高寒恶劣环境条件下变电站建构筑物混凝土的耐久性分析

张广平

(甘肃省电力设计院，兰州市 730050)

0 引言

混凝土结构是目前使用最为广泛的结构形式，人们对混凝土性能的改善、提高也随工程实践的增多和科学技术的发展而不断完善。随着时间的推移，人们认识到已建工程的耐久年限并非永久，相反远低于设计寿命。这些过早“衰老”的工程不仅需要耗用庞大的重建与维修费用，还会造成间接的经济损失和安全隐患，这种现象称为“混凝土耐久性危机”，发达国家已经为此付出了巨大代价［1-2］。如何根据检测或监测结果对在役混凝土结构进行耐久性评价，合理预测其剩余使用寿命并给出具体可行的防治措施是土木工程领域近年的热点问题。

甘肃省地处黄土、青藏和内蒙古三大高原交汇地带，地貌复杂多样，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交错分布。总体上气候干燥，气温日较差大，太阳辐射强。恶劣的地理环境以及复杂的气象环境为电力基础设施建设带来了诸多困扰，尤其是高寒地区和酸碱土壤分布区域，电力设备以及混凝土建构筑物、铁塔基础长期经受高寒恶劣环境的考验以及盐碱土壤的侵蚀，严重影响本地区电力基础设施的使用寿命，无法满足国家电网公司提出构建物使用寿命60年的要求。如何提高电力基础设施建构筑物中混凝土耐久性显得迫在眉睫，甘肃省电力设计院在甘肃省电力公司的大力支持下，对全省444座已投用变电站进行了分类筛选，并通过调查混凝土的耐久性提出了相关的防治措施。

1 调研方案

针对甘肃省的气候环境、地质条件，根据对以往变电站建构筑物设计、维修加固实践和对已有变电站混凝土病害进行总结分析，发现影响混凝土耐久性的因素多种多样，由于各因素间的交互影响，因此，根据多因素的研究结果分析实际工程混凝土耐久性的工作尚处于起步阶段。在甘肃省境内，影响变电站混凝土耐久性的因素主要有以下5类:(1)工业污染或碳化;(2)自重湿陷性黄土湿陷变形;(3)干湿循环;(4)冻融循环;(5)盐渍土侵蚀。有些混凝土工程设计寿命在50～100年，但其中相当一部分在10年内就出现了裂缝、剥落、破损等问题。

在现运行的11座变电站中，选取4条线路(A、B、C、D代表线路顺序)进行调研，如表1所示。其中A1、A2位于兰州周边典型工业地区，工业排放的粉尘、有害气体(SO2、CO2等)对混凝土有严重腐蚀作用;B1、B2、B4位于陇东湿陷性黄土地区，该区黄土层厚度大，湿陷等级高，地基湿陷引起混凝土结构物破坏严重;B3位于陇南湿润多雨地区，干湿循环对混凝土的抗渗性影响较大;C1、C2位于甘南高海拔地区，高原寒冷气温持续时间较长，紫外线照射强烈，降雪厚度大并且融化缓慢，冻胀对混凝土破坏严重;D1、D2位于河西风沙干旱荒漠和盐渍土地区，盐渍土对混凝土有严重腐蚀作用，风沙干旱荒漠使混凝土发生干湿、腐蚀破坏，耐久性遭到严重考验。在调查设计使用时间、气象条件、土壤条件、腐蚀状况等的基础上，重点探讨混凝土耐久性现状及防治技术措施。

表1 变电站调研清单Tab.1 Investigation list of substation

现场调研包括混凝土耐久性现场调查、回弹法检测混凝土抗压强度、采用酚酞试剂判定混凝土碳化深度、裂缝观测仪观测裂缝宽度、钢筋位置测定仪测定钢筋位置、拍照、取水土样及现场询问等。室内试验包括对现场取回的水、土、混凝土样进行室内测试，并初步提出相应措施及阐述进一步研究的必要性等。

2 调研结果分析及防治措施

2.1 工业污染或碳化地区混凝土耐久性调研

中堡110 kV变电站常年受祁连山水泥厂工业粉尘污染，混凝土表面严重受损，如图1所示。现场选择3号避雷针对其主体和基础进行了相关测试［3-5］。检测结果表明:土中SO42－浓度为306 mg/kg，腐蚀等级为弱腐蚀，Cl－浓度为90 mg/kg，腐蚀等级为微腐蚀;用酚酞试剂测试其碳化深度大于6 mm，测区混凝土设计强度等级为C20，回弹法测定测区混凝土推定值为12.3 MPa，不能满足设计要求;基础底部普遍存在2 mm裂缝，避雷针高约为16 m，相对地面水平位移为170 mm，结构严重变形。

淌沟220 kV变电站旁有腾达西北铁合金厂，常年排放粉尘气体(SO2、CO2等)，混凝土腐蚀严重，基础混凝土已经酥松，严重影响上部建构筑物稳定，如图2所示。从该变电站旁的大通河中取水样，水质分析表明，SO42－、Cl－腐蚀等级为微腐蚀，pH 值为8.16。现场选择主变压器及主变构架基础进行了相关测试，主变基础存在1 mm裂缝，碳化深度大于6 mm，测区混凝土设计强度等级为C20，回弹法测定测区混凝土推定值为5.6 MPa。

