超高强混凝土研究现状及在电杆中的应用研究

2020-11-17曹文典

江西电力 2020年10期

曹文典，吴婷

（中国电建集团江西省电力建设有限公司，江西南昌330063）

0 引言

混凝土电杆是我国供配电网中的重要电力设施。普通电杆大部分都自重大、容易开裂、耐久性方面较差、寿命短，一定程度上限制了它的应用范围。随着国家电网建设规模的发展，对混凝土电杆的各方面性能要求比以往要高；普通电杆的上述缺点在一定程度上制约着电网的发展，隐藏着较大的安全隐患，对电网的安全运行存在一定的风险。超高强混凝土本身拥有强度大，耐久性能好的优异特点，能够有效克服普通混凝土的不足，目前已运用在桥梁、铁路、预应力管桩构件中，在混凝土电杆方面的运用还鲜有报道。随着城镇化进程的加快，我国城市土地资源越来越短缺，超高强混凝土电杆可以凭借其强度高的特点，避免了拉线占用土地资源的缺陷；借助薄壁质量轻的优点，可以在山区等运输条件差和运行环境恶劣的地区得到运用。

1 超高强混凝土研究现状

1.1 超高强混凝土的定义及特点

超高强混凝土作为新型的水泥基材料，与常规混凝土相比，具有强度大、耐久性能好的优点。随着电网建设工程的发展，在绿色环保理念的大环境下，混凝土研究朝着高强度的方向发展。在各国学者精心研究和不懈努力下，Larrard等在1994年提出超高强混凝土这一概念[1]。它具有许多优点，如抗压强度远高于传统混凝土；具备和一些金属等同的韧性，使结构在极限荷载下具备更好的可靠性；由于低水胶比和孔隙率，使其具有较强的抗渗透能力和抗腐蚀能力；因为其内部存在大量的没有完全水化反应的水泥颗粒，使其在开裂状态下可以进行自我修复；自重的减少显著降低静荷载，有利于结构的制造和降低工程成本[2]。

1.2 超高强混凝土的制备技术

该材料通过在砼中添加超细活性矿物料，如硅灰、磨细矿渣、磨细粉煤灰等，使基体内部的孔隙等缺陷变少，从而获得较高的强度和优异的耐久性能。谢友均等运用硅灰、水泥和超细粉煤灰以0.25∶1∶（0.3~0.4）的用量比，在水胶比小于0.16 和100 ℃的热水养护下制备了超高强混凝土，未添加钢纤维的抗压强度值为200 MPa，添加比例为3%时其值接近250 MPa[3]。黄政宇等采用河砂代替石英砂，制备含粗骨料超高强混凝土，其力学性能优异[4]。鲁亚等通过制备多种等级的超高强混凝土开展力学性能试验，研究常规混凝土与超高强混凝土测验方法之间的差异，发现抗压强度和抗弯强度试验都可以按照普通混凝土的试验方法进行操作[5]。国爱丽等用水泥、石英砂、粉煤灰、矿渣以及2%的钢纤维制备了超高强混凝土，经过3 天的60 ℃热养护，混凝土抗压强度达到160 MPa[6]。

1.3 超高强混凝土的抗压强度

普通混凝土会有尺寸效应问题，在超高强混凝土当中同样会有这个问题。柯晓军等采用试验方法证明超高强混凝土材料弹性模量和强度较大，对尺寸效应反应的敏感性要比常规混凝土弱[7]。添加钢纤维、硅粉、粉煤灰等原材料，运用热养护方法，都可以提高混凝土抗压强度值，相反加入聚丙烯纤维会对强度有降低的作用[8]。王军委等研究表明，水胶比为0.24时，对混凝土强度增长最有利[9]。随着水胶比的变大，其抗压强度会显著降低；矿物料的添加对混凝土的早期强度影响比较明显，对混凝土后期强度的增长影响有限，试验发现最适宜的比例为40%。胶凝材料用量的多少对混凝土的抗压强度有一定的影响，一般总量为600 kg/m3最合适。

