新疆鹽漬土區(qū)域混凝土電桿地上部位侵蝕破壞機理探討

廖孟柯，梁鋼，付林，曾寧，周陽

1 引言

在輸電線路中，常常采用環(huán)形混凝土電桿（以下簡稱：混凝土電桿）作為輸電線路中的重要支撐部件，混凝土電桿制造簡單、施工方便、造價及維修成本低廉，在低壓輸電線路中被大量使用。而混凝土電桿在氣候環(huán)境、鹽類及電化學(xué)侵蝕等的作用下，運行數(shù)十年后，將會出現(xiàn)不同程度的裂紋等劣化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其使用壽命。因此，混凝土電桿桿體的完好程度（耐久性能），將直接關(guān)系到輸（配）電線路的供電可靠性、工作人員的人身安全以及電網(wǎng)運行的維護成本。

新疆地處我國西北干旱地區(qū)，北疆平原地區(qū)年平均溫度低于10℃，南疆年平均氣溫在10℃～13℃且常年伴有沙暴、浮塵天氣[1]。據(jù)統(tǒng)計[2]，全疆鹽漬土面積約為15.83×104km2，鹽漬土幾乎覆蓋了全疆所有地區(qū)（市、縣）。鹽漬土中含有較多的硫酸鹽、鎂鹽和氯鹽，當(dāng)輸電線路中的混凝土電桿在此環(huán)境下服役時，將會受到鹽漬土壤中侵蝕離子的侵蝕，造成電桿性能劣化，易發(fā)生混凝土電桿倒塌事故，致使輸電線路斷電，造成經(jīng)濟損失或人身安全事故。近年來，公司巡檢人員在進行輸電線路桿體巡查時發(fā)現(xiàn)，多條線路的混凝土電桿（使用年限5～8年）的地面以上部位出現(xiàn)了大量裂縫，嚴(yán)重影響了電桿的使用安全。圖1 是輸電線路中混凝土電桿地上部位開裂情況。為此，本文針對新疆南疆和田地區(qū)35kV（英亞）輸電線路混凝土電桿地上部位破壞特征進行了調(diào)查，并采用X射線衍射法（XRD）和酚酞試劑測試法對侵蝕破壞試樣進行了分析，對混凝土電桿的破壞機理進行了探討，為新疆鹽漬土區(qū)域輸電線路（電網(wǎng)）混凝土電桿的設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 輸電線路中混凝土電桿地上部位開裂情況

2 混凝土電桿基礎(chǔ)資料及鹽漬土的化學(xué)分析

由和田供電公司提供的數(shù)據(jù)可知，混凝土電桿（35kV）的基體混凝土設(shè)計強度等級為C30，混凝土水泥用量為320kg/m3，混凝土水灰比為0.55。混凝土所用原材料來源如下：

（1）水泥：和田地區(qū)某水泥廠32.5 級普通硅酸鹽水泥，水泥比表面積為300m2/kg。

（2）細(xì)集料：和田地區(qū)墨玉河河沙，河沙的細(xì)度模數(shù)為2.65。

（3）粗集料：和田地區(qū)墨玉河河卵石，其粒徑為5～20mm。

（4）養(yǎng)護條件：混凝土澆筑完成后，進入80℃的蒸汽養(yǎng)護池養(yǎng)護6h 后拆模，采用常溫水（20±2）℃淋灑養(yǎng)護3d左右出廠。

試驗用鹽漬土采自英亞輸電線路混凝土電桿服役區(qū)域附近的土壤，其化學(xué)分析如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，該區(qū)域鹽漬土土壤中含有較高的硫酸根離子及氯離子，根據(jù)JTG C20-2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中鹽漬土的分類可知，該區(qū)域鹽漬土為氯鹽漬土。

