鹽漬土地區混凝土基礎的腐蝕與防護

苗 興，袁 芳，李玉鵬

(國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050)

1 概述

混凝土具有取材方便、造價低廉、便于施工、承載能力強、剛度大、整體性好及易于成型等優點，被廣泛應用于建筑行業中。在輸變電工程建設中，輸電線路桿塔通常采用柱型鋼筋混凝土基礎。作為輸電線路設備的重要組成部分，鋼筋混凝土基礎不僅要支撐輸電桿塔、導線、地線、絕緣子、金具等設備重量，還要承擔大風、覆冰、熱脹冷縮、地震、沉陷等因素造成的載荷，其安全可靠性對保證輸電桿塔穩定、防止桿塔變形及傾覆起到至關重要的作用。因此，鋼筋混凝土基礎的使用壽命與電網設備的安全、整體壽命密不可分。

然而，鋼筋混凝土基礎的使用壽命與其地理位置、土壤成分有很大關系。甘肅西部局部地區為鹽漬土壤，且氣候寒冷，晝夜溫差大，這些因素都對鋼筋混凝土基礎的使用壽命造成一定的影響。因此，如何降低鹽漬土對鋼筋混凝土的侵蝕，延長西部鹽漬土地區輸變電設備的使用壽命，是一個亟待解決的重要問題。

2 鹽漬土腐蝕成分特點

一般將土壤表層厚度0～30 cm且可溶鹽含量大于0.2 %(即2 000 mg/kg)的土壤稱為鹽漬土。鹽漬土的主要特征是含有鹽分，尤其是易溶鹽，這對鋼筋混凝土有腐蝕性，影響輸變電設備混凝土基礎和地下設施的耐久性和安全性。甘肅河西地區位于北溫帶大陸性氣候干旱荒漠，具有蒸發強烈、降水稀少、日照時間長、晝夜溫差大、四季分明等特征，其鹽漬土主要分布在酒泉、張掖、武威3市。

鹽漬土中的可溶鹽主要為氯鹽、硫酸鹽和碳酸鹽，甘肅西部張掖市鹽漬土主要含硫酸鹽，還含有氯鹽和碳酸鹽等。為研究該地區鹽漬土腐蝕成分對輸電線路桿塔混凝土基礎的腐蝕情況，探索提高混凝土基礎抗腐蝕能力的方法并驗證其有效性，現對甘肅西部張掖市臨澤縣的某110 kV線路沿線土壤腐蝕成分及含量開展了初步調查和取樣對比，并最終選定土壤鹽漬化程度最嚴重的G29號和G30號塔基作為試驗研究和示范工程點。在開挖輸電線路桿塔混凝土基礎時，對G29，G30塔基部位表層土壤再次取樣分析，結果表明：該地區土壤可溶鹽成分主要為硫酸鹽和氯鹽，易溶鹽總含量遠遠大于鹽漬土含量標準。該地區土壤成分分析結果見表1。

從現場挖掘的土壤樣品來看，不同深度的土壤組成及易溶鹽形貌均存在差別。表層土壤中含有大量的砂石和分散的易溶鹽結晶體；深層土壤主要為結構密實的紅壤土，含有大塊的鹽結晶體。通過現場實地勘察取樣化驗數據，結合示范線路及其附近運行多年線路的勘察結果，可以得知：沿線地基土壤對混凝土結構具有中～強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有弱～中腐蝕性。

3 混凝土基礎的破壞現象和損傷機理

在鋼筋混凝土構件使用過程中，混凝土結構受到荷載、環境等方面影響，其結構性能會發生退化。當土壤含有大量硫酸鹽時，硫酸鹽會滲入混凝土孔隙中，并在土壤與干燥空氣的界面濃縮、結晶。一方面，當結晶作用受到毛細孔壁限制時，將對孔壁產生巨大的結晶壓力，使混凝土產生裂縫；另一方面，土壤中的硫酸根離子滲入混凝土后，會和水泥的水化產物發生反應，生成具有膨脹性的腐蝕產物。在混凝土內部產生的內應力超過混凝土的抗拉強度時，就會產生混凝土開裂、剝落等現象，造成混凝土強度和粘接性能喪失。在甘肅西部地區，由于季節溫差、晝夜溫差及濕度變化等物理因素造成凍融循環、鹽凍融循環以及熱脹冷縮等作用，也會進一步加劇鋼筋混凝土結構耐久性和壽命降低。

表1 G29，G30塔基開挖取樣土壤腐蝕性成分分析檢驗報告

在水化過程中，水泥產生高堿性(pH≥12.5)，使混凝土中的鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，對鋼筋具有較強的保護作用。然而，鈍化膜只有在高堿性環境中才穩定。研究證明：鋼筋表面失去鈍化、發生腐蝕的臨界pH值在11.2～11.05。當土壤中含有氯鹽時，游離Cl-可滲入混凝土中；當Cl-濃度超過一定值后，在Cl-及CO2、SO2的共同作用下，混凝土孔隙液pH值將降低，鋼筋表面的鈍化膜將遭到破壞，使鋼筋產生嚴重銹蝕。這樣不僅降低了鋼筋對混凝土的加強作用，同時腐蝕產物Fe(OH)2、FeCl3等會因膨脹對混凝土結構造成破壞，使混凝土開裂、剝落，造成混凝土基礎承載能力下降。