1.4 超高强混凝土的抗拉强度

超高强混凝土抗拉强度的测试方式和普通混凝土相同，采用轴拉试验、劈裂试验和抗折试验。超高强混凝土的抗拉强度从低到高排序为弯拉强度、劈裂强度和轴拉强度。超高强混凝土控制开裂的能力较好，最大拉应变达到3%以上。蒲心诚等通过试验发现，随着抗压强度的增大，超高强混凝土的抗折强度和劈裂强度也相应的提高，但相应的增速比普通混凝土的要小[10]。抗折强度和劈裂强度与抗压强度的比值较常规混凝土的要小，表明超高强混凝土的脆性比常规混凝土的要弱。

2 混凝土电杆技术进展及存在的问题

2.1 混凝土电杆的技术进展

混凝土电杆属于城乡中低压电网的重要基础设施。按杆上下端的直径差异分成等径杆和锥形杆两类[11]。电杆结构截面一般采用环形，由于环形截面具备下列优势：1）各向承载力均等；2）比实心截面节材约40%；3）环形截面无突出部分，不易损坏。环形截面电杆普遍采取离心工艺成型，运用常压蒸养养护[12]。

目前混凝土电杆主要在低电压等级的线路工程和通讯工程中运用。在输电线路工程中，常规电杆应用比例越来越高，预应力混凝土电杆应用较少[13]，大弯矩混凝土电杆应用有增长的趋势。在生产方面，国家相关技术规范的实施，使得混凝土电杆的生产更加规范，电杆的质量保证更加完善。在日趋严格的环保要求下，大部分企业建设了蒸养池，同时采用了自动化控制系统。目前生产线完成了机械化、自动化、智能化，各种自动和智能的设施得到应用，例如自动吊具、自动清模设备等。

2.2 混凝土电杆存在的问题

虽然混凝土电杆具备自身的优点，但其在生产、运输及后期的运行过程中会存在问题，缩短电杆的使用寿命，增加电网运行风险。

1）目前混凝土电杆表面强度大多为C50，强度等级较低，在大跨越和转角时需要安装拉线，拉线的安装会占用一定的土地资源，在城区等土地较紧缺的地域应用受限。

2）普通混凝土电杆的强度较低，在承受大荷载的情况下，容易导致开裂发生杆塔倒塌事故，造成供电故障风险。

3）普通水泥电杆常年承受垂直方向、水平方向的不对称拉力作用，会产生浅表性裂纹，外部雨水和潮湿空气会随着裂纹侵蚀到电杆内部，引起钢骨架腐蚀，造成电杆的服役年限缩短。

4）混凝土电杆多数采用离心成型工艺，虽然此工艺能够使混凝土更加密实，但是仍然有20%左右的水分残留在混凝土中，水分挥发后残留下孔隙的比例较高。随着气候的变暖和雨雪冰冻天气的增加，孔隙率较高的混凝土电杆的耐久性能较差，一定程度上影响到电杆的服役年限。

3 超高强混凝土在电杆中的应用

随着输电网的建设，杆塔的耐久性、安全性等问题越来越突出，各种新型杆塔不断研发出来。超高强电杆因其强度较高、性能优异的特点，在电力线路中得到认可[14]。

3.1 超高强混凝土电杆的特点

超高强混凝土电杆比普通水泥杆具备更高的强度，其抗压强度是普通混凝土的2 倍以上，在同等承载能力的前提下采用超高强混凝土制成的电杆壁厚比普通电杆减少50%，重量也相应的可降低30%~50%。在山区、丘陵等运输条件困难，特别是需要人工进行转运的环境下，因其自重轻可以采用。

电杆高强度的表现有以下3个方面：1）基体材料的抗压强度高；2）超高强混凝土集料粒径较小，钢筋间距能够大幅减小，可配置的钢筋数量变多，配筋率相应提高，电杆的强度也会提高；3）混凝土水胶比较低，离心成型后电杆的密实度更高，强度也更大，在一定电压等级条件下可以替代拉线杆、窄基塔和钢管杆，不需要安装拉线，基础土方开挖工作量也相应减少，在施工及后期的检修维护方面比较方便，减少土地的占用面积和杆塔成本，具有一定的经济效益和社会效益。

超高强电杆因其具有的独特优势，使电杆在荷载作用下可以承受较大的变形。在极端天气条件下，减少对结构的损害。同时超高强混凝土电杆具备很好的抗渗透性能，使其在侵蚀严重的环境下具有更高的使用寿命，适用于在盐碱地、沿海等侵蚀严重的地区使用。

