輸電鐵塔基礎耐久性壽命預測及經濟性評價

楊　勃,安利強,曹　蒙

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

輸電鐵塔基礎耐久性壽命預測及經濟性評價

楊勃,安利強,曹蒙

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

摘要：以±800 kV特高壓直流哈鄭線甘3標段高標號抗腐蝕鐵塔基礎混凝土試點工程為背景，簡要介紹了美國Life-365使用壽命及全壽命周期成本預測模型，利用其計算了該工程氯鹽環境下某掏挖式鐵塔基礎耐久性壽命及初始建設和防腐成本。結果表明，該鐵塔基礎耐久性預測壽命滿足60年的使用要求，基礎混凝土中摻加阻銹劑是阻止或減緩鋼筋銹蝕最經濟、最簡便且有效的措施，為氯鹽環境下高標號鐵塔基礎混凝土設計、施工的質量和成本控制提供了參考。但考慮到阻銹劑的局限性及實際工程環境的復雜性，建議考慮基礎混凝土的強度設計和施工要求，基于Life-365模型編程求解最優結果，促進Life-365更切合實際地應用于輸電鐵塔基礎的耐久性壽命及防腐經濟性分析(初始建設和防腐成本的理論預測)。

關鍵詞：Life-365；輸電鐵塔基礎；耐久性壽命；防腐經濟性評價；預測計算

中圖分類號：TM726.3

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.02.010

收稿日期：2015-01-17。

基金項目：河北省自然科學基金(E2013502291);國家電網公司科技項目(輸電線路鹽漬土及凍土設計關鍵技術研究);中央高校基本科研業務費專項資金(14ZD33)。

作者簡介：楊勃(1991-)，男，碩士研究生，主要從事輸電線路工程、可靠性方法方面的研究，E-mail：hdyb2009@sina.cn。

Abstract：A brief description of the United States Life-365, and a prediction model to durability and the initial costs of construction and corrosion, are given in the background of high-grade corrosion resistant tower foundation in Gan 3 Section, Ha-zheng transmission line. And prediction calculations of a UHV tower foundation are achieved under chloride environment in the Gan 3 Section. Results show that the tower foundation can meet the requirement of 60 years, and the inhibitor is the most economical, simple and effective measures to prevent or slow down the steel corrosion, which provides a reference for the design, construction quality and cost control of high-grade tower foundation concrete under chloride environment. However, considering the limitations of corrosion inhibitors and the complexity of actual environment,suggested to consider the strength of the concrete foundation design and construction requirements, and the program based on the Life -365 model in this paper will get an optimal result, which can promote application of the Life-365 in terms of durability and anti-corrosion economic analysis for transmission tower foundation more practically, mainly including the predicts of initial construction and anticorrosion cost theory.

Keywords：life-365; transmission tower foundation; durability; anti-corrosion economic analysis; prediction calculations

0引言

當前，輸電鐵塔混凝土基礎耐久性壽命設計、預測是電網的熱點和難點問題[1]。著名專家梅塔(P.K.Mehta)教授在總結世界50年混凝土耐久性狀況時表示，鋼筋腐蝕是影響混凝土耐久性的首要因素[2]。2001年，梅塔教授又以“21世紀建筑結構的耐久性”為名，發表了“氯鹽的作用是引起鋼筋腐蝕的主要因素”的觀點[3]。可以說，氯鹽環境下混凝土耐久性失效破壞大量存在且非常嚴重，成為工程、經濟等領域學者和政府、企業共同關注的問題，與可持續發展緊密相關[4~6]。哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程(以下簡稱哈鄭線)是國網公司實現“疆電外送”的重要工程[6]，也是我國促進西部大開發的戰略工程。由于線路經過的新疆、甘肅和寧夏地段存在腐蝕環境，故在甘3和甘4標段采用低堿水泥等材料配制C40抗腐蝕混凝土，加入粉煤灰、磨細礦渣等礦物摻合料，提高混凝土的抗腐蝕性；部分含氯離子強腐蝕地區的基礎混凝土添加鋼筋阻銹劑，用來提高混凝土中鋼筋的抗腐蝕性能；并對基礎表面采用高氯化聚乙烯樹脂(HCPE，High Chlorinated Polyethylene Resin)薄膜做防腐處理，要求施工用砂全部經過水洗、復檢，嚴格控制澆筑、養護用水。其中，甘3標段鐵塔全部位于強腐蝕地段，部分路段處于氯鹽環境。

