電桿超高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)及強(qiáng)度試驗(yàn)研究

徐巍峰，王燦燦，曹文典，吳建靈，曹枚根，趙心怡

（1.麗水正好電力實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 麗水 323000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；3.南昌航空大學(xué)，南昌 330063；4.麗水正陽電力建設(shè)有限公司，浙江 麗水 323000；5.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

0 引言

混凝土電桿由于運(yùn)行維護(hù)方便、節(jié)約鋼材等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用在輸變電工程、鐵路電氣化工程及通信領(lǐng)域，尤其在我國平原和運(yùn)輸條件好的地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用[1]。2017年上半年全國規(guī)模以上電桿企業(yè)電桿總產(chǎn)量為823萬根，比2016年同期增長17.2%，混凝土電桿具有非常廣闊的市場(chǎng)空間[2]。然而，雖然普通混凝土電桿具有上述優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)也存在重量大，容易開裂，耐久性較差等缺點(diǎn)，在電網(wǎng)運(yùn)行中存在安全隱患。普通混凝土電桿為充分利用桿高而采用淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[3]，大轉(zhuǎn)角或大荷載情況下，需要安裝拉線，占用一定的土地資源。隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，土地資源越來越稀缺，使得傳統(tǒng)電桿的不足日漸凸顯。

普通混凝土電桿因承載力較低，在惡劣天氣條件下（如冰雪災(zāi)害、大風(fēng)天氣），易出現(xiàn)電桿損壞現(xiàn)象。在2008年冰災(zāi)中，我國南方多數(shù)地區(qū)混凝土電桿受到不同程度的損壞，一定程度影響了配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)道，其中倒桿基數(shù)957基，受損189基，總數(shù)達(dá)到1 146基，破壞情況比較嚴(yán)重[4]。隨著輸電線路導(dǎo)線截面的增大，桿塔承受的荷載變大，對(duì)電桿的強(qiáng)度要求更高。

超高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效減輕結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)在節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)方面也具有重要的意義，是混凝土技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。國內(nèi)外學(xué)者在超高強(qiáng)混凝土方面已經(jīng)做了大量的有益探索，取得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)[5-6]，主要有：（1）水泥采用高強(qiáng)度等級(jí)，比如42.5，52.5甚至62.5的硅酸鹽水泥；（2）添加活性的超細(xì)摻合料，例如硅灰、超細(xì)粉煤灰等；（3）采用高效減水劑，減水率在25%以上；（4）水膠比一般在0.26以下。

我國從20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始研究超高強(qiáng)混凝土，目前在實(shí)際工程得到一定的應(yīng)用，比如C100超高強(qiáng)混凝土在國家大劇院工程上的應(yīng)用，2014年東塔實(shí)現(xiàn)C120超高強(qiáng)混凝土超高層的泵送[7]等，但在混凝土電桿中應(yīng)用鮮有報(bào)道。

超高強(qiáng)度混凝土電桿具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的耐久性，有效地彌補(bǔ)了普通電桿的許多缺陷，可應(yīng)用于大荷載線路工程、耐腐蝕地區(qū)和運(yùn)輸條件不便利的山區(qū)，因其不需要安裝拉線的優(yōu)點(diǎn)，在城市線網(wǎng)工程中也可以得到很好的應(yīng)用[8-9]。

超高強(qiáng)電桿混凝土配置宜采用P·O52.5或更高等級(jí)普通硅酸鹽水泥，骨料宜采用石英砂，摻合料采用優(yōu)質(zhì)的活性礦物摻量硅灰，減水劑采用高效減水劑，減水率大于25%，配置超高強(qiáng)混凝土需添加鋼纖維；配合比設(shè)計(jì)時(shí)水膠比宜小于0.2，以保證混凝土的強(qiáng)度要求。根據(jù)原材料的選用原則挑選材料，設(shè)計(jì)了8組配合比方案配置混凝土試樣，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究混凝土的破壞形態(tài)，分析原材料對(duì)強(qiáng)度的影響情況，對(duì)于超高強(qiáng)混凝土的配合比研究具有一定的參考。

1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

（1）水泥

在制備超高強(qiáng)混凝土?xí)r，水膠比的范圍通常在0.18～0.27，甚至更小。文獻(xiàn)[10]指出水泥膠砂28天抗壓強(qiáng)度不宜小于52 MPa，方能保證混凝土的強(qiáng)度，對(duì)C100及更高等級(jí)的混凝土采用P·O52.5或以上等級(jí)更好。