3.2 超高强混凝土电杆荷载试验

3.2.1 电杆试件

超高强混凝土杆具有承载负荷大、重量轻、施工方便等优点，为了验证电杆结构的合理性、可靠性，进行力学性能试验。本次试验采用C120混凝土制作电杆，电杆总长18 m，由2段9 m的杆件组成，采用法兰连接，设计大风30 m/s，覆冰风速10 m/s，覆冰厚度20 mm，杆件的稍径和根径分别为230 mm和470 mm。

3.2.2 试验工况

电杆试验分标准荷载、覆冰荷载、大风荷载三种工况，采用立式试验，分析杆件在真实的应用场景下的工作情况。试验时，将电杆承受的风荷载简化成杆段重心处的横向集中力，导地线上的风荷载简化为挂点处的横向集中力，导线自重则为垂直的集中力，各工况荷载见表1。各荷载施加位置及位移观测点编号如图1所示。

表1 各工况加载值

图1 荷载加载点和位移观测点

3.2.3 试验概况

电杆在施加荷载过程中，产生横向弯曲变形，如图2所示，具体加载方式如下：

工况1：标准荷载；试验荷载为100%设计荷载。荷载按0-50%-75%-90%-95%-100%-0顺序加荷，当荷载加至100%时，第1 观测点横向位移为482 mm，纵向位移为-3 mm，垂直位移为-20 mm。

工况2：最大覆冰；试验荷载为100%设计荷载。垂直、横向荷载按0-50%-75%-90%-95%-100%-0 顺序加荷，当荷载施加到100%的时候，第1观测点水平位移为15 mm，纵向位移为-18 mm，垂直位移为0 mm。

工况3：90°大风（超载）；试验荷载为140%设计荷载。垂直、横向荷载按0-50%-75%-90%-95%-100%-105%-110%-115%-120%-125%-130%-135%-140%-0顺序加荷，当荷载施加到100%时，第1观测点横向位移为1030 mm，纵向位移为3 mm，垂直位移为-59 mm；当荷载施加到140%时，第1 观测点横向位移为2335 mm，纵向位移为-20 mm，垂直位移为-236 mm。

图2 电杆变形

3.2.4 试验结果分析

工况2 属于垂直荷载控制，三个方向位移值都比较小；工况1、工况3都是横向风控制，横向水平位移是主要的方向，且数值较大，本文只对工况1、工况3 的横向水平位移进行绘图分析，见表2、表3；图3、图4所示。

表2 工况1：电杆横向水平位移

图3 工况1：电杆横向水平位移

在工况1作用下，电杆的杆顶挠度为482 mm，杆件没有发生破坏或局部破坏，电杆没有发生破坏或局部破坏，处于弹性状态。小于75%设计荷载时，曲线是线性变化，荷载超过75%时，曲线呈现双线性变化特征，9 m处为电杆挠度变形的分界线；9 m下挠度变化很小，75%设计荷载挠度是55 mm，100%荷载时为150 mm；9 m以上随着荷载的变大挠度增加较大，18 m处75%设计荷载挠度是196 mm，100%荷载时为482 mm。

表3 工况3：电杆横向水平位移

在工况3（90°大风超载）作用下，电杆在100%和140%荷载值时杆顶部挠度是1030 mm和2335 mm，电杆未发生破坏，处于弹性状态。小于75%设计荷载时，曲线是线性变化，荷载超过75%时，曲线呈现双线性变化特征，9 m 处为电杆挠度变形的分界点；9 m以下挠度变化很小，100%设计荷载挠度是317 mm，140%荷载时为747 mm；9 m以上伴随荷载的变大挠度增加很大，18 m 处100%设计荷载挠度是1030 mm，140%荷载时为2335 mm。

图4 工况3：电杆横向水平位移

电杆通过了3 个工况的100%设计荷载测试，其中90 °大风（超载）工况荷载加至140%，试验完成后对被试验杆进行检查，发现被试杆根部受压区，离地2.3 m 处杆身混凝土压碎，见图5 所示。经过对杆身混凝土破碎现象分析，认为是由于生产工艺的原因，造成混凝土水灰比偏大，导致强度未达到要求；杆件在卸除全部荷载后，变形恢复原始状态，结构显示优异的变形能力，可以满足工程应用的要求。