本文即以甘3標段氯鹽環境下某掏挖式基礎主柱為算例，利用Life-365計算其耐久性壽命及初始建設和防腐成本；并通過對比分析，結合工程對鐵塔基礎耐久性壽命及初始建設和防腐成本提出要求與展望，為氯鹽環境下高標號基礎混凝土設計、施工的質量和防腐經濟性評價(指初始建設和防腐成本的理論預測)提供參考。

1Life-365耐久性壽命及成本預測

1.1　Life-365概述

2001年多倫多大學M.D.A.Thomas和E.C.Bentz完成的鋼筋混凝土使用壽命和壽命周期成本預測計算程序Life-365 v1.0版發布[8]，但該版本未將影響使用壽命的各參數(如擴散系數、齡期指數、保護層厚度、最大表面氯離子濃度和氯離子臨界濃度)視作變量，因此預測的使用壽命保證率僅有50%，即真實的結構使用壽命有50%的概率小于或等于預測值。2003年E.C.Bentz發表“氯鹽環境結構使用壽命概率模型”提出了簡化的蒙特卡羅分析方法，并提出各參數的離差系數[9]；M.A.Ehlen采用該概率分析方法寫成Life-365 v2.0版于2008年發布，2014年1月發布v2.2.1版。該版本在基本假設變化時，可以計算使用壽命和生命周期成本的敏感性，并建立了一些防腐蝕保護措施供選擇，包括低水膠比，使用輔助膠凝材料、環氧涂層鋼筋、不銹鋼筋、阻銹劑、防腐薄膜和涂層等，以設計具有更好抗腐蝕性能的基礎混凝土。

1.2　Life-365耐久性壽命預測

Life-365認為氯離子侵蝕引起的基礎退化全過程可分為3個階段——從服役到鋼筋表面氯離子達到臨界濃度并開始產生銹蝕的誘導期ti，從開始銹蝕到第一次維修的發展期tp，以及從第一次維修到耐久性失效的修復期tr，如圖1所示。由于鐵塔基礎一般僅對保護帽等做簡單的修復，故這里不需要考慮修復期tr。

圖1　基礎結構性能退化過程示意圖

Life-365定義基礎耐久性壽命為腐蝕起始時間ti和鋼筋受腐導致基礎充分損傷需要維修時間tp的總和，即基礎耐久性壽命。

t=ti+tp

(1)

式中：采用Fick第二擴散模型計算腐蝕誘導期時間ti；以飽和未開裂混凝土為例，Life-365默認使用碳素鋼和不銹鋼鋼筋的混凝土腐蝕發展期tp為6年，環氧涂層鋼筋為20年。而誘導期一般可以達到50年甚至100年，因而研究誘導期壽命ti對耐久性壽命預測更具意義。

1.3　Life-365全壽命周期成本

Life-365定義全壽命周期成本等于基礎初始建設費用Ci(含內防腐費用)、基礎表面外防腐費用Cp，以及折現后的生命周期內修復成本CPW之和。從而，基礎全壽命周期成本

C=Ci+Cp+CPW

(2)

其中，可以通過考慮有關經濟參數，比如通貨膨脹率i和實際貼現率r，計算以現值CPW表示的生命周期內修復成本

(3)

式中：Cr為基礎在全壽命周期內距現在t年時的修復成本。又鐵塔基礎一般僅對保護帽等做簡單的修復，故這里忽略修復成本，僅考慮基礎初始建設費用Ci(含內防腐費用)，以及基礎表面外防腐費用Cp。

