盐渍土地区混凝土基础的腐蚀与防护

苗 兴，袁 芳，李玉鹏

(国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050)

1 概述

混凝土具有取材方便、造价低廉、便于施工、承载能力强、刚度大、整体性好及易于成型等优点，被广泛应用于建筑行业中。在输变电工程建设中，输电线路杆塔通常采用柱型钢筋混凝土基础。作为输电线路设备的重要组成部分，钢筋混凝土基础不仅要支撑输电杆塔、导线、地线、绝缘子、金具等设备重量，还要承担大风、覆冰、热胀冷缩、地震、沉陷等因素造成的载荷，其安全可靠性对保证输电杆塔稳定、防止杆塔变形及倾覆起到至关重要的作用。因此，钢筋混凝土基础的使用寿命与电网设备的安全、整体寿命密不可分。

然而，钢筋混凝土基础的使用寿命与其地理位置、土壤成分有很大关系。甘肃西部局部地区为盐渍土壤，且气候寒冷，昼夜温差大，这些因素都对钢筋混凝土基础的使用寿命造成一定的影响。因此，如何降低盐渍土对钢筋混凝土的侵蚀，延长西部盐渍土地区输变电设备的使用寿命，是一个亟待解决的重要问题。

2 盐渍土腐蚀成分特点

一般将土壤表层厚度0～30 cm且可溶盐含量大于0.2 %(即2 000 mg/kg)的土壤称为盐渍土。盐渍土的主要特征是含有盐分，尤其是易溶盐，这对钢筋混凝土有腐蚀性，影响输变电设备混凝土基础和地下设施的耐久性和安全性。甘肃河西地区位于北温带大陆性气候干旱荒漠，具有蒸发强烈、降水稀少、日照时间长、昼夜温差大、四季分明等特征，其盐渍土主要分布在酒泉、张掖、武威3市。

盐渍土中的可溶盐主要为氯盐、硫酸盐和碳酸盐，甘肃西部张掖市盐渍土主要含硫酸盐，还含有氯盐和碳酸盐等。为研究该地区盐渍土腐蚀成分对输电线路杆塔混凝土基础的腐蚀情况，探索提高混凝土基础抗腐蚀能力的方法并验证其有效性，现对甘肃西部张掖市临泽县的某110 kV线路沿线土壤腐蚀成分及含量开展了初步调查和取样对比，并最终选定土壤盐渍化程度最严重的G29号和G30号塔基作为试验研究和示范工程点。在开挖输电线路杆塔混凝土基础时，对G29，G30塔基部位表层土壤再次取样分析，结果表明：该地区土壤可溶盐成分主要为硫酸盐和氯盐，易溶盐总含量远远大于盐渍土含量标准。该地区土壤成分分析结果见表1。

从现场挖掘的土壤样品来看，不同深度的土壤组成及易溶盐形貌均存在差别。表层土壤中含有大量的砂石和分散的易溶盐结晶体；深层土壤主要为结构密实的红壤土，含有大块的盐结晶体。通过现场实地勘察取样化验数据，结合示范线路及其附近运行多年线路的勘察结果，可以得知：沿线地基土壤对混凝土结构具有中～强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱～中腐蚀性。

3 混凝土基础的破坏现象和损伤机理

在钢筋混凝土构件使用过程中，混凝土结构受到荷载、环境等方面影响，其结构性能会发生退化。当土壤含有大量硫酸盐时，硫酸盐会渗入混凝土孔隙中，并在土壤与干燥空气的界面浓缩、结晶。一方面，当结晶作用受到毛细孔壁限制时，将对孔壁产生巨大的结晶压力，使混凝土产生裂缝；另一方面，土壤中的硫酸根离子渗入混凝土后，会和水泥的水化产物发生反应，生成具有膨胀性的腐蚀产物。在混凝土内部产生的内应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生混凝土开裂、剥落等现象，造成混凝土强度和粘接性能丧失。在甘肃西部地区，由于季节温差、昼夜温差及湿度变化等物理因素造成冻融循环、盐冻融循环以及热胀冷缩等作用，也会进一步加剧钢筋混凝土结构耐久性和寿命降低。

表1 G29，G30塔基开挖取样土壤腐蚀性成分分析检验报告

在水化过程中，水泥产生高碱性(pH≥12.5)，使混凝土中的钢筋表面形成一层致密的钝化膜，对钢筋具有较强的保护作用。然而，钝化膜只有在高碱性环境中才稳定。研究证明：钢筋表面失去钝化、发生腐蚀的临界pH值在11.2～11.05。当土壤中含有氯盐时，游离Cl-可渗入混凝土中；当Cl-浓度超过一定值后，在Cl-及CO2、SO2的共同作用下，混凝土孔隙液pH值将降低，钢筋表面的钝化膜将遭到破坏，使钢筋产生严重锈蚀。这样不仅降低了钢筋对混凝土的加强作用，同时腐蚀产物Fe(OH)2、FeCl3等会因膨胀对混凝土结构造成破坏，使混凝土开裂、剥落，造成混凝土基础承载能力下降。

