昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路甘肃段基础混凝土耐久性试验研究

汪春风 张 斌 李志宏 马安刚 于本田 潘成兴

（1国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃 兰州 730030；2甘肃众联建设工程科技有限公司，甘肃 兰州 730070；3兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

1 引 言

昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路工程甘肃段位于河西地区，线路长度158.083km，海拔高程分布于1500～2000m之间，线路区域盐渍土发育较为强烈，地下水和土壤中含有大量硫酸盐和氯盐[1]，加之甘肃地处高寒地区，冬季存在较长冰冻期。而早在1991年，Mehta教授在第二届世界国际混凝土耐久性会议上就指出：当今世界混凝土耐久性破坏的原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、侵蚀环境的物理化学作用[2]。由此可见，昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路工程甘肃段基础混凝土耐久性破坏较为严峻，氯盐会导致基础混凝土内部钢筋锈蚀，而冻融破坏和硫酸盐的物理化学侵蚀会导致混凝土产生膨胀开裂，剥落，直至破坏，严重影响线路构架使用年限。因此昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路甘肃段基础混凝土要求较高的抗氯离子渗透性、抗冻性和抗硫酸盐腐蚀性，本文进行了不同强度等级混凝土的电通量试验、冻融循环试验和硫酸盐干湿循环试验，掌握不同作用对混凝土耐久性劣化的影响，对保证工程结构使用寿命具有重要意义。

2 试验

2.1 原材料

1）水泥

水泥采用张掖市巨龙建材有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，水泥的主要物理、力学指标如表1所示，其余指标均满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）[3]的技术要求。

2）粉煤灰

粉煤灰采用张掖火电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，其主要物理、化学指标如表2所示，其余指标均满足《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）[4]的技术要求。

3）细骨料

细骨料采用临泽县盛邦石料厂生产的天然砂，细度模数为3.0，为Ⅱ区中砂，含泥量为1.4%、泥块含量为0.8%；表观密度为2650kg/m3、松散堆积密度为1500kg/m3，空隙率为43%。其余物理、化学指标均符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52-2006）[5]中的配制C55以下强度等级混凝土的要求。

表1 试验用水泥主要物理、力学指标

表2 试验用粉煤灰主要物理、化学指标

表3 防腐阻锈高效外加剂指标

表4 不同强度等级混凝土配合比（kg/m3）

4）粗骨料

粗骨料采用临泽县盛邦石料厂的级配碎石，符合5～31.5mm连续级配，含泥量为0.8%、泥块含量为0.2%；表观密度为2700kg/m3、松散堆积密度为1540kg/m3，紧密空隙率为43%。其余物理、化学指标均符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52-2006）中的配制C55以下强度等级混凝土的要求。

5）减水剂

减水剂采用张掖市建鑫新型节能建材厂生产的JX-1型缓凝性高效减水剂，减水率为19%，泌水率比为31%，含气量为2.6%；7d抗压强度比为151%、28d抗压强度比为143%，28d收缩率为101%。其余物理、化学指标均符合《混凝土外加剂》（GB 8076-2008）[6]中的技术要求。

6）防腐剂

为提高混凝土的抗硫酸盐腐蚀性，在混凝土中掺入由兰州德亿建筑科技有限公司生产的DY-6防腐阻锈高效外加剂。其主要技术指标如表3所示。

2.2 混凝土配合比

根据昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路工程基础混凝土强度等级的共有四个强度等级，其混凝土配合比如表4所示。

2.3 试验方法

2.3.1 混凝土抗氯离子渗透性试验方法

混凝土抗氯离子渗透性试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）[7]中规定的电通量法。将每一强度等级的混凝土制作成直径为100mm，高度为50mm的圆柱体3组共9块，在标准养护28d、56d和90d进行电通量测试。

2.3.2 混凝土抗冻性试验方法

混凝土抗冻性试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）中规定的快冻法。将每一强度等级的混凝土制作成100mm×100mm×400mm的棱柱体3块，试件在标准养护室内养护24d后，取出后在温度为（20±2）℃的水中浸泡4d，试件在28d龄期开始进行冻融试验，冻融循环次数为200次，每25次冻融循环作一次横向基频测量，测量前将试件表面浮渣清洗干净，擦干表面水分，并检查其外部损伤及重量损失。

2.3.3 混凝土抗硫酸盐腐蚀试验方法

混凝土抗硫酸盐腐蚀试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）的方法，即将每一强度等级的混凝土制作成100mm×100mm×100mm的立方体共计11组33块，其中1组在标准养护28d后进行抗压强度测试，另外10组在28d后分成两部分，其中试验组5组，置入5%硫酸钠溶液的混凝土硫酸盐干湿循环箱，进行干湿循环试验，如图3所示；对比组5组，继续标准养护，与进行干湿循环试验的试件同时进行抗压强度试验。强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）[8]进行。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土抗氯离子渗透性试验结果与分析