2Life-365氯離子擴散模型

Life-365預測模型假設氯離子對基礎侵蝕以擴散方式為主，其Fick第二定律微分方程為：

(4)

式中：C為基礎中t時刻距離暴露面x處的氯離子濃度分布(質量分數)；D為氯離子的表觀擴散系數，是時間和溫度的函數。

(1)擴散系數的時變性

D隨著水化反應的進行而逐漸降低，故采用下式描述D-t關系

(5)

式中：D(t)，Dref為基礎在t，tref時刻的表觀氯離子擴散系數；tref為基準養護齡期，一般取28天；m為擴散衰減指數，與摻合料品種和摻合量有關。

Dref=D28=10(-12.06+2.40w/c)

(6)

式中：D28為28天時擴散系數，m2/s；w/c為基礎混凝土水膠比。

粉煤灰和礦粉摻合料對 28 天時的擴散系數無影響，但粉煤灰和礦粉的加入會使水泥的水化反應變緩慢，從而影響了擴散衰減系數m，Life-365規定

m=0.2+0.4(%FA/50+%SG/70)

(7)

式中：%FA為粉煤灰在膠凝材料中占的百分比，%SG為礦渣在膠凝材料中占的百分比。隨著水化反應的不斷進行，擴散系數逐步降低，但水化反應不會一直進行。Life-365假定混凝土澆筑25年后水化反應停止，擴散系數不再衰減，即25年后m=0。

(2)擴散系數的溫變效應

溫度對擴散系數有雙重且顯著的影響，擴散系數隨著溫度的上升而變大，同時結合性能又隨著溫度的升高而降低[10]。Life-365給出了溫度對擴散系數影響的計算公式

(8)

式中：D(T)，Dref為基礎在t時刻T溫度，以及tref時刻Tref(一般取293K)溫度下的表觀氯離子擴散系數；U為擴散過程中的活化能，取35 000 J/mol；R為氣體常數，取8.314 J/(mol·K)；T為絕對溫度。

Life-365即通過式(4)采用有限差分法來計算鋼筋開始發生腐蝕所需的初始時間ti，在每一個時間步中采用式(5)~(8)來計算相應的氯離子擴散系數。

3工程算例

3.1　基礎設計參數

算例選取甘3標段氯鹽環境下某掏挖式基礎主柱的耐久性壽命和初始建設及防腐成本進行計算。由于基礎耐久性壽命定義為氯離子在最外層鋼筋表面擴散積累到一定值，故僅簡要給出主柱截面圖保護層部分及其尺寸，如圖2所示。

圖2　直流±800 kV哈密南—鄭州線某掏挖式基礎

3.2　Life-365計算參數

(1)模擬環境參數

甘3標段起自甘肅省酒泉市瓜州縣橋彎道北，止于花海鎮下東溝東，線路路徑長105.947 km。故環境氣溫按酒泉市選取，據文獻[11]查得其2012年平均氣溫如表1。

表1　甘肅省酒泉市2012年月平均氣溫

(2)基礎混凝土參數選取

該基礎混凝土強度等級為C40，文獻[12]規定，水膠比最大為0.45，膠凝材料用量范圍為320~450 kg/m3，并選擇粉煤灰和磨細礦渣作為摻合料。Life-365中提供了粉煤灰、礦渣和硅粉3類摻合料，其摻量(質量%)可取范圍如表2。

表2　Life-365混凝土摻合料含量百分比范圍

(3)最大表面氯離子濃度及其集聚時間

對鐵塔基礎主柱來說，其表面氯離子達到最大濃度需要一定的時間，主要與其所處環境和基礎防腐保護措施有關[13]，比如采用HCPE薄膜做防腐處理可以增加集聚時間。據文獻[14]取最大表面氯離子濃度為0.4%，并考慮到安全儲備，認為表面氯離子集聚時間tj=0。

