高寒惡劣環(huán)境條件下變電站建構(gòu)筑物混凝土的耐久性分析

張廣平

(甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州市 730050)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)是目前使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，人們對(duì)混凝土性能的改善、提高也隨工程實(shí)踐的增多和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷完善。隨著時(shí)間的推移，人們認(rèn)識(shí)到已建工程的耐久年限并非永久，相反遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命。這些過早“衰老”的工程不僅需要耗用龐大的重建與維修費(fèi)用，還會(huì)造成間接的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，這種現(xiàn)象稱為“混凝土耐久性危機(jī)”，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)為此付出了巨大代價(jià)［1-2］。如何根據(jù)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)在役混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)價(jià)，合理預(yù)測(cè)其剩余使用壽命并給出具體可行的防治措施是土木工程領(lǐng)域近年的熱點(diǎn)問題。

甘肅省地處黃土、青藏和內(nèi)蒙古三大高原交匯地帶，地貌復(fù)雜多樣，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯(cuò)分布。總體上氣候干燥，氣溫日較差大，太陽輻射強(qiáng)。惡劣的地理環(huán)境以及復(fù)雜的氣象環(huán)境為電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來了諸多困擾，尤其是高寒地區(qū)和酸堿土壤分布區(qū)域，電力設(shè)備以及混凝土建構(gòu)筑物、鐵塔基礎(chǔ)長(zhǎng)期經(jīng)受高寒惡劣環(huán)境的考驗(yàn)以及鹽堿土壤的侵蝕，嚴(yán)重影響本地區(qū)電力基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命，無法滿足國(guó)家電網(wǎng)公司提出構(gòu)建物使用壽命60年的要求。如何提高電力基礎(chǔ)設(shè)施建構(gòu)筑物中混凝土耐久性顯得迫在眉睫，甘肅省電力設(shè)計(jì)院在甘肅省電力公司的大力支持下，對(duì)全省444座已投用變電站進(jìn)行了分類篩選，并通過調(diào)查混凝土的耐久性提出了相關(guān)的防治措施。

1 調(diào)研方案

針對(duì)甘肅省的氣候環(huán)境、地質(zhì)條件，根據(jù)對(duì)以往變電站建構(gòu)筑物設(shè)計(jì)、維修加固實(shí)踐和對(duì)已有變電站混凝土病害進(jìn)行總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)影響混凝土耐久性的因素多種多樣，由于各因素間的交互影響，因此，根據(jù)多因素的研究結(jié)果分析實(shí)際工程混凝土耐久性的工作尚處于起步階段。在甘肅省境內(nèi)，影響變電站混凝土耐久性的因素主要有以下5類:(1)工業(yè)污染或碳化;(2)自重濕陷性黃土濕陷變形;(3)干濕循環(huán);(4)凍融循環(huán);(5)鹽漬土侵蝕。有些混凝土工程設(shè)計(jì)壽命在50～100年，但其中相當(dāng)一部分在10年內(nèi)就出現(xiàn)了裂縫、剝落、破損等問題。

在現(xiàn)運(yùn)行的11座變電站中，選取4條線路(A、B、C、D代表線路順序)進(jìn)行調(diào)研，如表1所示。其中A1、A2位于蘭州周邊典型工業(yè)地區(qū)，工業(yè)排放的粉塵、有害氣體(SO2、CO2等)對(duì)混凝土有嚴(yán)重腐蝕作用;B1、B2、B4位于隴東濕陷性黃土地區(qū)，該區(qū)黃土層厚度大，濕陷等級(jí)高，地基濕陷引起混凝土結(jié)構(gòu)物破壞嚴(yán)重;B3位于隴南濕潤(rùn)多雨地區(qū)，干濕循環(huán)對(duì)混凝土的抗?jié)B性影響較大;C1、C2位于甘南高海拔地區(qū)，高原寒冷氣溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，紫外線照射強(qiáng)烈，降雪厚度大并且融化緩慢，凍脹對(duì)混凝土破壞嚴(yán)重;D1、D2位于河西風(fēng)沙干旱荒漠和鹽漬土地區(qū)，鹽漬土對(duì)混凝土有嚴(yán)重腐蝕作用，風(fēng)沙干旱荒漠使混凝土發(fā)生干濕、腐蝕破壞，耐久性遭到嚴(yán)重考驗(yàn)。在調(diào)查設(shè)計(jì)使用時(shí)間、氣象條件、土壤條件、腐蝕狀況等的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討混凝土耐久性現(xiàn)狀及防治技術(shù)措施。