（2）礦物摻合料

超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度影響因素最主要是水泥的用量，在一定范圍內(nèi)，隨著水泥占比的增加，強(qiáng)度增大。但C80及以上強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，礦物料的添加是必不可少的。優(yōu)質(zhì)的活性礦物料有硅灰、超細(xì)粉煤灰、超細(xì)礦渣。

（3）骨料

有學(xué)者[11-12]認(rèn)為砂對(duì)超高強(qiáng)混凝土的影響主要體現(xiàn)在和易性方面，建議使用細(xì)度模數(shù)2.6～2.9的中砂。當(dāng)水膠比較低時(shí)，砂率對(duì)混凝土的流動(dòng)性有很大的影響，文獻(xiàn)[13]指出當(dāng)采用中砂時(shí)，最優(yōu)砂率是40%。

（4）鋼纖維

鋼纖維按外形可以分為平直形鋼纖維、壓棱形鋼纖維、波形鋼纖維、彎鉤形鋼纖維等，不同的制取方式產(chǎn)出的鋼纖維性能也不一樣，混凝土中摻加適量的鋼纖維，可提高其抗拉、抗彎強(qiáng)度，并大幅度地提高其韌性和抗沖擊強(qiáng)度，同時(shí)鋼纖維可以有效約束滑移量和裂縫寬度的開展，避免發(fā)生脆性破壞。文獻(xiàn)[14]指出不同外形鋼纖維中，端鉤型鋼纖維比直線型和波紋型的增強(qiáng)效果更好。

（5）減水劑

減水劑是一種在坍落度不變的情況下減少用水量的外加劑，可以改善混凝土拌合物的流動(dòng)性。按減水能力可以劃分為普通減水劑、高效減水劑、高性能減水劑，其中高性能減水劑以聚羧酸系減水劑為代表。高性能減水劑的減水率可以達(dá)到25%～35%，可以大幅提高拌合物的流動(dòng)性和密實(shí)度，已廣泛應(yīng)用于水利、水電、水工、海工、橋梁等工程中。

試驗(yàn)選用以下材料。

水泥：P·O52.5普通硅酸鹽水泥，密度約3 000 kg/m3，產(chǎn)地河北曲陽縣。

礦物摻合料：Ⅱ級(jí)粉煤灰，表觀密度2 800 kg/m3；S95礦渣，表觀密度2 900 kg/m3；硅灰，表觀密度約2 300 kg/m3，產(chǎn)地河北行唐縣。

粗骨料：5～10 mm粒徑花崗巖碎石，壓碎值6%左右，孔隙率小于43%，產(chǎn)地為河北保定易縣。

細(xì)骨料：2區(qū)級(jí)配中砂，細(xì)度模數(shù)2.4，表觀密度2 500 kg/m3，產(chǎn)地為保定唐縣；石英砂，表觀密度2 600 kg/m3左右，產(chǎn)地為河北石家莊行唐縣。

減水劑：采用聚羧酸型高性能減水劑，減水率25%以上。

鋼纖維：采用30 mm端鉤型系列。

1.2 配合比設(shè)計(jì)方案

由于超高強(qiáng)混凝土目前沒有系統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)方法，其配合比設(shè)計(jì)較為困難。為了獲得較好的力學(xué)性能，在確定最終配合比前，進(jìn)行配合比試配試驗(yàn)。試驗(yàn)采用通用的技術(shù)途徑[15]：硅酸鹽水泥+活性礦物摻料+高性能減水劑，配合比見表1。配合比方案滿足JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[16]。其中A至C配合比中礦物料只添加硅粉，D和E配合比添加了硅粉和礦渣，F(xiàn)至I配合比中添加了鋼纖維，骨料采用石英砂。通過對(duì)這8組配合比方案，系統(tǒng)的研究了礦物摻和料、骨料、鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

由于目前還沒有關(guān)于超高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此具體的試驗(yàn)過程[17]參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和T/CEC 143-2017《超高性能混凝土電桿》的規(guī)定，采用100 mm的立方體試件，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值不乘以折減系數(shù)。

2.1 試樣制作

（1）按照配合比的要求稱量，將水泥、砂、碎石、摻合料放入攪拌機(jī)中，攪拌均勻。

（2）將不同的配合比所需的用水量和減水劑用量一起倒入攪拌機(jī)中，攪拌3 min。

（3）在鋼纖維的配比方案，采用干拌的方法使鋼纖維攪拌均勻后，再進(jìn)行濕拌3 min。

（4）把攪拌均勻的混凝土裝入100 mm的立方體試模中，先手動(dòng)插搗密實(shí)，再放在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振搗后表面收光。