對張掖市鹽漬土地區鋼筋混凝土設施的使用情況進行調查，發現通訊光纜混凝土標記樁和電力線路混凝土桿塔受土壤中易溶鹽侵蝕及凍融循環等綜合作用，發生表層開裂、剝落及內部鋼筋腐蝕現象。

4 提高鋼筋混凝土基礎抗腐蝕能力

混凝土含有膠凝材料、水、粗骨料、細骨料、摻合料以及外加劑等組份。選取適當的比例配合，經拌制、成型、硬化后形成具有一定強度和耐久性的人造石材。因此，混凝土中各組份成分及配比將對混凝土的機械性能及抗腐蝕性能產生重大影響。結合鹽漬土地區土壤腐蝕性介質的成分特點，為提高鋼筋混凝土基礎結構的耐久性，應從提高混凝土抗硫酸鹽能力及防止鋼筋腐蝕入手。

(1)采用抗硫酸鹽水泥或控制水泥中熟料中礦物質C3A的含量，以降低混凝土硫酸鹽腐蝕后的膨脹量。

(2)摻加粉煤灰、礦渣粉等礦物摻和料，利用摻和料的填充效應、微集料效應和活性效應，降低混凝土的水膠比，改善混凝土的和易性，增加混凝土的密實度。

(3)控制最小水泥用量和最大水灰比：在一定范圍內提高水泥的用量，可增加混凝土密實度和混凝土強度，減少因硫酸鹽侵蝕產生的膨脹。

(4)改善養護條件，降低蒸養溫度，減少二次生成硫酸鋁和硫酸鈣，從而避免引起膨脹破壞。

(5)摻加可提高混凝土抗腐蝕性能的外加劑，混凝土外加劑一般可提高混凝土的抗滲性能、早期強度及抗凍融能力，同時其內部還含有防止鋼筋銹蝕的阻銹成分，可提高混凝土抵抗硫酸鹽和氯離子的雙重侵蝕能力。

據悉，現在有多種防止混凝土鋼筋腐蝕的措施，包括：適當提高混凝土強度和水泥用量、采用高性能混凝土、確保鋼筋保護層厚度、避免混凝土開裂或嚴格控制裂紋寬度、提高混凝土密實度、內摻鋼筋阻銹劑，外表涂層保護、涂鍍層鋼筋、陰極保護等。其中，在鋼筋混凝土澆筑過程中添加阻銹劑具有較好的防護效果，且具有成本低廉、便于施工的優點，是目前防止鋼筋腐蝕的主要措施，已得到了廣泛應用。

在原示范應用工程線路中，采用亞硝酸鹽無機阻銹劑。這種阻銹劑為典型的陽極型阻銹劑，雖然能保護鋼筋免遭腐蝕，但也在不斷地消耗自身，其抗腐蝕效果難以保證，且當Cl-濃度大到一定程度時反而能夠促進鋼筋腐蝕。另外，由于亞硝酸鹽具有毒性，目前已逐漸被低毒和更環保的有機阻銹劑取代。在張掖110 kV線路的實驗和示范工程中，采用中科院金屬所新近開發的含氧、氮和磷雜環化合物和醇/胺縮合物為主體的新型有機阻銹劑，并進行了對比試驗。這類阻銹劑分子可通過競爭優先吸附在混凝土中鋼筋的表面上，形成吸附膜，阻礙Cl-在鋼筋表面吸附和對鋼筋的侵蝕，延長鋼筋局部腐蝕的誘發時間，從而起到阻銹的功能。

5 實驗研究與示范工程實施

項目在大量實驗室模擬實驗的基礎上，提出通過改變混凝土成分和配合比、加入適合外加劑和調整混凝土施工工藝等措施，以提高混凝土強度、抗腐蝕和耐久性，并通過設計、土壤取樣、基礎開挖整平、綁鋼筋、支模、混凝土原材料和配合比調整、混凝土攪拌、運輸、澆筑、試樣制備、傳感器安裝、基礎及試塊填埋、跟蹤監測等，全過程參與和控制。

5.1 抗腐蝕混凝土配制及防護效果對比試驗

5.1.1 高性能抗腐蝕混凝土配制

工程原設計基礎混凝土強度等級為C35，為提高混凝土的強度和抗硫酸鹽腐蝕能力，采取降低水灰比，在混凝土中摻入一定量的粉煤灰和礦粉，并適當添加外加劑，經過反復試配，最終得出性能良好的C60混凝土。該混凝土水泥用量為280 kg/m3(總膠結材料為470 kg/m3)，總用水量約160 kg/m3，平均抗壓強度為63 MPa(標樣28d），混凝土的出機塌落度>240 mm，塌落擴展度>600 mm，1 h后坍落度無損失，具有良好的工作性。澆筑完成48 h后進行拆模，經檢查，混凝土外觀光潔平整，質量良好。拆模后立即包裹聚氯乙烯薄膜進行養護，2天后拆除塑料膜進行回填。

