新疆盐渍土区域混凝土电杆地上部位侵蚀破坏机理探讨

2022-06-08廖孟柯梁钢付林曾宁周阳

水泥技术 2022年3期

廖孟柯，梁钢，付林，曾宁，周阳

1 引言

在输电线路中，常常采用环形混凝土电杆（以下简称：混凝土电杆）作为输电线路中的重要支撑部件，混凝土电杆制造简单、施工方便、造价及维修成本低廉，在低压输电线路中被大量使用。而混凝土电杆在气候环境、盐类及电化学侵蚀等的作用下，运行数十年后，将会出现不同程度的裂纹等劣化现象，严重影响其使用寿命。因此，混凝土电杆杆体的完好程度（耐久性能），将直接关系到输（配）电线路的供电可靠性、工作人员的人身安全以及电网运行的维护成本。

新疆地处我国西北干旱地区，北疆平原地区年平均温度低于10℃，南疆年平均气温在10℃～13℃且常年伴有沙暴、浮尘天气[1]。据统计[2]，全疆盐渍土面积约为15.83×104km2，盐渍土几乎覆盖了全疆所有地区（市、县）。盐渍土中含有较多的硫酸盐、镁盐和氯盐，当输电线路中的混凝土电杆在此环境下服役时，将会受到盐渍土壤中侵蚀离子的侵蚀，造成电杆性能劣化，易发生混凝土电杆倒塌事故，致使输电线路断电，造成经济损失或人身安全事故。近年来，公司巡检人员在进行输电线路杆体巡查时发现，多条线路的混凝土电杆（使用年限5～8年）的地面以上部位出现了大量裂缝，严重影响了电杆的使用安全。图1 是输电线路中混凝土电杆地上部位开裂情况。为此，本文针对新疆南疆和田地区35kV（英亚）输电线路混凝土电杆地上部位破坏特征进行了调查，并采用X射线衍射法（XRD）和酚酞试剂测试法对侵蚀破坏试样进行了分析，对混凝土电杆的破坏机理进行了探讨，为新疆盐渍土区域输电线路（电网）混凝土电杆的设计提供了基础数据。

图1 输电线路中混凝土电杆地上部位开裂情况

2 混凝土电杆基础资料及盐渍土的化学分析

由和田供电公司提供的数据可知，混凝土电杆（35kV）的基体混凝土设计强度等级为C30，混凝土水泥用量为320kg/m3，混凝土水灰比为0.55。混凝土所用原材料来源如下：

（1）水泥：和田地区某水泥厂32.5 级普通硅酸盐水泥，水泥比表面积为300m2/kg。

（2）细集料：和田地区墨玉河河沙，河沙的细度模数为2.65。

（3）粗集料：和田地区墨玉河河卵石，其粒径为5～20mm。

（4）养护条件：混凝土浇筑完成后，进入80℃的蒸汽养护池养护6h 后拆模，采用常温水（20±2）℃淋洒养护3d左右出厂。

试验用盐渍土采自英亚输电线路混凝土电杆服役区域附近的土壤，其化学分析如表1所示。由表1数据可知，该区域盐渍土土壤中含有较高的硫酸根离子及氯离子，根据JTG C20-2011《公路工程地质勘察规范》中盐渍土的分类可知，该区域盐渍土为氯盐渍土。

表1 混凝土电杆服役区域附近盐渍土试样的化学分析，g/kg

3 混凝土电杆受侵蚀情况及测试结果

3.1 混凝土电杆侵蚀破坏特征

在对和田地区35kV 输电线路进行巡检时发现，该线路有多根环形混凝土电杆（使用年限为6～7 年）在距离地面2～3m 的地上部位出现纵向裂缝（沿钢筋方向）和翘起现象。为探究引起混凝土杆体开裂、翘起的原因，笔者对杆体开裂部位的混凝土进行了取样检测并对钢筋使用情况进行了检查。图2为受侵蚀混凝土电杆取样情况。从图2可以观察到，混凝土电杆轻微开裂或无裂纹的部位，其钢筋表面完好无锈蚀（见图2a）；但在杆体混凝土翘起或开裂明显的部位，其钢筋表面出现红色的铁锈（见图2b），表明该部位混凝土中的钢筋因环境作用发生了锈蚀。

图2 受侵蚀的混凝土电杆及取样情况

3.2 XRD测试结果

为进一步探究造成混凝土电杆开裂及钢筋锈蚀的原因，采用X射线衍射（简称XRD）测试技术对混凝土电杆试样中水化产物的矿物组成进行分析。图3为混凝土电杆试样的XRD测试分析结果。

图3 混凝土电杆试样的XRD测试分析结果

从图3中的衍射峰可以看出：

（1）试样在9.2°的位置出现了明显属于钙矾石的特征衍射峰，说明混凝土试样中有大量的钙矾石存在。

（2）试样在23°和29.4°的位置有明显属于碳酸钙的特征衍射峰，说明混凝土试样中有大量的碳酸钙存在。

（3）试样在18°的位置，属于氢氧化钙的特征衍射峰非常弱，说明混凝土试样中几乎没有氢氧化钙存在。这可能是由于混凝土中的氢氧化钙转化成了钙矾石，或是受到空气中二氧化碳的碳化作用转变成了碳酸钙，从而消耗了混凝土中的氢氧化钙，使得混凝土中原本存在的大量氢氧化钙几乎不存在了，从而破坏了钢筋表面的保护膜，使钢筋产生了锈蚀。

