西北地區光伏支架混凝土基礎耐久性調查研究

張 勇，孫宇飛，胡 瑋

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710043)

西北地區光伏支架混凝土基礎耐久性調查研究

張 勇，孫宇飛，胡 瑋

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710043)

西北地區有大量的鹽漬土，這些地區的混凝土工程都不同程度的經受著硫酸鹽侵蝕和氯離子侵蝕的考驗，為了解光伏電站混凝土基礎遭受硫酸鹽和氯離子的侵蝕情況，對西北地區的4個光伏電站支架基礎進行了調查研究，并給出了提高該地區混凝土耐久性的建議。

光伏電站；混凝土基礎；硫酸鹽侵蝕；氯離子；耐久性

0 引 言

目前，光伏電站已采用的基礎類型有鋼筋混凝土獨立基礎、鋼筋混凝土條形基礎、樁基礎。基礎材料多以混凝土為主。然而，在我國西北部地區有大量鹽漬土[1]，這些地區的混凝土工程的耐久性都經受著硫酸鹽侵蝕和氯離子侵蝕的嚴峻考驗。近年來，在公路、鐵路、礦山建設、地下人防工程、橋梁基礎、隧道襯砌、水電工程以及機場等混凝土工程中均發現了嚴重的硫酸鹽和氯離子侵蝕現象[2]。硫酸鹽侵蝕會導致混凝土膨脹變形及強度、剛度等力學性能降低，顯著降低結構承載能力，使結構安全性下降。氯離子侵蝕會導致鋼筋銹蝕，從而對混凝土產生擠脹破壞。由于材料性能的劣化，結構在服役期間會大量增加維修成本，甚至提前報廢，造成人力財力極大浪費。為此，本文對西北地區的光伏電站支架基礎進行了硫酸鹽和氯離子侵蝕程度的耐久性調查研究。

1 硫酸鹽侵蝕機理

混凝土硫酸鹽侵蝕破壞是一個復雜的物理化學進程，機理十分復雜，其實質是環境中的硫酸根離子進入混凝土內部，與水泥石的某些固相組分發生化學反應而生成一些難溶的鹽類礦物，這些難溶的鹽類礦物一方面由于吸收了大量水分子而產生體積膨脹，形成膨脹內應力，當膨脹內應力超過混凝土的抗拉強度時就會導致混凝土的破壞，另一方面也可使硬化水泥石中CH和C—S—H等組分溶出或分解，導致混凝土強度和粘結性能損失。混凝土受硫酸鹽侵蝕的特征是表面發白，損害通常在棱角處開始，接著裂縫開展并剝落，使混凝土成為一種易碎的，甚至松散的狀態[3]。

2 氯離子侵蝕機理

Cl-進入混凝土中并到達鋼筋表面，當它吸附于局部鈍化膜處時，可使該處pH值迅速降低。Cl-對鋼筋表面鈍化膜的破壞首先發生在局部(點)，使這些部位(點)露出了鐵基體，與尚完好的鈍化膜區域之間構成腐蝕電池，腐蝕電池作用的結果是鋼筋銹蝕。Cl-不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速電池作用的過程。混凝土中Cl-的存在，強化了離子通路，降低了陰、陽極之間的電阻，提高了腐蝕電池的效率，加速了電化學腐蝕過程。以上電化學腐蝕過程中，Cl-通過破壞鈍化膜、形成“腐蝕電池”、去極化作用和導電作用加速了鋼筋的銹蝕，而Cl-在腐蝕過程中只參與了過程，起到“搬運”作用，重要的是在整個過程中并沒有被“消耗”掉，即凡是進入混凝土中游離狀態的Cl-，會周而復始地起破壞作用，這也是氯鹽侵蝕的主要特點之一[4]。

3 各光伏電站調研情況

3.1 中電投武威50 MWp并網光伏電站

3.1.1 地基土腐蝕性

表1 地基土對混凝土及鋼筋腐蝕性評價(武威)

3.1.2 支架基礎腐蝕情況

本工程支架基礎類型為混凝土獨立基礎，混凝土強度等級為C25。基礎埋深0.6～1.0 m，于2012年8月開始澆筑，2013年3月完成。截止到本次調研，混凝土基礎齡期約為2年。