图1为不同强度等级混凝土试件在不同龄期电通量测试结果。由图1分析可知，不同强度等级的混凝土的电通量值随着混凝土强度等级的提高，其各龄期电通量值均有不同程度的降低，说明随着混凝土强度等级的提高，混凝土的抗氯离子渗透性有明显改善。这是因为混凝土强度等级的提高，是通过降低混凝土水胶比来达到的，水泥水化的理论需水量约为26%，而实际混凝土的水胶比为0.45、0.38、0.37和0.35，均大于这个理论值，因此在混凝土凝结硬化过程中，有部分水分要散失到外部，因此在混凝土内部形成水孔，而水胶比越大，凝结硬化后的孔隙率越大，导致混凝土抗氯离子渗透性降低。

图1 不同强度等级混凝土在不同龄期电通量测试值

另外，随着龄期的增长，不同强度等级的混凝土其电通量均有一定程度的降低，这是因为4种混凝土中均掺加了粉煤灰，粉煤灰早期与水反应速度较慢，随着龄期的增长，混凝土中的粉煤灰在激发剂的作用下开始与水反应，并生成相应的水硬性水化产物，加之未水化的水泥颗粒继续水化，使得混凝土更加密实，其抗氯离子渗透性有所增大。但是，强度等级较低的C30和C35混凝土随着龄期电通量的值降低的较多，而强度等级较高的C40与C45降低的幅度要小，尤其是C45混凝土，其56d和90d电通量值几乎没有变化，这是因为强度等级较低的混凝土其水泥用量较少，而粉煤灰在胶凝材料中占的比例较大，其中C30混凝土粉煤灰掺量为20.1%，C35混凝土粉煤灰掺量为19.8%，粉煤灰早期与水反应速度慢，后期由于二次水化反应即火山灰作用效应，粉煤灰中活性SiO2、Al2O3与水泥熟料中C3S、C2S的水化产物Ca(OH)2反应，生成更加致密和强度更高的C-S-H胶体使得混凝土的后期强度会有所增长，粉煤灰要发生水化反应需要在氢氧化钙激发剂作用下才能反应，而氢氧化钙主要来源于水泥熟料中C3S、C2S反应生成，早期粉煤灰基本就没反应，后期随着氢氧化钙的生成，粉煤灰开始反应，因此混凝土变得更加密实，抗氯离子渗透性增强。虽然C40混凝土的粉煤灰掺量也为19.9%，但是由于水泥用量较多，早期就有足够的氢氧化钙激发粉煤灰反应，因此粉煤灰反应较早，所以早期混凝土的抗氯离子渗透性提高较快（28d至56d之间），后期反而提高不明显。C45混凝土因为粉煤灰掺量仅有13.2%，所以早期混凝土电通量降低较快，后期变化不大。

3.2 混凝土抗冻性试验结果与分析

图2 200次冻融循环后混凝土外观

图3 C30混凝土冻融循环质量损失变化曲线

图4 C30混凝土冻融循环相对动弹性模量变化曲线

图2为不同强度等级混凝土在经受200次冻融循环后的外观。由图2（a）可以看出，C30混凝土冻融循环200次时，由于水泥石发生开裂破坏，试件发生断裂，粗骨料由混凝土内部剥离脱落，混凝土发生酥松破坏；C35混凝土在200次冻融循环后，个别试件出现明显的贯通裂缝，试件发生断裂，但与C30混凝土不同的是，混凝土中粗骨料并未由混凝土内部剥离脱落，混凝土未发生酥松破坏，如图2（b）所示；C40混凝土在200次冻融循环后，个别试件因为出现明显的贯通裂缝而发生断裂，但与C35混凝土不同的是，混凝土表面剥离脱落并不严重，如图2（c）所示；C45混凝土在200次冻融循环后，试件整体完好，混凝土表面也未出现剥落，如图2（d）所示。

由图3、图4分析可知，对于C30混凝土在冻融循环为125次前，其质量损失和和动弹性模量降低不是很显著，但是当冻融循环达到125次时，其质量损失显著增大，动弹性模量显著降低，当达到150次冻融循环时，其质量损失达到3.94%，相对动弹性模量仅仅是未冻融破坏时的58.9%，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）中规定，当冻融循环的混凝土相对动弹性模量为初始弹性模量的60%以下时，可判定为混凝土发生冻融破坏，由此可知，对于C30混凝土其抗冻等级仅为F150。

