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(jiǎn)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(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)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(yùn)行數(shù)十年后，將會(huì)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(yùn)行的維護(hù)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(jì)[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(shí)，將會(huì)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(jì)損失或人身安全事故。近年來，公司巡檢人員在進(jìn)行輸電線路桿體巡查時(shí)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(duì)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(jìn)行了調(diào)查，并采用X射線衍射法（XRD）和酚酞試劑測(cè)試法對(duì)侵蝕破壞試樣進(jìn)行了分析，對(duì)混凝土電桿的破壞機(jī)理進(jìn)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(jì)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(jì)強(qiáng)度等級(jí)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(jí)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(hù)條件：混凝土澆筑完成后，進(jìn)入80℃的蒸汽養(yǎng)護(hù)池養(yǎng)護(hù)6h 后拆模，采用常溫水（20±2）℃淋灑養(yǎng)護(hù)3d左右出廠。

試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果

3.1 混凝土電桿侵蝕破壞特征

在對(duì)和田地區(qū)35kV 輸電線路進(jìn)行巡檢時(shí)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(duì)桿體開裂部位的混凝土進(jìn)行了取樣檢測(cè)并對(duì)鋼筋使用情況進(jìn)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(cè)試結(jié)果

為進(jìn)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(jiǎn)稱XRD）測(cè)試技術(shù)對(duì)混凝土電桿試樣中水化產(chǎn)物的礦物組成進(jìn)行分析。圖3為混凝土電桿試樣的XRD測(cè)試分析結(jié)果。

圖3 混凝土電桿試樣的XRD測(cè)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(hù)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(cè)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(jìn)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(cè)試法對(duì)電桿混凝土試樣表面進(jìn)行噴涂測(cè)試，其測(cè)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(duì)混凝土電桿地上部位混凝土試樣進(jìn)行XRD 分析，可以觀察到試樣中有很強(qiáng)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(shí)，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(jìn)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(duì)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(qiáng)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(shí)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(cè)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(hù)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(hù)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?；炷岭姉U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(jī)防護(hù)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(hù)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(qiáng)且常年有風(fēng)沙，有機(jī)防護(hù)層受紫外光照射易老化且風(fēng)沙對(duì)其也有磨蝕作用，從而容易破壞有機(jī)保護(hù)層，無法起到徹底防護(hù)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(shí)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(shí)度，減小滲透性，提高混凝土的強(qiáng)度[8]。在混凝土電桿蒸汽養(yǎng)護(hù)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(duì)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(duì)受侵蝕混凝土試樣進(jìn)行XRD 和酚酞試劑測(cè)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(hù)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。