表1 變電站調(diào)研清單Tab.1 Investigation list of substation

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研包括混凝土耐久性現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度、采用酚酞試劑判定混凝土碳化深度、裂縫觀測(cè)儀觀測(cè)裂縫寬度、鋼筋位置測(cè)定儀測(cè)定鋼筋位置、拍照、取水土樣及現(xiàn)場(chǎng)詢問等。室內(nèi)試驗(yàn)包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的水、土、混凝土樣進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，并初步提出相應(yīng)措施及闡述進(jìn)一步研究的必要性等。

2 調(diào)研結(jié)果分析及防治措施

2.1 工業(yè)污染或碳化地區(qū)混凝土耐久性調(diào)研

中堡110 kV變電站常年受祁連山水泥廠工業(yè)粉塵污染，混凝土表面嚴(yán)重受損，如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)選擇3號(hào)避雷針對(duì)其主體和基礎(chǔ)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試［3-5］。檢測(cè)結(jié)果表明:土中SO42－濃度為306 mg/kg，腐蝕等級(jí)為弱腐蝕，Cl－濃度為90 mg/kg，腐蝕等級(jí)為微腐蝕;用酚酞試劑測(cè)試其碳化深度大于6 mm，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值為12.3 MPa，不能滿足設(shè)計(jì)要求;基礎(chǔ)底部普遍存在2 mm裂縫，避雷針高約為16 m，相對(duì)地面水平位移為170 mm，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形。

淌溝220 kV變電站旁有騰達(dá)西北鐵合金廠，常年排放粉塵氣體(SO2、CO2等)，混凝土腐蝕嚴(yán)重，基礎(chǔ)混凝土已經(jīng)酥松，嚴(yán)重影響上部建構(gòu)筑物穩(wěn)定，如圖2所示。從該變電站旁的大通河中取水樣，水質(zhì)分析表明，SO42－、Cl－腐蝕等級(jí)為微腐蝕，pH 值為8.16。現(xiàn)場(chǎng)選擇主變壓器及主變構(gòu)架基礎(chǔ)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，主變基礎(chǔ)存在1 mm裂縫，碳化深度大于6 mm，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值為5.6 MPa。

蘭州周邊工業(yè)地區(qū)變電站調(diào)研結(jié)果表明:工業(yè)排放的粉塵、有害氣體(SO2、CO2)濃度上升，碳化嚴(yán)重，混凝土破壞情況如圖2所示，嚴(yán)重影響混凝土使用壽命，從而導(dǎo)致不能滿足設(shè)計(jì)60年的使用年限。因此，今后該類地區(qū)預(yù)防混凝土碳化或工業(yè)污染［6］應(yīng)采取以下措施:選用抗碳化能力強(qiáng)的水泥品種;在施工條件允許的情況下，盡可能采用較小的水灰比;選用能夠提高混凝土抗碳化能力的外加劑;采用涂料防護(hù)法加強(qiáng)工業(yè)地區(qū)混凝土的耐久性。

2.2 自重濕陷性黃土濕陷變形地區(qū)混凝土耐久性調(diào)研

定西330 kV變電站地基濕陷引起的基礎(chǔ)沉降量較大、墻面多處存在“八”字形裂縫;混凝土腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。土樣檢測(cè)表明土中SO42－濃度為4332 mg/kg，腐蝕等級(jí)為強(qiáng)腐蝕，Cl－濃度為3639 mg/kg，腐蝕等級(jí)為中腐蝕。由現(xiàn)場(chǎng)判定在地基濕陷性消除后，維修須使用抗SO42－水泥。

秦安330 kV變電站地基濕陷較為典型，隨處可見濕陷性閉合圓環(huán)及地基不均勻沉降引起的墻面“八”字形裂縫，如圖3～4所示。土樣分析表明，土中SO42－濃度為428mg/kg，HCO3－濃度為476 mg/kg。從變電站旁的河中取水樣，測(cè)試表明水中SO42－濃度為35.8 ml/l%，腐蝕等級(jí)為中等腐蝕，Cl－濃度為34.57 ml/l%，檢測(cè)表明水的腐蝕等級(jí)為中等腐蝕，pH值為8.47，維修時(shí)須使用抗SO42－水泥。現(xiàn)場(chǎng)選擇主變器基礎(chǔ)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值為11.1 MPa，無法滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 開裂基礎(chǔ)環(huán)形濕陷Fig.3 Circular collapse of cracking foundation