图5 C35混凝土冻融循环质量损失变化曲线

图6 C35混凝土冻融循环相对动弹性模量变化曲线

图7 C40混凝土冻融循环质量损失变化曲线

由图5、图6分析可知，对于C35混凝土在冻融循环为150次前，其质量损失和动弹性模量降低不是很显著，但是当冻融循环达到150次时，其质量损失显著增大，动弹性模量显著降低，当达到200次冻融循环时，其质量损失达到3.43%，相对动弹性模量为未冻融破坏时的71.6%，由此可知，C35混凝土其抗冻等级可以达到F200的要求，但在200次冻融循环时已经接近破坏。

图8 C40混凝土冻融循环相对动弹性模量变化曲线

由图7、图8分析可知，对于C40混凝土在冻融循环为200次前，其质量损失和和动弹性模量降低不是很显著，当达到200次冻融循环时，其质量损失仅为0.66%，相对动弹性模量是初始弹性模量的90.0%，C40混凝土其抗冻等级可以达到F200的要求。

图9 C45混凝土冻融循环质量损失变化曲线

图10 C45混凝土冻融循环相对动弹性模量变化曲线

图11 C30混凝土干湿循环后抗压强度

由图9、图10分析可知，对于C45混凝土在冻融循环为200次，其质量损失和和动弹性模量降低不是很显著，当达到200次冻融循环时，其质量损失仅为0.51%，相对动弹性模量是初始弹性模量的97.1%， C45混凝土其抗冻等级可以达到F200的要求。

3.3 混凝土抗硫酸盐腐蚀性试验结果与分析

图12 C35混凝土干湿循环后抗压强度

图13 C40混凝土干湿循环后抗压强度

图14 C45混凝土干湿循环后抗压强度

图11～图14为不同强度等级混凝土在经受不同干湿循环次数后抗压强度。由图分析可知，在硫酸钠溶液干湿循环条件下，不同强度等级混凝土随着干湿循环次数的增长，其抗压强度呈先提高后降低的趋势。这主要是早期硫酸钠溶液渗入混凝土内部孔隙中，在温度较高时结晶填充孔隙，但由于此时膨胀应力较小，未导致凝结硬化的混凝土发生开裂，且由于填充了混凝土内部孔隙，使得混凝土更加密实，使混凝土强度有一定的提高，但随着干湿循环的次数的增多，结晶不断产生膨胀应力，使混凝土内部原有裂缝进一步扩展、连通，导致混凝土强度开始下降。但不同强度等级的混凝土存在两点不同，一是强度出现降低时的循环次数不同，强度等级低的混凝土其强度在循环次数较少时就会出现下降，而强度等级较高的混凝土出现强度下降的循环次数明显延迟，C30混凝土强度降低出现在干湿循环60次后；C35混凝土强度降低出现在干湿循环80次后；C40混凝土强度降低出现在干湿循环80次后；C45混凝土强度降低出现在干湿循环120次后；二是由于C40、C45混凝土本身致密性好，孔隙率小，连通的孔少，使硫酸钠溶液很难进入混凝土内部，因此其强度在经过120次干湿循环后，虽然相对中间有所降低，但高于标准养护28d的强度，而C30、C35混凝土由于水胶比大，在经历120次干湿循环后其强度损失较大，远低于标准养护28d时强度。

4 结 语

1）水胶比越大的混凝土其电通量越大，混凝土的抗氯离子渗透性越差；由于混凝土中掺入粉煤灰，随着龄期的增长，混凝土抗氯离子渗透性有一定的提高，且提高幅度与粉煤灰掺量正相关。

2）C30混凝土在冻融循环过程中，发生酥松破坏，抗冻等级仅能达到F150，其余三种混凝土抗冻等级均能达到F200，且冻融循环过程中，混凝土破坏随着混凝土强度的提高而降低。

3）在硫酸盐干湿循环作用下，不同强度等级的混凝土的抗压强度都遵循着先提高后降低的趋势。但强度由升转降所对应的干湿循环次数不同，强度等级越高的混凝土出现的越晚，且强度等级高的混凝土经过120次干湿循环后强度仍高于标准养护28d强度。

[1]中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司.准东-华东±1100kV特高压直流输电线路工程施工图设计[R].长沙，2016，1.

[2]洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京：中国铁道出版社，1998.双线铁路.

[3]GB175-2007.通用硅酸盐水泥[S].

[4]GB/T1596-2005.用于水泥和混凝土的粉煤灰[S].

[5]JGJ52-2006.普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准[S].

[6]GB8076-2008.混凝土外加剂[S].

[7]GB/T50080-2016.普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S].

[8]GB/T50082-2009.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].

[9]GB/T50081-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准[S].