（5）因試驗(yàn)研究是針對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)用，因此采用常規(guī)工藝進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)備采用某公司生產(chǎn)的DYE-200電液式壓力試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，測(cè)試件養(yǎng)護(hù)齡期為7天、28天抗壓強(qiáng)度值，加載速率為1.2 MPa/s，直至試塊破壞試驗(yàn)機(jī)停止，自動(dòng)讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖1 電液式壓力試驗(yàn)機(jī)

表1 配合比設(shè)計(jì)方案kg·m-3

表2 不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同強(qiáng)度混凝土破壞形態(tài)

混凝土立方體試塊在受壓過程中，會(huì)產(chǎn)生縱向和橫向的變形。當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值后，變形達(dá)到混凝土的極限值；繼續(xù)加大荷載，裂紋就會(huì)擴(kuò)大最終使試件達(dá)到破壞，故砼的受壓破壞是內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的過程。混凝土在破壞形式上呈現(xiàn)一定的脆性，塑性性能表現(xiàn)較小，如圖2所示。

圖2 混凝土試塊破壞形態(tài)

摻加了鋼纖維的試塊與普通混凝土試塊有明顯區(qū)別，橫向變形變小，破壞后的試塊形態(tài)仍比較完整，表面有多條裂縫，但試塊沒有散裂，如圖3所示。

3.2 材料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

3.2.1 粗細(xì)骨料對(duì)強(qiáng)度影響

試驗(yàn)砂膠比為1.17：1，A，B，C三組配合比研究摻入不同的骨料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，A組試塊只添加普通中砂，早期和晚期強(qiáng)度變化很小，幾乎沒有增長；B組試塊添加了普通中砂和和碎石，早期強(qiáng)度比A組稍高些，但是后期強(qiáng)度增長幅度并不明顯；C組試塊添加了石英砂，強(qiáng)度是三組配比中最高的。通過這三組配比的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，骨料采用石英砂對(duì)超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度增長效果較好。

圖3 添加鋼纖維試塊破壞形態(tài)

圖4 不同骨料對(duì)強(qiáng)度的影響

3.2.2 礦渣對(duì)強(qiáng)度影響

試驗(yàn)中有D，E共2組配合比添加礦渣材料。圖4中將A和D，C和E進(jìn)行對(duì)比分析，礦渣對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增長影響很小。

3.2.3 鋼纖維對(duì)強(qiáng)度影響

隨著齡期的延長，混凝土強(qiáng)度持續(xù)增長。在普通混凝土中，這種增長呈對(duì)數(shù)曲線關(guān)系。在超高強(qiáng)混凝土中，強(qiáng)度的增長具有自身的特征：早期強(qiáng)度增長的很快，28天后則呈十分緩慢增長的態(tài)勢(shì)。從圖5可以看出，添加了鋼纖維的試塊強(qiáng)度比普通試塊的強(qiáng)度較高，且均達(dá)到了120 MPa以上，這是由于混凝土基體中摻入了鋼纖維，有效阻止了混凝土裂紋的擴(kuò)展，使抗壓強(qiáng)度得到提高。

3.3 工作性能

圖5 鋼纖維對(duì)強(qiáng)度的影響

A和C組配合比的流動(dòng)性比B，D，E組要好。通過分析發(fā)現(xiàn)，一方面膠凝材料中礦渣摻量為20%的時(shí)候?qū)炷恋牧鲃?dòng)性能影響不是很明顯；另一方面由于粗骨料采用5～10 mm粒徑的花崗巖碎石，屬于小粒徑的粗骨料，其相對(duì)比表面積較大，相應(yīng)的用水量需求也較大，在同等的用水量、膠凝用量條件下，塌落度較小，流動(dòng)性能也較差。

4 結(jié)論

通過以上配合比設(shè)計(jì)和強(qiáng)度試驗(yàn)分析，可得到以下結(jié)論：

（1）采用石英砂等材料，配制出28天強(qiáng)度達(dá)到136.3 MPa的超高強(qiáng)混凝土。

（2）鋼纖維的摻加可以顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)大大提高混凝土的塑性。

（3）對(duì)于C120以上的超高強(qiáng)混凝土的配制，建議采用0.21以下的水膠比。

（4）對(duì)于超高強(qiáng)電桿用混凝土，鋼纖維的摻量對(duì)強(qiáng)度的影響、降低混凝土粘度還需要做進(jìn)一步研究。