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钢筋混凝土电杆的老化分析及综合防治

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  • 发布时间:2013-06-23 00:00
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    1 现象 钢筋混凝土电杆(以下简称电杆)普遍应用于0.4-220KV电压等级的送电线路和变电站室外架构中,由于长期暴露在露天环境里,受到风吹雨打和环境水(雨水、泉水、地下水、海水等)的浸蚀及各种外力和内应力的作用,多会出现杆体的横向、纵向与网状裂缝及内部的钢筋浸蚀,电杆表面光滑的浆桶层脱落,露出砂浆及石子,同时杆体还会“出汗、冒碱”。以上的老化病害现象都将会大大缩短电杆的使用寿命,从而影响到电力系统的安全运行。 为找出经济可行的对策,以延缓电杆老化,还要从电杆的构成着手分析。
    2 电杆的构成 电杆是一种由钢筋、水泥、砂石骨料、毛细孔和水等组成的多相体,其物理、化学和力学特性主要是由水泥决定的。普通硅酸盐水泥的主要矿物成分有五种:硅酸三钙37%-60%、硅酸二钙15%-37%、铝酸三钙7%-15%、铁铝酸四钙10%-18%、石膏2%-5%(适当延缓水泥凝结时间)。 在电杆生产过程中,硅酸盐水泥经水化作用后,生成新的化合物,氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水化硫铝酸钙等,混凝土的pH值呈碱性。
    3 电杆的老化机理 3.1 碳化作用对电杆裂缝和杆内钢筋锈蚀的影响 碳化是指当水泥在空气中凝结硬化时,混凝土表层的氢氧化钙与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙薄壳。碳化一般并不降低电杆的强度,但却使混凝土失去了对钢筋的碱性保护作用,因而导致混凝土内部钢筋表面的钝化膜破坏。随着氧气和水分的不断侵入,钢筋便产生了电化学腐蚀,钢筋锈蚀后产生的锈蚀物体积为钢筋的2倍左右,使混凝土保护层受到逐渐增大的膨胀作用,当膨胀力大于混凝土抗拉强度时,混凝土保护层便顺筋开裂,使钢筋直接与大气接触,混凝土裂缝区的钢筋比碳化区的钢筋锈蚀更加严重,碳化作用和电化学腐蚀急剧加快,导致电杆结构的崩落破坏。 3.2 混凝土的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性对电杆耐久性的影响 3.2.1 抗渗性 当水分通过电杆内部孔隙形成的连涌渗水孔道进入杆体后,由于冰冻及环境水中浸蚀性介质的作用,混凝土易受冻融和浸蚀的破坏,这些孔道除产生于施工振捣不密实及裂缝外,主要来源于水泥浆中多余水分蒸发而留下的气孔,以及水泥浆的保水性能不好时,水分淅出的地方形成的毛细管孔隙,这都成为混凝土内部的透水通道及石子等骨料下的水隙。渗水孔道的多少,主要与水灰比的大小有关。水灰比小时抗渗性高,反之则抗渗性低。当水灰比大于0.6时,渗透系数剧增,抗渗性显著下降。 3.2.2 抗冻性 冻融破坏主要由混凝土材料毛细管孔隙内的水结冰引起。水结冰时体积增大约9%,当材料毛细孔隙中充满水受冻时,水首先在材料表层毛细管颈的部位结成冰,形成冰塞将孔隙水严密封堵起来,若温度继续下降,冰体逐渐增大在管内形成巨大的静水压力,可使毛细管壁受到相应的拉应力,当拉应力超过混凝土的抗拉强度时,毛细管壁将发生局部开裂。外部表现为杆体产生细小裂缝,原来光滑的表层产生疤痕甚至大面积脱落,露出砂石骨料。冻融循环次数越多,混凝土材料破坏越严重,这种现象在我国北方很明显。 3.2.3 抗浸蚀性 电杆受到环境水的物理和化学作用时,混凝土的氢氧化钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水化硫铝酸钙等成份结构被逐步破坏,强度降低,称为环境水浸蚀。其中氢氧化钙能够一定程度地溶解于水(特别是软水);而氢氧化钙、水化铝酸钙等碱性物质,与环境水中的酸类和某此盐类反应,生成新的化合物,或易溶于水,或为松软无胶结力的物质,或者能结晶膨胀,形成有害的内应力而破坏混凝土结构,从而影响到混凝土的耐久性,主要的浸蚀类型有以下几种: ①溶出性浸蚀(软水浸蚀)。溶出性浸蚀的强弱与水质的硬度有关。当环境水冲刷和浸蚀电杆时,氢氧化钙不断被溶解,特别是杆体不够密实或有缝隙时,在压力水作用下,水渗入混凝土内部,将氢氧化钙溶解并渗滤出来。这一过程的连续进行,将使水化硅酸钙和水化铝酸钙进一步分解,导致杆体强度下降和毁坏。 ②碳酸性浸蚀。环境水中含有的游离碳酸(CO2)与电杆中的氢氧化钙起化学反应,生成碳酸钙,而碳酸钙又与碳酸起反应,生成易溶于水的碳酸氢钙,反应连续进行将导致杆体强度下降和毁坏。