表1 混凝土電桿服役區(qū)域附近鹽漬土試樣的化學(xué)分析，g/kg

3 混凝土電桿受侵蝕情況及測試結(jié)果

3.1 混凝土電桿侵蝕破壞特征

在對和田地區(qū)35kV 輸電線路進行巡檢時發(fā)現(xiàn)，該線路有多根環(huán)形混凝土電桿（使用年限為6～7 年）在距離地面2～3m 的地上部位出現(xiàn)縱向裂縫（沿鋼筋方向）和翹起現(xiàn)象。為探究引起混凝土桿體開裂、翹起的原因，筆者對桿體開裂部位的混凝土進行了取樣檢測并對鋼筋使用情況進行了檢查。圖2為受侵蝕混凝土電桿取樣情況。從圖2可以觀察到，混凝土電桿輕微開裂或無裂紋的部位，其鋼筋表面完好無銹蝕（見圖2a）；但在桿體混凝土翹起或開裂明顯的部位，其鋼筋表面出現(xiàn)紅色的鐵銹（見圖2b），表明該部位混凝土中的鋼筋因環(huán)境作用發(fā)生了銹蝕。

圖2 受侵蝕的混凝土電桿及取樣情況

3.2 XRD測試結(jié)果

為進一步探究造成混凝土電桿開裂及鋼筋銹蝕的原因，采用X射線衍射（簡稱XRD）測試技術(shù)對混凝土電桿試樣中水化產(chǎn)物的礦物組成進行分析。圖3為混凝土電桿試樣的XRD測試分析結(jié)果。

圖3 混凝土電桿試樣的XRD測試分析結(jié)果

從圖3中的衍射峰可以看出：

（1）試樣在9.2°的位置出現(xiàn)了明顯屬于鈣礬石的特征衍射峰，說明混凝土試樣中有大量的鈣礬石存在。

（2）試樣在23°和29.4°的位置有明顯屬于碳酸鈣的特征衍射峰，說明混凝土試樣中有大量的碳酸鈣存在。

（3）試樣在18°的位置，屬于氫氧化鈣的特征衍射峰非常弱，說明混凝土試樣中幾乎沒有氫氧化鈣存在。這可能是由于混凝土中的氫氧化鈣轉(zhuǎn)化成了鈣礬石，或是受到空氣中二氧化碳的碳化作用轉(zhuǎn)變成了碳酸鈣，從而消耗了混凝土中的氫氧化鈣，使得混凝土中原本存在的大量氫氧化鈣幾乎不存在了，從而破壞了鋼筋表面的保護膜，使鋼筋產(chǎn)生了銹蝕。

（4）圖3 中屬于二氧化硅的特征衍射峰，主要是由于混凝土中的砂石骨料含有二氧化硅引起的。

3.3 酚酞試劑測試結(jié)果

由電桿混凝土試樣的XRD 分析結(jié)果可知，混凝土試樣中存在有碳酸鈣礦物。為進一步探究混凝土試樣中的碳酸鈣是源于空氣中二氧化碳的碳化作用，還是原混凝土制備原料中自帶有碳酸鈣質(zhì)原料，筆者采用酚酞試劑測試法對電桿混凝土試樣表面進行噴涂測試，其測試結(jié)果見圖4。

圖4 混凝土電桿試樣噴涂酚酞試劑后的情況

從圖4可以看出，試樣從圖4a中的虛線位置斷開后，將酚酞試劑噴涂到試樣斷口表面（圖4b），在靠近鋼筋的一側(cè)，試樣斷面呈現(xiàn)很淡的粉色（可以看到混凝土原色）；而靠近試樣外邊緣位置，試樣斷面略顯粉色，幾乎呈現(xiàn)混凝土原色（灰色），說明該混凝土受到了嚴(yán)重的碳化作用，混凝土中堿性的氫氧化鈣完全轉(zhuǎn)變成了中性的碳酸鈣。