兰州周边工业地区变电站调研结果表明:工业排放的粉尘、有害气体(SO2、CO2)浓度上升，碳化严重，混凝土破坏情况如图2所示，严重影响混凝土使用寿命，从而导致不能满足设计60年的使用年限。因此，今后该类地区预防混凝土碳化或工业污染［6］应采取以下措施:选用抗碳化能力强的水泥品种;在施工条件允许的情况下，尽可能采用较小的水灰比;选用能够提高混凝土抗碳化能力的外加剂;采用涂料防护法加强工业地区混凝土的耐久性。

2.2 自重湿陷性黄土湿陷变形地区混凝土耐久性调研

定西330 kV变电站地基湿陷引起的基础沉降量较大、墙面多处存在“八”字形裂缝;混凝土腐蚀现象严重。土样检测表明土中SO42－浓度为4332 mg/kg，腐蚀等级为强腐蚀，Cl－浓度为3639 mg/kg，腐蚀等级为中腐蚀。由现场判定在地基湿陷性消除后，维修须使用抗SO42－水泥。

秦安330 kV变电站地基湿陷较为典型，随处可见湿陷性闭合圆环及地基不均匀沉降引起的墙面“八”字形裂缝，如图3～4所示。土样分析表明，土中SO42－浓度为428mg/kg，HCO3－浓度为476 mg/kg。从变电站旁的河中取水样，测试表明水中SO42－浓度为35.8 ml/l%，腐蚀等级为中等腐蚀，Cl－浓度为34.57 ml/l%，检测表明水的腐蚀等级为中等腐蚀，pH值为8.47，维修时须使用抗SO42－水泥。现场选择主变器基础进行了相关测试，测区混凝土设计强度等级为C20，回弹法测定测区混凝土推定值为11.1 MPa，无法满足设计要求。

图3 开裂基础环形湿陷Fig.3 Circular collapse of cracking foundation

图4 地基下陷引起墙面开裂Fig.4 Crevices of walls caused by ground collapse

七里墩110 kV变电站地基不均匀沉降最为突出，严重影响上部建构筑物的稳定。土样分析表明，土中SO42－浓度为457 mg/kg，HCO3－浓度为323 mg/kg，腐蚀等级为弱腐蚀;水样测试表明，水中SO42－浓度为28.21 ml/l%，Cl－浓度为27.12 ml/l%，腐蚀等级为弱腐蚀。对现场选择建站至今未处理过的路面进行了相关测试，测区混凝土设计强度等级为C20，回弹法测定测区混凝土推定值为13.0 MPa，无法满足设计要求。

综上所述，该地区地基湿陷变形引发的破坏程度均大于混凝土受腐蚀的破坏程度。这是由于该地区的黄土在天然状态下结构性较强，常年处于欠压实状态、弹性变形极小。当地基在持续降雨或浸水后很快发生湿陷变形、地基承载力突降，地基不均匀沉降量大，严重威胁上部建构筑物安全，其设计使用年限、混凝土耐久性便无法保证［7-8］;根据现场取回的水土样分析表明，该区水土的腐蚀等级为强、中、弱不等，因此，维修时须根据变电站水土条件，合理提高混凝土等级，使用抗SO42－、Cl－水泥。另外，在消除地基湿陷性的同时，需从调整基础结构尺寸，因地制宜地提高混凝土的抗渗、抗腐蚀性能方面作进一步的研究。

2.3 干湿循环地区混凝土耐久性调研

江洛110 kV变电站受当地干湿循环气候影响较大，站内多处建构筑物混凝土面层被暴雨冲坏，多处构筑物表面龟裂现象严重，如图5～6所示。土样分析表明，土中 SO42－浓度为 394 mg/kg，Cl－浓度为208 mg/kg，腐蚀等级为微腐蚀;水样测试表明，水中SO42－浓度为 21.43 ml/l%，HCO3－浓度为57.14 ml/l%，Cl－浓度为14.29 ml/l%，腐蚀等级均为微腐蚀，pH值为8.25。对现场选择建站至今未处理过的路面进行了测试，测区混凝土设计强度等级为C20，回弹法测定测区混凝土推定值为16.3 MPa，不满足设计要求。

不同因素对混凝土耐久性的影响程度是不相同的，干湿循环作用下的物理腐蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一，在有硫酸盐存在的环境下，混凝土在干湿循环和硫酸盐侵蚀双重因素的作用下破坏更严重［9］。因此，对于陇南湿润多雨地区，在干湿交替环境下，合理提高混凝土强度等级的同时，进一步研究混凝土抗冻、抗渗性，对提高混凝土耐久性及延长建构筑物的使用寿命十分必要。