調查中發現，絕大部分混凝土樁地面以上和地面以下均沒有發現明顯的腐蝕現象，外觀完好，約有5%的混凝土樁地面以上部分發現有白色析出物。對混凝土樁上的白色析出物取樣后進行XRD衍射分析，衍射圖譜中除了有水泥水化產物的衍射峰外，還發現了無水芒硝(Na2SO4)。由此可推斷混凝土樁上的白色析出物主要為Na2SO4晶體。由此來看，目前的硫酸鹽侵蝕所表現出的形式主要是硫酸鹽結晶型的物理侵蝕。對于一部分埋入鹽漬土中一部分暴露于多風干燥空氣中的混凝土樁來說，鹽漬土中的鹽液在混凝土毛細管抽吸作用下上升至液相線以上蒸發，然后，致使鹽液濃縮、結晶、析出，對混凝土造成結晶膨脹破壞。但從本工程中有白色析出物的部位來看，還沒有對混凝土造成明顯的破壞。

3.2 中電投哈密20 MWp并網光伏電站

本工程場址位于新疆哈密市東北約22 km處，天山鄉石城子區域內。場址區為荒漠戈壁灘，地形平緩、開闊。

孟子說：“吾善養吾浩然之氣”，孔子說：“見賢思齊”，也是這個意思。如果讀書而不敦品，則只能成為一個知識庫，一個“書囊”，充其量只是有知識而已。讀書如果不珍惜自己的品德，那就錯了。我認為人才是靠自我造就的，當然老師和學校都很重要，但自己如不能奮發努力，也就很難有成就，所以人才歸根結蒂是要看自己能不能敦品自勵、刻苦鍛煉。而且這是長期的、一輩子的事，不是幾個月幾年的事。

3.2.1 地基土腐蝕性

地基土對混凝土具微腐蝕性，對鋼筋具有弱腐蝕性，腐蝕類型主要為硫酸鹽侵蝕和氯離子侵蝕。地基土的腐蝕性評價見表2。

表2 地基土對混凝土及鋼筋腐蝕性評價(哈密)

3.2.2 支架基礎腐蝕情況

本工程支架基礎類型為混凝土條形樁基礎，混凝土強度等級為C25，于2011年初澆注完成。截止到本次調研，混凝土基礎齡期約為4年。

場址區地面上可見白色鹽霜，有些混凝土表面也出現鹽霜，且混凝土表面的鹽霜多出現在混凝土與地面的接觸部位。將出現鹽霜的混凝土基礎挖開檢查，并沒有發現硫酸鹽侵蝕的破壞現象。刮取鹽霜，并進行XRD衍射分析。由檢測結果可知，鹽霜的主要成份是NaCl和少量的Na2SO4。

中電投哈密光伏電站的混凝土基礎目前還沒有發現鈣礬石結晶和石膏結晶類型的硫酸鹽侵蝕破壞，和中電投武威光伏電站情況類似，發現了鹽液在毛細管抽吸作用下上升至液相線以上蒸發，然后致使鹽液濃縮結晶的現象。不同的是，由于哈密電站的地基土中Cl-含量較高，對鋼筋的腐蝕評價為弱腐蝕，因此，結晶鹽中含有大量的NaCl。但從整體看，還沒有引起混凝土的破壞。

3.3 中電投吐魯番20 MWp并網光伏電站

本工程場址區位于吐魯番盆地東北部，博格達山山前的沖積平原，周圍為戈壁荒漠。

3.3.1 地基土腐蝕性

表3 地基土對混凝土及鋼筋腐蝕性評價(吐魯番)

3.3.2 支架基礎腐蝕情況

本工程支架基礎類型為混凝土方形樁基礎，混凝土強度等級為C25。基礎埋深1.0 m，于2011年初澆注完成。截止到本次調研，混凝土基礎齡期約為4年。

本工程中地基土對混凝土的腐蝕比較明顯，大部分混凝土樁與地面的接觸部位發現鹽霜，并伴有一條較寬的深色腐蝕條帶，有些腐蝕條帶處已出現起皮、開裂、骨料外露等現象。將有明顯腐蝕現象的混凝土底部挖開檢查，由于埋入地下的混凝土樁有塑料布保護，未發現硫酸鹽侵蝕破壞現象。因此可以判斷，吐魯番光伏電站基礎目前的硫酸鹽侵蝕類型仍是硫酸鹽結晶型的物理侵蝕。

3.4 中電投格爾木200 MWp并網光伏電站

場址區位于青海省格爾木市東約30 km的荒漠沙地，南側距東西向展布的昆侖山脈布爾漢布達山北坡坡角約12 km。場址位于柴達木盆地西南側邊緣地帶，工程區域南側為基巖形成的低山區，即昆侖山脈布爾漢布達山，場地區處于山前沖洪積平原，地貌類型為荒漠沙地。

3.4.1 地基土腐蝕性

地基土對混凝土及鋼結構腐蝕性評價見表4。從地基土的腐蝕性評價來看，本工程場址區地基土對混凝土結構具中等腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具強腐蝕性。因此，相對于硫酸鹽侵蝕來說，本工程中Cl-侵蝕更為重要。