(4)基礎主柱鋼筋臨界氯離子濃度

據Glass和Buenfeld的研究與分析[15]，不考慮添加劑的影響時，臨界氯離子濃度一般為膠凝材料質量的0.17%~2.5%，對應混凝土質量的0.03%~0.07%(水泥含量350~400 kg/m3)。實際上鋼筋產生銹蝕的臨界濃度主要與阻銹劑的品種和摻量有關，Life-365內置的阻銹劑摻量和臨界氯離子濃度的對應關系如表3，本工程取值為0.24%。

表3　阻銹劑摻量和臨界氯離子濃度的對應關系

3.3　計算結果

Life-365可以同時進行幾個設計方案的對比計算，本文選取表4中4種設計方案進行分析。

表4　耐久性壽命和初始建設及防腐成本預測結果

注：①耐久性壽命為誘導期壽命與發展期壽命(6年)之和；②材料等費用均保持默認，4組方案總成本僅做相互比較，美元對人民幣匯率按1美元=6.2元人民幣元考慮。

表4顯示，第1組基本滿足鐵塔基礎60年的使用壽命要求，故在第1組的基礎上，對基礎混凝土配置參數進行調整。當第2組水膠比減小8%時，耐久性壽命增加21%，且初始建設和防腐成本降低16%；當第3組將摻合料摻量降低5%，耐久性壽命僅有40.6年，與60年的使用壽命要求相差甚遠，并且由于修復成本上升，導致初始建設和防腐成本增加10%；當第4組將鋼筋阻銹劑添加量增加17%時，耐久性壽命大幅增加至第1組的1.6倍，并且初始建設和防腐成本降低為其67%，為4組中最優方案。理論研究表明，基礎混凝土中摻加阻銹劑是阻止或減緩鋼筋銹蝕最經濟、最簡便而有效的措施。但另一方面，鋼筋阻銹劑僅對以氯鹽為主的腐蝕環境有很好的效果，一般多用于濱海或內陸部分高氯鹽環境下鐵塔基礎防腐，對硫酸鹽、鎂鹽含量較多的環境的防腐存在一定的局限性。并且由于實際工程環境作用更復雜，本文的理論預測需要進一步與實際工程統計資料和實踐經驗對比，建議考慮基礎混凝土的強度設計和施工要求，借助Life-365軟件的使用壽命及全壽命周期成本預測模型，以耐久性壽命和全壽命周期成本為優化目標，編程計算水膠比大小，粉煤灰、礦渣和亞硝酸鈣摻和量的最優結果。從而促進Life-365更好地應用于輸電鐵塔基礎的耐久性壽命及防腐經濟性評價。

4結論

Life-365是針對氯鹽環境下鋼筋混凝土使用壽命和壽命周期成本預測的計算程序，可用于氯鹽環境下特高壓鐵塔基礎耐久性壽命及防腐經濟性評價，為氯鹽環境下高標號輸電鐵塔基礎混凝土設計、施工的質量和成本控制提供參考。研究表明，基礎混凝土中摻加阻銹劑是阻止或減緩鋼筋銹蝕最經濟、最簡便而有效的措施。但是由于影響鐵塔基礎耐久性壽命的因素較多，不僅僅是基礎設計和環境參數選取的問題，也包含施工質量控制及后期養護水平等諸多因素。在實際工程中，建議結合計算軟件、規范和工程經驗，考慮基礎混凝土的強度設計和施工要求，借助Life-365的使用壽命及全壽命周期成本預測模型，以耐久性壽命和全壽命周期成本為優化目標，編程計算水膠比大小，粉煤灰、礦渣和亞硝酸鈣摻和量的最優結果；促進Life-365更切合實際地應用于輸電鐵塔基礎的耐久性壽命及防腐經濟性評價。

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Prediction of Durability and Economic Analysis of Corrosion on TransmissionTower Foundation

Yang Bo， An Liqiang， Cao Meng

(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003,China)