对张掖市盐渍土地区钢筋混凝土设施的使用情况进行调查，发现通讯光缆混凝土标记桩和电力线路混凝土杆塔受土壤中易溶盐侵蚀及冻融循环等综合作用，发生表层开裂、剥落及内部钢筋腐蚀现象。

4 提高钢筋混凝土基础抗腐蚀能力

混凝土含有胶凝材料、水、粗骨料、细骨料、掺合料以及外加剂等组份。选取适当的比例配合，经拌制、成型、硬化后形成具有一定强度和耐久性的人造石材。因此，混凝土中各组份成分及配比将对混凝土的机械性能及抗腐蚀性能产生重大影响。结合盐渍土地区土壤腐蚀性介质的成分特点，为提高钢筋混凝土基础结构的耐久性，应从提高混凝土抗硫酸盐能力及防止钢筋腐蚀入手。

(1)采用抗硫酸盐水泥或控制水泥中熟料中矿物质C3A的含量，以降低混凝土硫酸盐腐蚀后的膨胀量。

(2)掺加粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，利用掺和料的填充效应、微集料效应和活性效应，降低混凝土的水胶比，改善混凝土的和易性，增加混凝土的密实度。

(3)控制最小水泥用量和最大水灰比：在一定范围内提高水泥的用量，可增加混凝土密实度和混凝土强度，减少因硫酸盐侵蚀产生的膨胀。

(4)改善养护条件，降低蒸养温度，减少二次生成硫酸铝和硫酸钙，从而避免引起膨胀破坏。

(5)掺加可提高混凝土抗腐蚀性能的外加剂，混凝土外加剂一般可提高混凝土的抗渗性能、早期强度及抗冻融能力，同时其内部还含有防止钢筋锈蚀的阻锈成分，可提高混凝土抵抗硫酸盐和氯离子的双重侵蚀能力。

据悉，现在有多种防止混凝土钢筋腐蚀的措施，包括：适当提高混凝土强度和水泥用量、采用高性能混凝土、确保钢筋保护层厚度、避免混凝土开裂或严格控制裂纹宽度、提高混凝土密实度、内掺钢筋阻锈剂，外表涂层保护、涂镀层钢筋、阴极保护等。其中，在钢筋混凝土浇筑过程中添加阻锈剂具有较好的防护效果，且具有成本低廉、便于施工的优点，是目前防止钢筋腐蚀的主要措施，已得到了广泛应用。

在原示范应用工程线路中，采用亚硝酸盐无机阻锈剂。这种阻锈剂为典型的阳极型阻锈剂，虽然能保护钢筋免遭腐蚀，但也在不断地消耗自身，其抗腐蚀效果难以保证，且当Cl-浓度大到一定程度时反而能够促进钢筋腐蚀。另外，由于亚硝酸盐具有毒性，目前已逐渐被低毒和更环保的有机阻锈剂取代。在张掖110 kV线路的实验和示范工程中，采用中科院金属所新近开发的含氧、氮和磷杂环化合物和醇/胺缩合物为主体的新型有机阻锈剂，并进行了对比试验。这类阻锈剂分子可通过竞争优先吸附在混凝土中钢筋的表面上，形成吸附膜，阻碍Cl-在钢筋表面吸附和对钢筋的侵蚀，延长钢筋局部腐蚀的诱发时间，从而起到阻锈的功能。

5 实验研究与示范工程实施

项目在大量实验室模拟实验的基础上，提出通过改变混凝土成分和配合比、加入适合外加剂和调整混凝土施工工艺等措施，以提高混凝土强度、抗腐蚀和耐久性，并通过设计、土壤取样、基础开挖整平、绑钢筋、支模、混凝土原材料和配合比调整、混凝土搅拌、运输、浇筑、试样制备、传感器安装、基础及试块填埋、跟踪监测等，全过程参与和控制。

5.1 抗腐蚀混凝土配制及防护效果对比试验

5.1.1 高性能抗腐蚀混凝土配制

工程原设计基础混凝土强度等级为C35，为提高混凝土的强度和抗硫酸盐腐蚀能力，采取降低水灰比，在混凝土中掺入一定量的粉煤灰和矿粉，并适当添加外加剂，经过反复试配，最终得出性能良好的C60混凝土。该混凝土水泥用量为280 kg/m3(总胶结材料为470 kg/m3)，总用水量约160 kg/m3，平均抗压强度为63 MPa(标样28d），混凝土的出机塌落度>240 mm，塌落扩展度>600 mm，1 h后坍落度无损失，具有良好的工作性。浇筑完成48 h后进行拆模，经检查，混凝土外观光洁平整，质量良好。拆模后立即包裹聚氯乙烯薄膜进行养护，2天后拆除塑料膜进行回填。