圖4 地基下陷引起墻面開裂Fig.4 Crevices of walls caused by ground collapse

七里墩110 kV變電站地基不均勻沉降最為突出，嚴(yán)重影響上部建構(gòu)筑物的穩(wěn)定。土樣分析表明，土中SO42－濃度為457 mg/kg，HCO3－濃度為323 mg/kg，腐蝕等級(jí)為弱腐蝕;水樣測(cè)試表明，水中SO42－濃度為28.21 ml/l%，Cl－濃度為27.12 ml/l%，腐蝕等級(jí)為弱腐蝕。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)選擇建站至今未處理過的路面進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值為13.0 MPa，無法滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，該地區(qū)地基濕陷變形引發(fā)的破壞程度均大于混凝土受腐蝕的破壞程度。這是由于該地區(qū)的黃土在天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，常年處于欠壓實(shí)狀態(tài)、彈性變形極小。當(dāng)?shù)鼗诔掷m(xù)降雨或浸水后很快發(fā)生濕陷變形、地基承載力突降，地基不均勻沉降量大，嚴(yán)重威脅上部建構(gòu)筑物安全，其設(shè)計(jì)使用年限、混凝土耐久性便無法保證［7-8］;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取回的水土樣分析表明，該區(qū)水土的腐蝕等級(jí)為強(qiáng)、中、弱不等，因此，維修時(shí)須根據(jù)變電站水土條件，合理提高混凝土等級(jí)，使用抗SO42－、Cl－水泥。另外，在消除地基濕陷性的同時(shí)，需從調(diào)整基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸，因地制宜地提高混凝土的抗?jié)B、抗腐蝕性能方面作進(jìn)一步的研究。

2.3 干濕循環(huán)地區(qū)混凝土耐久性調(diào)研

江洛110 kV變電站受當(dāng)?shù)馗蓾裱h(huán)氣候影響較大，站內(nèi)多處建構(gòu)筑物混凝土面層被暴雨沖壞，多處構(gòu)筑物表面龜裂現(xiàn)象嚴(yán)重，如圖5～6所示。土樣分析表明，土中 SO42－濃度為 394 mg/kg，Cl－濃度為208 mg/kg，腐蝕等級(jí)為微腐蝕;水樣測(cè)試表明，水中SO42－濃度為 21.43 ml/l%，HCO3－濃度為57.14 ml/l%，Cl－濃度為14.29 ml/l%，腐蝕等級(jí)均為微腐蝕，pH值為8.25。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)選擇建站至今未處理過的路面進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值為16.3 MPa，不滿足設(shè)計(jì)要求。

不同因素對(duì)混凝土耐久性的影響程度是不相同的，干濕循環(huán)作用下的物理腐蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，在有硫酸鹽存在的環(huán)境下，混凝土在干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕雙重因素的作用下破壞更嚴(yán)重［9］。因此，對(duì)于隴南濕潤(rùn)多雨地區(qū)，在干濕交替環(huán)境下，合理提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)的同時(shí)，進(jìn)一步研究混凝土抗凍、抗?jié)B性，對(duì)提高混凝土耐久性及延長(zhǎng)建構(gòu)筑物的使用壽命十分必要。

2.4 凍融循環(huán)地區(qū)混凝土耐久性調(diào)研

合作110 kV變電站受高寒氣候影響，變電站混凝土內(nèi)凍脹損害嚴(yán)重。1號(hào)開關(guān)控制器基礎(chǔ)和主變基礎(chǔ)始建于1984年，曾在2011年進(jìn)行維修，但從現(xiàn)場(chǎng)來看凍脹、凍害現(xiàn)象嚴(yán)重，如圖7所示。土樣分析表明，土中 SO42－濃度為 374 mg/kg，Cl－濃度為197 mg/kg，腐蝕等級(jí)為微腐蝕。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)選擇建站至今未處理過的路面進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值為16.2 MPa，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

合作35 kV變電站主變基礎(chǔ)始建于1996年，為該線路中建站最晚的變電站，但其凍脹現(xiàn)象最嚴(yán)重，如圖8所示。站內(nèi)路面混凝土隨處可見起皮、龜裂損壞。土樣分析表明，土中SO42－濃度為1210 mg/kg，Cl－濃度為2770 mg/kg，腐蝕等級(jí)為中等腐蝕;從變電站內(nèi)的深井中取水樣，測(cè)試表明水中SO42－、Cl－的濃度均為18.75 ml/l%，腐蝕等級(jí)為微腐蝕。混凝土回彈值均為10～20 MPa。

臨夏35 kV變電站主變基礎(chǔ)始建于1975年，為該線路中建站最早的變電站，其凍脹現(xiàn)象比較嚴(yán)重。土樣分析表明，SO42－濃度為 328 mg/kg，腐蝕等級(jí)為弱腐蝕，Cl－濃度為121 mg/kg，腐蝕等級(jí)為微腐蝕，HCO3－濃度557 mg/kg;水樣測(cè)試表明，水中SO42－濃度為40.54 ml/l%，腐蝕等級(jí)為弱腐蝕，Cl－濃度為16.22 ml/l%，腐蝕等級(jí)為微腐蝕。現(xiàn)場(chǎng)選擇變壓器和進(jìn)線塔基礎(chǔ)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值小于10.0 MPa，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

