰、矿渣粉和硅灰，探究不同掺合料组合对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：甘肃恒压水泥有限公司的P·O42.5水泥，主要化学成分和物理性能分别见表1、表2；粉煤灰：酒钢吉瑞再生资源开发有限公司的Ⅱ级粉煤灰，主要化学成分和物理性能分别见表1、表3；矿渣粉：嘉峪关市安邦矿粉有限责任公司的S95矿渣粉，主要化学成分和物理性能分别见表1、表4；硅粉：武汉新必达公司的高加密硅粉，主要化学成分见表1；引气剂：江苏苏博特新材料股份有限公司的GYQ-Ⅰ混凝土高效引气剂；减水剂：玉门山柏建材化工有限公司的HPWR-R聚羧酸减水剂，固含量40%，减水率20%；河砂：细度模数3.0；碎石：粒径5～20 mm，压碎指标11.5%。

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

表2 水泥的物理力学性能

表3 粉煤灰的物理性能

表4 矿渣粉的物理性能

1.2 试验方法

按照表5配合比制成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，标准养护28 d后，依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的干湿循环方法进行混凝土抗硫酸盐侵蚀试验，设计抗硫酸等级为KS150。干湿循环30、60、90及150次后，分别进行混凝土试件抗压强度试验，同时测试标准养护对比试件的抗压强度，混凝土抗压强度耐蚀系数采用式（1）计算；采用吸水动力学法分析混凝土孔隙结构；同时按混凝土浆体部分制作净浆试块与混凝土试块一起进行侵蚀试验，采用XRD法分析水化产物结构。

式中：Kf——抗压强度耐蚀系数，%；

fn——n次干湿循环后受硫酸盐腐蚀的混凝土试件的抗压强度，MPa；

f0——标准养护下对比混凝土试件的抗压强度，MPa。抗硫酸盐等级应以混凝土抗压强度耐蚀系数下降到不低于75%时的最大干湿循环次数来确定。

表5 混凝土的配合比

2 试验结果与分析

2.1 混凝土抗压强度及耐蚀系数

混凝土标准养护抗压强度及耐蚀系数试验结果见表6。

表6 混凝土标准养护抗压强度及耐蚀系数

2.1.1 粉煤灰掺量对耐蚀系数的影响

由表6可见：（1）硫酸盐侵蚀干湿循环30次时，6组混凝土的耐蚀系数不减反增，循环60次后，随着循环次数的增加，耐蚀系数逐渐减小。文献[6-7]的研究也得到相似结论。这是因为早期硫酸盐侵蚀时，在混凝土孔隙中生成的钙矾石和石膏量有限，不足以产生膨胀破坏，反而填充混凝土孔隙，起到降低混凝土孔隙率，提高孔均匀性并减小孔径的作用，因而混凝土的耐蚀系数不减反增。但随着侵蚀时间的延长，生成的钙矾石和石膏量也逐渐增加，其产生的膨胀力足以破坏混凝土结构，因而耐蚀系数减小。（2）随着粉煤灰掺量增加，在侵蚀后期，混凝土耐蚀系数逐渐增大，这是因为掺粉煤灰减少了水泥用量，C3A量也随之减少，相应减少了钙矾石等膨胀物质的生成量；同时，粉煤灰会消耗混凝土的水化产物氢氧化钙，进而减少膨胀物质的生成量；此外，掺合料还可填充、细化孔结构，提高混凝土的密实性。粉煤灰掺量15%时，150次干湿循环抗压强度耐蚀系数已达到80%。因此，防腐混凝土的掺合料掺量应大于15%。粉煤灰掺量为30%时，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能较好，故后续双掺及三掺试验均选择30%的掺合料掺量。（3）粉煤灰对混凝土的后期强度发展有利，且掺量越大，强度发展越显著。抗压强度是混凝土结构完整性的宏观表现，因而掺入粉煤灰可以有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，并且掺量越大（试验范围内）抗硫酸盐侵蚀性能越高。