4 結(jié)果分析

在正常的水化情況下，混凝土水泥石中存在極少量的鈣礬石，在XRD圖譜中，鈣礬石的特征衍射峰顯現(xiàn)得非常微弱，幾乎沒有明顯的特征衍射峰[5-6]。而對混凝土電桿地上部位混凝土試樣進行XRD 分析，可以觀察到試樣中有很強的鈣礬石特征衍射峰存在，表明混凝土中有大量的鈣礬石存在，說明混凝土電桿地上部位的混凝土受到了硫酸鹽侵蝕。據(jù)和田供電公司提供的資料，生產(chǎn)混凝土電桿的原料中并不含有硫酸鹽及硫酸鹽質(zhì)骨料，硫酸鹽來自混凝土外部。由于新疆和田地區(qū)常年伴隨有沙暴、浮塵天氣，且混凝土電桿服役區(qū)的鹽漬土土壤中含有較高的硫酸根離子（1.348g/kg、1.385g/kg）。當(dāng)出現(xiàn)浮塵天氣時，土壤中的硫酸鹽隨沙塵沉積在混凝土電桿上，后期硫酸根離子隨著降雨進入混凝土內(nèi)部，與混凝土中的水化鋁酸鈣和氫氧化鈣反應(yīng)生成鈣礬石，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生膨脹開裂，從而對混凝土電桿造成硫酸鹽侵蝕破壞。

此外，正常的混凝土中含有大量的氫氧化鈣，其XRD分析圖譜中具有極強的氫氧化鈣特征衍射峰[6-7]。而在本文混凝土試樣的XRD 分析圖譜中，氫氧化鈣的特征衍射峰非常微弱，幾乎觀察不到，表明混凝土試樣中僅含有較少的氫氧化鈣；同時在混凝土試樣的XRD 分析圖譜中，還發(fā)現(xiàn)有大量的碳酸鈣存在，說明混凝土中的氫氧化鈣被空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)變成了碳酸鈣。從酚酞試劑測試結(jié)果可知，混凝土試樣受到了嚴(yán)重的碳化作用，其碳化深度從外邊緣一直延伸到鋼筋表面（鋼筋的混凝土保護層完全碳化）。由于混凝土的碳化作用，致使混凝土的pH值從堿性變成弱堿、中性，破壞了混凝土中鋼筋表面的保護膜，鋼筋銹蝕產(chǎn)生膨脹，造成混凝土翹起或出現(xiàn)沿鋼筋方向延伸的裂縫。

5 防治措施

如上所述，新疆鹽漬土區(qū)域（和田地區(qū)）混凝土電桿地上部位受到了空氣中二氧化碳的碳化、硫酸鹽侵蝕及鋼筋銹蝕的多重作用，造成了混凝土電桿的侵蝕破壞。混凝土電桿的服役環(huán)境難以人為改變，在混凝土電桿外表面涂覆有機防護層，可有效阻斷混凝土與空氣中的二氧化碳、硫酸鹽及降水的接觸，從而保護混凝土免受空氣中二氧化碳的碳化及硫酸鹽的侵蝕。但南疆地區(qū)紫外線較強且常年有風(fēng)沙，有機防護層受紫外光照射易老化且風(fēng)沙對其也有磨蝕作用，從而容易破壞有機保護層，無法起到徹底防護作用。為徹底防治混凝土電桿受腐蝕破壞，只能通過改善混凝土自身的抗腐蝕能力實現(xiàn)。而混凝土本身具有一定的抗腐蝕能力，已有研究表明，混凝土電桿可利用礦物摻合料（粉煤灰、硅粉等）、采用低水膠比（<0.4）配置基底混凝土，以減少混凝土電桿內(nèi)部孔隙，增加密實度，減小滲透性，提高混凝土的強度[8]。在混凝土電桿蒸汽養(yǎng)護過程中，采用慢速降溫手段，減小混凝土電桿與外界的溫差，也可預(yù)防混凝土電桿開裂，提高混凝土的耐久性。

6 結(jié)語

通過對新疆鹽漬土區(qū)域（和田地區(qū)）混凝土電桿服役地質(zhì)環(huán)境和氣候條件的調(diào)研，以及對受侵蝕混凝土試樣進行XRD 和酚酞試劑測試分析，得出以下結(jié)論：

（1）混凝土電桿地上部位混凝土的腐蝕破壞主要是由硫酸鹽侵蝕、碳化作用和鋼筋銹蝕造成。

（2）浮塵氣候與鹽漬土的耦合作用，造成了混凝土電桿地上部位混凝土的硫酸鹽侵蝕。

（3）鋼筋混凝土保護層的完全碳化，導(dǎo)致混凝土電桿鋼筋銹蝕，產(chǎn)生膨脹，造成混凝土電桿桿體混凝土翹起、開裂。