其反应式如下: Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O (1) CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2 (2) ③一般酸性浸蚀。某些地下水或工业废水中的盐酸、硫酸等游离酸类与电杆中的氢氧化钙起作用,生成相应的钙盐,反应式如下: Ca(OH)2+2HCI=CaCI2+2H2O (3) Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4·2H2O(石膏)(4) 其中氯化钙易溶于水,石膏则在泥石孔隙内结晶,体积膨胀,使混凝土破坏。环境水的pH值越小,则浸蚀性越严重。 ④硫酸盐浸蚀。海水、地下水及盐沼水等矿物水中的硫酸盐类与电杆中的氢氧化钙起作用,生成石膏。石膏在混凝土孔隙中结晶时体积膨胀,使混凝土破坏;更严重的是,石膏与混凝土中的水化铝酸钙起作用,生成含有大量结晶水的水化硫铝酸钙,其体积增大为原有水化铝酸钙体积的2.5倍左右,能对混凝土起巨大的破坏作用。水化硫铝酸钙呈针状结晶,故常称为“水泥杆菌”,也就是我们常说的“冒碱”。 3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO3·2H2O)+19H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O (5) ⑤镁盐侵蚀。海水、地下水及其它矿物水中的镁盐与杆体中的氢氧化钙作用,其产物如氯化钙易溶于水、氢氧化镁松软无胶结力、石膏则进而产生上面所述的硫酸盐浸蚀。
    4 防治 通过分析电杆受空气和环境水的碳化、渗透、冻融、浸蚀等破坏机理,我们可以找出综合防治电杆老化、提高水泥杆使用寿命的对策,这主要分以下三个阶段: 4.1 输电线路的设计阶段 根据地质、水文、气侯、工业结构、环境污染等资料,选择相应品种的水泥制造钢筋混凝土电杆。制造电杆的水泥主要有以下几种: (1)425号普通硅酸盐水泥:最基本品种,应用范围最广。 (2)矿渣硅酸盐水泥:抗溶出性及抗硫酸盐浸蚀的能力强。抗酸性水及镁盐能力差,抗渗及抗冻性较差,碳化作用快,钢筋易锈蚀。 (3)火山灰质硅酸盐水泥:泌水性小,抗渗性能好,但抗冻性差。 (4)粉煤灰硅酸盐水泥:干缩性最小,抗裂最好,抗浸蚀性好。 (5)抗硫酸盐硅酸水泥:抗硫酸盐及抗冻融性好。 沿海地区,盐碱地区,枣庄、新汶等硫化矿地区,淄博等工业废水渗入地区,盐酸、硫酸、硫酸盐和镁盐浸蚀严重,宜采用粉煤灰硅酸盐水泥或抗硫酸盐硅酸电杆或铝酸三硅含量低(8%以下)的普通硅酸盐水泥电杆。泰安等鲁中、鲁西地区冻融频繁(年循环大于50次),最冷月月平均温度低于-8℃,电杆老化病害的形式以冻融破坏为主,宜采用硫酸盐、硅酸水泥电杆。结冰较少的河滩、湖区等地,宜采用火山灰质硅酸盐水泥电杆。 4.2 生产厂家的控制工艺 (1)制造工艺 严格控制水灰配合,电杆浆桶精工压面,可提高电杆的密实性,减少渗透作用,减轻环境水的浸蚀破坏。加厚混凝土保护层,使之大于混凝土的碳化深度,使钢筋得到保护,使之大于混凝土的碳化深度,使钢筋得到保护,可防锈防裂。加入1.5%-2%钢纤维、玻璃纤维、塑料纤维等材料,离心浇筑制成高强度纤维混凝土电杆,能有效抑制微细裂缝的产生。 (2)添加适当掺加剂 掺加剂分无机化合物与有机化合物两种。有机化合物多数是一种表面活性剂,如减水剂(木质素磺酸钙)可减少水和水泥用量,降低水灰比,提高混凝土的强度与耐久性;引气剂(松香热聚物)可提高混凝土的抗渗性、抗冻性和抗裂性。无机化合物多数是电解质盐类,如阻锈剂(NaNO2)等,可有效延长混凝土内钢筋的寿命。 4.3 施工、运行及修复维护 《架空送电线路施工及验收规范》中虽然只要求电杆的上端封堵,但施工中下端也宜封堵,可更有效防止环境水的入浸。 如果变电站站址和线路途经地的地质不好时,可采用“水泥土”法,即在水泥杆的回填土中掺加水泥,或在电杆立好之后,杆体周围灌入泥水。 对于杆体表面已产生的水泥浆桶剥落现象,可在混凝土表面设置防护层,如沥表防水层、不透水的水泥喷浆层及养料防水层。如用水玻璃溶液涂刷于杆体表面,生成物硅酸宁胶[Si(OH)4]可均匀吸附于混凝土表面并浸入内部1mm左右,在不断脱水和缩聚过程中,形成具有无数细小微孔的连接相,降低混凝土透气性约35%,可抵抗大多数无机酸的浸蚀,从而延长电杆寿命。 对于杆体上的裂缝,当裂缝较宽时(2mm以上),宜将已碳化的混凝土凿除后,用环氧砂浆、聚酯砂浆、聚合物水泥砂浆和高标号水泥砂浆等进行修补。当裂缝较小时(0.5mm),可涂刷厚度不超过0.1mm环氧树脂水泥,涂刷前先进行表面处理,用钢丝刷子刷净杂质,用水冲洗后凉干,然后将搅拌好的配料均匀涂刷于电杆表面,此法能延缓电杆的老化病害的发展,有效期可达5年左右。
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