在甘南高海拔地區(qū)，高原寒冷氣溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，紫外線照射強(qiáng)烈，降雪厚度大并且融化緩慢，凍脹對(duì)變電站建構(gòu)筑物混凝土破壞嚴(yán)重。該地區(qū)自然災(zāi)害頻繁，主要是霜凍、寒潮、強(qiáng)降溫、大雪、冰雹和秋季洪澇等，對(duì)變電站建構(gòu)筑物混凝土抗凍性影響顯著。因此，在提高高原寒冷氣候條件下輸變電站混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度的同時(shí)，使用引氣劑是提高混凝土抗凍性能最為快捷有效的途徑。因此，有必要對(duì)引氣劑增強(qiáng)礦物摻合料和抗?jié)B性能的原理和方法作進(jìn)一步研究［10］。

2.5 河西鹽漬土地區(qū)混凝土耐久性調(diào)研

金昌330 kV變電站常年受沙塵暴和鹽漬土腐蝕的影響，建構(gòu)筑物混凝土遭到顯著破壞。由圖9可以看出站內(nèi)地面受鹽脹損害程度。土樣分析表明，土中SO42－濃度為 8303 mg/kg，Cl－濃度為 18972 mg/kg，腐蝕等級(jí)均為強(qiáng)腐蝕，建議維修時(shí)使用抗SO42－水泥。在現(xiàn)場(chǎng)選擇嚴(yán)重腐蝕和表面完好的馬路道牙進(jìn)行相關(guān)對(duì)比測(cè)試，檢測(cè)表明嚴(yán)重腐蝕的道牙其碳化深度大于6 mm，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值小于10.0 MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求;表面完好的道牙其碳化深度小于3 mm，測(cè)區(qū)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C20，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值為21.4 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 鹽漬土地基隆脹破壞Fig.9 Failure model due to ground bursting in saline soil

嘉峪關(guān)330 kV變電站位于氣候干燥、沙塵暴強(qiáng)烈的戈壁和沙漠交匯處，鹽漬土廣泛分布。土樣分析表明，土中的SO42－濃度為 12584 mg/kg，Cl－濃度為12853 mg/kg，腐蝕等級(jí)均為強(qiáng)腐蝕，建議維修時(shí)使用抗SO42－水泥。由于該站建站較晚，回彈法測(cè)定測(cè)區(qū)混凝土推定值一般均滿足設(shè)計(jì)要求。

河西走廊戈壁和沙漠廣泛分布，氣候干燥、冷熱變化劇烈、風(fēng)大沙多，鹽漬土廣泛分布，自東向西面積逐漸擴(kuò)大。鹽漬土的物理、力學(xué)性質(zhì)在溫度、含水量等環(huán)境條件改變時(shí)可能產(chǎn)生變化，導(dǎo)致土體隆脹變形，使得鹽漬土地區(qū)許多電力建構(gòu)筑物由此發(fā)生破壞無法達(dá)到混凝土60年設(shè)計(jì)使用年限，嚴(yán)重影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與正常使用。因此，在該地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，要對(duì)該地區(qū)的地基進(jìn)行處理，可以適當(dāng)采用換土墊層的方法處理或用一些粗顆粒土在淺層褥墊，給鹽漬土留有一定的鹽脹空間，以防止鹽漬土鹽脹對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞;也可采用化學(xué)的方法，即向該地區(qū)鹽漬土中均勻摻入氯鹽，對(duì)鹽脹起到有效的抑制作用［11-12］。另外，今后需要在混凝土配合比、抗SO42－侵蝕和鹽脹變形規(guī)律等方面展開進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

(1)甘肅地域狹長(zhǎng)，氣候復(fù)雜多樣，從調(diào)研結(jié)果來看，高寒、惡劣環(huán)境條件下變電站建構(gòu)筑物混凝土均有不同程度的損傷破壞，無法達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限。

(2)通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)不同地區(qū)混凝土的耐久性影響因素和破壞情況，初步提出了防治措施。

(3)開展高寒、惡劣環(huán)境條件下混凝土耐久性研究，不僅可以為新建變電站開展全壽命周期工作提供科學(xué)依據(jù)，還能對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行變電站提高混凝土使用壽命、降低后期維修成本提供技術(shù)支持。

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