（4）图3 中属于二氧化硅的特征衍射峰，主要是由于混凝土中的砂石骨料含有二氧化硅引起的。

3.3 酚酞试剂测试结果

由电杆混凝土试样的XRD 分析结果可知，混凝土试样中存在有碳酸钙矿物。为进一步探究混凝土试样中的碳酸钙是源于空气中二氧化碳的碳化作用，还是原混凝土制备原料中自带有碳酸钙质原料，笔者采用酚酞试剂测试法对电杆混凝土试样表面进行喷涂测试，其测试结果见图4。

图4 混凝土电杆试样喷涂酚酞试剂后的情况

从图4可以看出，试样从图4a中的虚线位置断开后，将酚酞试剂喷涂到试样断口表面（图4b），在靠近钢筋的一侧，试样断面呈现很淡的粉色（可以看到混凝土原色）；而靠近试样外边缘位置，试样断面略显粉色，几乎呈现混凝土原色（灰色），说明该混凝土受到了严重的碳化作用，混凝土中碱性的氢氧化钙完全转变成了中性的碳酸钙。

4 结果分析

在正常的水化情况下，混凝土水泥石中存在极少量的钙矾石，在XRD图谱中，钙矾石的特征衍射峰显现得非常微弱，几乎没有明显的特征衍射峰[5-6]。而对混凝土电杆地上部位混凝土试样进行XRD 分析，可以观察到试样中有很强的钙矾石特征衍射峰存在，表明混凝土中有大量的钙矾石存在，说明混凝土电杆地上部位的混凝土受到了硫酸盐侵蚀。据和田供电公司提供的资料，生产混凝土电杆的原料中并不含有硫酸盐及硫酸盐质骨料，硫酸盐来自混凝土外部。由于新疆和田地区常年伴随有沙暴、浮尘天气，且混凝土电杆服役区的盐渍土土壤中含有较高的硫酸根离子（1.348g/kg、1.385g/kg）。当出现浮尘天气时，土壤中的硫酸盐随沙尘沉积在混凝土电杆上，后期硫酸根离子随着降雨进入混凝土内部，与混凝土中的水化铝酸钙和氢氧化钙反应生成钙矾石，导致混凝土产生膨胀开裂，从而对混凝土电杆造成硫酸盐侵蚀破坏。

此外，正常的混凝土中含有大量的氢氧化钙，其XRD分析图谱中具有极强的氢氧化钙特征衍射峰[6-7]。而在本文混凝土试样的XRD 分析图谱中，氢氧化钙的特征衍射峰非常微弱，几乎观察不到，表明混凝土试样中仅含有较少的氢氧化钙；同时在混凝土试样的XRD 分析图谱中，还发现有大量的碳酸钙存在，说明混凝土中的氢氧化钙被空气中的二氧化碳转变成了碳酸钙。从酚酞试剂测试结果可知，混凝土试样受到了严重的碳化作用，其碳化深度从外边缘一直延伸到钢筋表面（钢筋的混凝土保护层完全碳化）。由于混凝土的碳化作用，致使混凝土的pH值从碱性变成弱碱、中性，破坏了混凝土中钢筋表面的保护膜，钢筋锈蚀产生膨胀，造成混凝土翘起或出现沿钢筋方向延伸的裂缝。

5 防治措施

如上所述，新疆盐渍土区域（和田地区）混凝土电杆地上部位受到了空气中二氧化碳的碳化、硫酸盐侵蚀及钢筋锈蚀的多重作用，造成了混凝土电杆的侵蚀破坏。混凝土电杆的服役环境难以人为改变，在混凝土电杆外表面涂覆有机防护层，可有效阻断混凝土与空气中的二氧化碳、硫酸盐及降水的接触，从而保护混凝土免受空气中二氧化碳的碳化及硫酸盐的侵蚀。但南疆地区紫外线较强且常年有风沙，有机防护层受紫外光照射易老化且风沙对其也有磨蚀作用，从而容易破坏有机保护层，无法起到彻底防护作用。为彻底防治混凝土电杆受腐蚀破坏，只能通过改善混凝土自身的抗腐蚀能力实现。而混凝土本身具有一定的抗腐蚀能力，已有研究表明，混凝土电杆可利用矿物掺合料（粉煤灰、硅粉等）、采用低水胶比（<0.4）配置基底混凝土，以减少混凝土电杆内部孔隙，增加密实度，减小渗透性，提高混凝土的强度[8]。在混凝土电杆蒸汽养护过程中，采用慢速降温手段，减小混凝土电杆与外界的温差，也可预防混凝土电杆开裂，提高混凝土的耐久性。