5.1.2 混凝土性能试验

5.1.2.1 抗压强度

实际示范桩基用C60，C35A混凝土的3d，7d和28d平均抗压强度见表2，均满足C60和C35混凝土抗压强度要求。

5.1.2.2 抗渗性能试验

按NEL法测得的标养28d的C60混凝土中的平均氯离子扩散系数为1.2×10-12m2/s，表明它具有优良的抗渗性。

5.1.2.3 C60和C35混凝土耐久性能对比试验

选择G29塔基做C60和C35混凝土抗腐蚀性能对比试验。A，C基桩采用原设计C35+原设计阻锈剂，B，D基础采用示范C60混凝土，定期观察对比2种混凝土表面开裂和剥蚀情况。

作为反映混凝土内部特征的一个重要指标，动弹性模量与混凝土的抗压强度、腐蚀损伤及冻融破坏间存在必然的联系。当混凝土试件受到腐蚀、冻融等作用产生裂纹或密度、强度下降时，其谐振频率就会发生改变，采用动弹性模量测量仪进行混凝土试块的共振频率测试和分析，可以间接了解混凝土内部结构的变化情况。为此，分别制作了C35和C60自然暴露混凝土试件各9个(100 mm×100 mm×400 mm)，竖立半埋于G29基础中心回填土中，每间隔一定时间挖出测量其共振频率，以了解混凝土性能变化情况。测试试样浇筑后120天暴露龄期内的共振频率，其数据具有一定的分散性但相对稳定，没有明显的规律性改变。

因混凝土动弹性模量的变化受腐蚀环境影响较大，干湿循环条件下的混凝土受到硫酸盐的侵蚀要比长期处于浸泡环境中的混凝土更加严重，力学性能下降也更明显。考虑到张掖地处干旱地区，且试件制成时间短，尚未经历明显的湿度改变及冻融循环，因此其动弹性模量在短期内不可能产生明显改变。由于试块成型品质差异、测试人员不同等因素对测试产生的影响，数据小幅度波动应在情理之中。

5.2 不同阻锈剂对比试验及防护效果监测

选定为G30塔基进行试验。其中A，C基桩采用原设计C35混凝土+原设计亚硝酸盐阻锈剂，B，D基桩采用原设计C35混凝土+中科院阻锈剂。在4个基桩中分别埋设了4个钢筋腐蚀传感器，埋设部位距地表面25 mm深，距混凝土外表面100 mm。钢筋腐蚀传感器中的工作电极由建筑用普通钢筋加工而成，面积12.073 8 cm2，辅助电极为石墨棒，除工作面外，其余部分用环氧树脂密封。钢筋腐蚀传感器埋入混凝土后，定期测量体系的电极电位、宏观电池电流密度，了解混凝土中钢筋的电化学腐蚀进程。

表2 示范工程用混凝土配比及抗压强度试验结果

对基础浇筑完成及其后60天和120天的3次监测结果进行对比，发现5个测量传感器测出的电极电位和腐蚀电流均未发生明显变化。因钢筋腐蚀是一个长期过程，且冬季张掖地区气候干旱，因此，初期阶段腐蚀很缓慢，暂时还无法判断原设计阻锈剂和有机阻锈剂对比后的防腐蚀效果。

另外，在基础浇筑时，同时成型了21个Φ150×150 mm的钢筋混凝土试件，置于G30塔基周围地表盐渍土中，埋深为150 mm。每个试块中埋有3根用钢筋制成的Φ10×30 mm圆棒，圆棒重量事先经过精确称量，埋入地下后定期取出再次进行称量，以确定钢筋棒金属腐蚀消耗量。因工程结束时间尚短，加之冬季气候干旱，考虑到钢筋腐蚀不会太明显，故暂未对这些试件解体进行测量。

6 结束语

由于甘肃西部地区气候比较干燥，气象条件和土壤腐蚀成分相对较为复杂，在各种因素的共同作用下，钢筋混凝土基础的损伤和破坏相对复杂、漫长。因此，对项目示范工程塔基混凝土进行长期跟踪监测，以获取实际腐蚀环境下混凝土构件在整个寿命历程中的完整监测数据，对于进一步研究甘肃西部盐渍土地区钢筋混凝土基础的腐蚀破坏过程和失效机理，探索和总结适用于输变电设备混凝土基础的切实可行的腐蚀防护方法，延长其使用寿命和提高运行安全性，具有十分重要的意义。

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