表4 地基土對混凝土及鋼筋腐蝕性評價(格爾木)

3.4.2 支架基礎腐蝕情況

本工程支架基礎類型為混凝土灌注樁基礎，混凝土強度等級為C25。基礎埋深1.2 m，于2011年7月初澆注完成。截止到本次調研，混凝土基礎齡期約為4年。

本次調研發現，約20%的混凝土樁在與地面的接觸部位出現白色鹽霜。將白色鹽霜刮下后進行XRD衍射分析，可知析出的鹽霜主要成份為NaCl和Na2SO4。從刮取鹽霜后露出的混凝土面來看，部分混凝土樁表層已出現輕微破壞，主要破壞形式為表皮脫落。對產生腐蝕的混凝土樁進行挖開式檢查，發現地面以下并沒有被腐蝕的痕跡。對產生腐蝕破壞的混凝土取樣進行XRD衍射分析，結果沒有發現鈣礬石和石膏晶體，因此可以判斷目前還沒有發生鈣礬石結晶型的化學侵蝕。由于析出鹽霜和發生侵蝕的部位主要在與地面的接觸部位，因此可以判斷，目前的侵蝕主要還是硫酸鹽結晶型侵蝕。即鹽漬土中的鹽液在毛細管抽吸作用下上升至液相線以上蒸發，然后致使鹽液濃縮、結晶、析出，對混凝土產生膨脹破壞。

對于Cl-的侵蝕，一般在短期內無法觀測到。因為在誘導期內，Cl-只是通過滲透的方式向鋼筋表面聚集，不會對混凝土產生明顯的破壞。只有當鋼筋表面聚集的Cl-濃度達到臨界值時，才會使鋼筋逐漸銹蝕，然后由于鐵銹的擠脹壓力使混凝土產生破壞。因此，Cl-侵蝕所產生的最初破壞形式一般是沿著鋼筋走向產生裂縫。誘導期的長短與Cl-濃度、保護層厚度、水泥品種、摻合料情況、水膠比、混凝土抗滲等級、環境溫度、濕度、施工質量等諸多因素有關，一般會持續數年或數十年不等。

表5 本次調研光伏電站受腐蝕情況匯總

4 結 論

5 建 議

一般來說，土中的化學腐蝕物質對混凝土的腐蝕作用需要通過溶于土中的孔隙水來實現。當氣候干燥，降雨量稀少時，靠近混凝土表面的化學腐蝕物質與混凝土發生反應或被毛細管抽吸帶走以后，得不到充分補充，所以腐蝕作用有限，一般會比相同腐蝕離子濃度的環境水對混凝土的腐蝕弱一些。因此，在鹽漬土環境中對混凝土進行耐侵蝕設計時，參照《水工混凝土耐久性技術規范》中對環境水侵蝕下混凝土的技術要求進行設計是安全可靠的。因此，建議在鹽漬土環境中的混凝土摻入適當比例的磨細礦渣、粉煤灰或硅粉，既能提高混凝土的耐侵蝕性能，又能降低混凝土造價。

[1]金祖權, 孫偉, 張云升, 等. 氯鹽對混凝土硫酸鹽損傷的影響研究[J] . 武漢理工大學學報, 2006, 28(3)： 43- 46．

[2]韓宇棟, 張君, 高原. 混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究評述[J] . 混凝土, 2011(1)： 52- 56．

[3]金雁南, 周雙喜. 混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及作用機理[J] . 華東交通大學學報, 2006, 23(5)： 4- 8．

[4]劉文軍, 王軍強. 氯離子對鋼筋混凝土結構的侵蝕分析[J] . 混凝土, 2007(4)： 20- 22．

(責任編輯 王 琪)

Investigation and Study on the Durability of Concrete Foundation of Photovoltaic Support in Northwest China

ZHANG Yong, SUN Yufei, HU Wei
(PowerChina Xibei Engineering Corporation Limited, Xi’an 710043, Shaanxi, China)

There is a lot of saline soil in northwest China, so the concrete projects in these areas are subjected to different degrees of sulfate attack and chloride ion erosion. To understand the erosion situation from sulfate and chloride ions of concrete foundation of photovoltaic power station, the investigation on concrete support foundation of four photovoltaic power stations in northwest China is carries on, and the proposals on improving the durability of concrete in these areas are also presented．

photovoltaic power station; concrete foundation; sulfate erosion; chloride ion erosion; durability

2016- 12- 15

張勇(1978—)，男，河北泊頭人，高級工程師，碩士，主要從事水工混凝土的設計與試驗研究工作．

TU753

A

0559- 9342(2017)08- 0108- 04