5.1.2 混凝土性能試驗

5.1.2.1 抗壓強度

實際示范樁基用C60，C35A混凝土的3d，7d和28d平均抗壓強度見表2，均滿足C60和C35混凝土抗壓強度要求。

5.1.2.2 抗滲性能試驗

按NEL法測得的標養28d的C60混凝土中的平均氯離子擴散系數為1.2×10-12m2/s，表明它具有優良的抗滲性。

5.1.2.3 C60和C35混凝土耐久性能對比試驗

選擇G29塔基做C60和C35混凝土抗腐蝕性能對比試驗。A，C基樁采用原設計C35+原設計阻銹劑，B，D基礎采用示范C60混凝土，定期觀察對比2種混凝土表面開裂和剝蝕情況。

作為反映混凝土內部特征的一個重要指標，動彈性模量與混凝土的抗壓強度、腐蝕損傷及凍融破壞間存在必然的聯系。當混凝土試件受到腐蝕、凍融等作用產生裂紋或密度、強度下降時，其諧振頻率就會發生改變，采用動彈性模量測量儀進行混凝土試塊的共振頻率測試和分析，可以間接了解混凝土內部結構的變化情況。為此，分別制作了C35和C60自然暴露混凝土試件各9個(100 mm×100 mm×400 mm)，豎立半埋于G29基礎中心回填土中，每間隔一定時間挖出測量其共振頻率，以了解混凝土性能變化情況。測試試樣澆筑后120天暴露齡期內的共振頻率，其數據具有一定的分散性但相對穩定，沒有明顯的規律性改變。

因混凝土動彈性模量的變化受腐蝕環境影響較大，干濕循環條件下的混凝土受到硫酸鹽的侵蝕要比長期處于浸泡環境中的混凝土更加嚴重，力學性能下降也更明顯。考慮到張掖地處干旱地區，且試件制成時間短，尚未經歷明顯的濕度改變及凍融循環，因此其動彈性模量在短期內不可能產生明顯改變。由于試塊成型品質差異、測試人員不同等因素對測試產生的影響，數據小幅度波動應在情理之中。

5.2 不同阻銹劑對比試驗及防護效果監測

選定為G30塔基進行試驗。其中A，C基樁采用原設計C35混凝土+原設計亞硝酸鹽阻銹劑，B，D基樁采用原設計C35混凝土+中科院阻銹劑。在4個基樁中分別埋設了4個鋼筋腐蝕傳感器，埋設部位距地表面25 mm深，距混凝土外表面100 mm。鋼筋腐蝕傳感器中的工作電極由建筑用普通鋼筋加工而成，面積12.073 8 cm2，輔助電極為石墨棒，除工作面外，其余部分用環氧樹脂密封。鋼筋腐蝕傳感器埋入混凝土后，定期測量體系的電極電位、宏觀電池電流密度，了解混凝土中鋼筋的電化學腐蝕進程。

表2 示范工程用混凝土配比及抗壓強度試驗結果

對基礎澆筑完成及其后60天和120天的3次監測結果進行對比，發現5個測量傳感器測出的電極電位和腐蝕電流均未發生明顯變化。因鋼筋腐蝕是一個長期過程，且冬季張掖地區氣候干旱，因此，初期階段腐蝕很緩慢，暫時還無法判斷原設計阻銹劑和有機阻銹劑對比后的防腐蝕效果。

另外，在基礎澆筑時，同時成型了21個Φ150×150 mm的鋼筋混凝土試件，置于G30塔基周圍地表鹽漬土中，埋深為150 mm。每個試塊中埋有3根用鋼筋制成的Φ10×30 mm圓棒，圓棒重量事先經過精確稱量，埋入地下后定期取出再次進行稱量，以確定鋼筋棒金屬腐蝕消耗量。因工程結束時間尚短，加之冬季氣候干旱，考慮到鋼筋腐蝕不會太明顯，故暫未對這些試件解體進行測量。

6 結束語

由于甘肅西部地區氣候比較干燥，氣象條件和土壤腐蝕成分相對較為復雜，在各種因素的共同作用下，鋼筋混凝土基礎的損傷和破壞相對復雜、漫長。因此，對項目示范工程塔基混凝土進行長期跟蹤監測，以獲取實際腐蝕環境下混凝土構件在整個壽命歷程中的完整監測數據，對于進一步研究甘肅西部鹽漬土地區鋼筋混凝土基礎的腐蝕破壞過程和失效機理，探索和總結適用于輸變電設備混凝土基礎的切實可行的腐蝕防護方法，延長其使用壽命和提高運行安全性，具有十分重要的意義。

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