2.4 冻融循环地区混凝土耐久性调研

合作110 kV变电站受高寒气候影响，变电站混凝土内冻胀损害严重。1号开关控制器基础和主变基础始建于1984年，曾在2011年进行维修，但从现场来看冻胀、冻害现象严重，如图7所示。土样分析表明，土中 SO42－浓度为 374 mg/kg，Cl－浓度为197 mg/kg，腐蚀等级为微腐蚀。对现场选择建站至今未处理过的路面进行了测试，测区混凝土设计强度等级为 C20，回弹法测定测区混凝土推定值为16.2 MPa，不能满足设计要求。

合作35 kV变电站主变基础始建于1996年，为该线路中建站最晚的变电站，但其冻胀现象最严重，如图8所示。站内路面混凝土随处可见起皮、龟裂损坏。土样分析表明，土中SO42－浓度为1210 mg/kg，Cl－浓度为2770 mg/kg，腐蚀等级为中等腐蚀;从变电站内的深井中取水样，测试表明水中SO42－、Cl－的浓度均为18.75 ml/l%，腐蚀等级为微腐蚀。混凝土回弹值均为10～20 MPa。

临夏35 kV变电站主变基础始建于1975年，为该线路中建站最早的变电站，其冻胀现象比较严重。土样分析表明，SO42－浓度为 328 mg/kg，腐蚀等级为弱腐蚀，Cl－浓度为121 mg/kg，腐蚀等级为微腐蚀，HCO3－浓度557 mg/kg;水样测试表明，水中SO42－浓度为40.54 ml/l%，腐蚀等级为弱腐蚀，Cl－浓度为16.22 ml/l%，腐蚀等级为微腐蚀。现场选择变压器和进线塔基础进行了测试，测区混凝土设计强度等级为C20，回弹法测定测区混凝土推定值小于10.0 MPa，不能满足设计要求。

在甘南高海拔地区，高原寒冷气温持续时间较长，紫外线照射强烈，降雪厚度大并且融化缓慢，冻胀对变电站建构筑物混凝土破坏严重。该地区自然灾害频繁，主要是霜冻、寒潮、强降温、大雪、冰雹和秋季洪涝等，对变电站建构筑物混凝土抗冻性影响显著。因此，在提高高原寒冷气候条件下输变电站混凝土强度和密实度的同时，使用引气剂是提高混凝土抗冻性能最为快捷有效的途径。因此，有必要对引气剂增强矿物掺合料和抗渗性能的原理和方法作进一步研究［10］。

2.5 河西盐渍土地区混凝土耐久性调研

金昌330 kV变电站常年受沙尘暴和盐渍土腐蚀的影响，建构筑物混凝土遭到显著破坏。由图9可以看出站内地面受盐胀损害程度。土样分析表明，土中SO42－浓度为 8303 mg/kg，Cl－浓度为 18972 mg/kg，腐蚀等级均为强腐蚀，建议维修时使用抗SO42－水泥。在现场选择严重腐蚀和表面完好的马路道牙进行相关对比测试，检测表明严重腐蚀的道牙其碳化深度大于6 mm，测区混凝土设计强度等级为C20，回弹法测定测区混凝土推定值小于10.0 MPa，远小于设计要求;表面完好的道牙其碳化深度小于3 mm，测区混凝土设计强度等级C20，回弹法测定测区混凝土推定值为21.4 MPa，满足设计要求。

图9 盐渍土地基隆胀破坏Fig.9 Failure model due to ground bursting in saline soil

嘉峪关330 kV变电站位于气候干燥、沙尘暴强烈的戈壁和沙漠交汇处，盐渍土广泛分布。土样分析表明，土中的SO42－浓度为 12584 mg/kg，Cl－浓度为12853 mg/kg，腐蚀等级均为强腐蚀，建议维修时使用抗SO42－水泥。由于该站建站较晚，回弹法测定测区混凝土推定值一般均满足设计要求。

河西走廊戈壁和沙漠广泛分布，气候干燥、冷热变化剧烈、风大沙多，盐渍土广泛分布，自东向西面积逐渐扩大。盐渍土的物理、力学性质在温度、含水量等环境条件改变时可能产生变化，导致土体隆胀变形，使得盐渍土地区许多电力建构筑物由此发生破坏无法达到混凝土60年设计使用年限，严重影响上部结构的稳定与正常使用。因此，在该地区进行工程建设时，要对该地区的地基进行处理，可以适当采用换土垫层的方法处理或用一些粗颗粒土在浅层褥垫，给盐渍土留有一定的盐胀空间，以防止盐渍土盐胀对建筑物产生破坏;也可采用化学的方法，即向该地区盐渍土中均匀掺入氯盐，对盐胀起到有效的抑制作用［11-12］。另外，今后需要在混凝土配合比、抗SO42－侵蚀和盐胀变形规律等方面展开进一步研究。

3 结论

(1)甘肃地域狭长，气候复杂多样，从调研结果来看，高寒、恶劣环境条件下变电站建构筑物混凝土均有不同程度的损伤破坏，无法达到设计使用年限。

(2)通过现场调研，根据不同地区混凝土的耐久性影响因素和破坏情况，初步提出了防治措施。

(3)开展高寒、恶劣环境条件下混凝土耐久性研究，不仅可以为新建变电站开展全寿命周期工作提供科学依据，还能对现有运行变电站提高混凝土使用寿命、降低后期维修成本提供技术支持。

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