2.1.2 复掺对耐蚀系数的影响

由表6可见，掺合料掺量相同时，F-5采用粉煤灰与矿渣粉复掺，150次干湿循环后，其抗硫酸盐侵蚀性能比F-3单掺粉煤灰的混凝土有提高；同样，F-6采用粉煤灰、矿渣粉及硅粉三掺，其抗硫酸盐侵蚀性能比F-5双掺混凝土又有提高。其原因为：（1）活性效应优化，硫酸盐侵蚀的途径之一是混凝土中存在与其反应可生成膨胀性有害物质的水化产物Ca（OH）2，掺合料的作用就是可部分消耗掉这种水化产物，而掺合料复掺不仅可消耗掉这种水化产物，还利用不同掺合料的活性时间效应把消耗作用合理分布在不同时段，达到全时段更有效地发挥抗侵蚀作用。（2）填充效应优化，硫酸盐侵蚀的另一途径是混凝土中存在硫酸根离子进入的通道，即与外界的连通孔隙，不同颗粒细度的掺合料复掺可以更有效填充孔隙，降低孔隙率并减小孔径，起到密实作用。因此，通过掺合料复掺可以更有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

2.2 孔隙结构分析

采用吸水动力学法[8]测试和计算得到混凝土的孔隙结构参数（显孔隙率P、孔均匀性α及平均孔径λ），其中α值的波动范围为0≤α≤1，其值越大表明孔的均匀性越好，对单毛细孔材料α=1，而λ值越小表明平均孔径越小，孔结构越好。测试结果分别见图1～图3。

图1 不同侵蚀次数混凝土的显孔隙率

图2 不同侵蚀次数混凝土的孔均匀性

图3 不同侵蚀次数混凝土的平均孔径

2.2.1 显孔隙率分析

由图1可见：（1）随着干湿循环次数的增加，各组混凝土的孔隙率总体上先减小后增大。印证了侵蚀早期生成的钙矾石及石膏量有限，其膨胀力不仅不会引起破坏，反而起到填充孔隙的作用；随着侵蚀的不断进行，生成的钙矾石和石膏量随之增加，晶体的膨胀破坏力越来越大，最终使显孔隙率不断增大。（2）粉煤灰掺量越大及掺合料复掺，混凝土的显孔隙率相应减小，随着侵蚀次数的增加，显孔隙率的增加量也较小。

2.2.2 孔均匀性分析

由图2可见：（1）在硫酸盐侵蚀下，各组混凝土的孔均匀性α随干湿循环次数的增加而减小，表明孔均匀性逐渐变差，尤其是在侵蚀后期，变差效果更明显，说明到后期硫酸盐侵蚀破坏作用越来越大。（2）同样，粉煤灰掺量越大及掺合料复掺，混凝土的孔均匀性较好。

2.2.3 平均孔径分析

由图3可见：（1）与前规律相同，随着侵蚀次数增加平均孔径先减小后增大，进一步证明早期硫酸盐侵蚀作用主要是填充孔隙，到了后期开始发挥破坏作用。（2）掺合料掺量增加及复掺均可细化孔隙，提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。

掺入掺合料可以改善混凝土的孔隙结构，使体系更加密实[9]，提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，尤其复掺效果更佳。

2.3 水化产物分析

标养条件下，F-1、F-2、F-3试样干湿循环150次后的XRD 图谱见图 4（a）；硫酸盐侵蚀条件下，F-3、F-5、F-6 试样干湿循环150次后的XRD图谱见图4（b）。

图4 各组试件干湿循环150次后的XRD图谱

由图 4（a）可见，粉煤灰掺量从 0 增加到 45%，Ca（OH）2衍射峰高度逐渐降低，一方面是因为掺入掺合料减少了水泥用量，Ca（OH）2随之减少；另一方面是因为掺合料发挥火山活性消耗了部分 Ca（OH）2，Ca（OH）2的减少有利于混凝土的抗硫酸盐侵蚀。掺入掺合料，AFt晶体含量相应降低，表明生成的膨胀破坏性物质减少。

由图4（b）可见，矿物掺合料总掺量为30%条件下，混凝土在150次硫酸盐干湿循环后的Ca（OH）2和Aft衍射峰高度（物质含量）由高到低顺序为F-3>F-5>F-6。说明相同矿物掺合料掺量下，掺12%粉煤灰+12%矿渣粉和6%硅灰最有利于提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，其次是复掺粉煤灰和矿渣粉，最后为单掺粉煤灰。这一结果与复掺对混凝土抗压强度耐蚀系数的影响结果吻合。

掺入掺合料可改变混凝土的水化产物结构，减少与硫酸盐反应的水化产物，达到提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的目的。