输电铁塔基础耐久性寿命预测及经济性评价

杨　勃,安利强,曹　蒙

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

输电铁塔基础耐久性寿命预测及经济性评价

杨勃,安利强,曹蒙

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

摘要：以±800 kV特高压直流哈郑线甘3标段高标号抗腐蚀铁塔基础混凝土试点工程为背景，简要介绍了美国Life-365使用寿命及全寿命周期成本预测模型，利用其计算了该工程氯盐环境下某掏挖式铁塔基础耐久性寿命及初始建设和防腐成本。结果表明，该铁塔基础耐久性预测寿命满足60年的使用要求，基础混凝土中掺加阻锈剂是阻止或减缓钢筋锈蚀最经济、最简便且有效的措施，为氯盐环境下高标号铁塔基础混凝土设计、施工的质量和成本控制提供了参考。但考虑到阻锈剂的局限性及实际工程环境的复杂性，建议考虑基础混凝土的强度设计和施工要求，基于Life-365模型编程求解最优结果，促进Life-365更切合实际地应用于输电铁塔基础的耐久性寿命及防腐经济性分析(初始建设和防腐成本的理论预测)。

关键词：Life-365；输电铁塔基础；耐久性寿命；防腐经济性评价；预测计算

中图分类号：TM726.3

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.02.010

收稿日期：2015-01-17。

基金项目：河北省自然科学基金(E2013502291);国家电网公司科技项目(输电线路盐渍土及冻土设计关键技术研究);中央高校基本科研业务费专项资金(14ZD33)。

作者简介：杨勃(1991-)，男，硕士研究生，主要从事输电线路工程、可靠性方法方面的研究，E-mail：hdyb2009@sina.cn。

Abstract：A brief description of the United States Life-365, and a prediction model to durability and the initial costs of construction and corrosion, are given in the background of high-grade corrosion resistant tower foundation in Gan 3 Section, Ha-zheng transmission line. And prediction calculations of a UHV tower foundation are achieved under chloride environment in the Gan 3 Section. Results show that the tower foundation can meet the requirement of 60 years, and the inhibitor is the most economical, simple and effective measures to prevent or slow down the steel corrosion, which provides a reference for the design, construction quality and cost control of high-grade tower foundation concrete under chloride environment. However, considering the limitations of corrosion inhibitors and the complexity of actual environment,suggested to consider the strength of the concrete foundation design and construction requirements, and the program based on the Life -365 model in this paper will get an optimal result, which can promote application of the Life-365 in terms of durability and anti-corrosion economic analysis for transmission tower foundation more practically, mainly including the predicts of initial construction and anticorrosion cost theory.

Keywords：life-365; transmission tower foundation; durability; anti-corrosion economic analysis; prediction calculations

0引言

当前，输电铁塔混凝土基础耐久性寿命设计、预测是电网的热点和难点问题[1]。著名专家梅塔(P.K.Mehta)教授在总结世界50年混凝土耐久性状况时表示，钢筋腐蚀是影响混凝土耐久性的首要因素[2]。2001年，梅塔教授又以“21世纪建筑结构的耐久性”为名，发表了“氯盐的作用是引起钢筋腐蚀的主要因素”的观点[3]。可以说，氯盐环境下混凝土耐久性失效破坏大量存在且非常严重，成为工程、经济等领域学者和政府、企业共同关注的问题，与可持续发展紧密相关[4~6]。哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电线路工程(以下简称哈郑线)是国网公司实现“疆电外送”的重要工程[6]，也是我国促进西部大开发的战略工程。由于线路经过的新疆、甘肃和宁夏地段存在腐蚀环境，故在甘3和甘4标段采用低碱水泥等材料配制C40抗腐蚀混凝土，加入粉煤灰、磨细矿渣等矿物掺合料，提高混凝土的抗腐蚀性；部分含氯离子强腐蚀地区的基础混凝土添加钢筋阻锈剂，用来提高混凝土中钢筋的抗腐蚀性能；并对基础表面采用高氯化聚乙烯树脂(HCPE，High Chlorinated Polyethylene Resin)薄膜做防腐处理，要求施工用砂全部经过水洗、复检，严格控制浇筑、养护用水。其中，甘3标段铁塔全部位于强腐蚀地段，部分路段处于氯盐环境。

本文即以甘3标段氯盐环境下某掏挖式基础主柱为算例，利用Life-365计算其耐久性寿命及初始建设和防腐成本；并通过对比分析，结合工程对铁塔基础耐久性寿命及初始建设和防腐成本提出要求与展望，为氯盐环境下高标号基础混凝土设计、施工的质量和防腐经济性评价(指初始建设和防腐成本的理论预测)提供参考。

1Life-365耐久性寿命及成本预测

1.1　Life-365概述

2001年多伦多大学M.D.A.Thomas和E.C.Bentz完成的钢筋混凝土使用寿命和寿命周期成本预测计算程序Life-365 v1.0版发布[8]，但该版本未将影响使用寿命的各参数(如扩散系数、龄期指数、保护层厚度、最大表面氯离子浓度和氯离子临界浓度)视作变量，因此预测的使用寿命保证率仅有50%，即真实的结构使用寿命有50%的概率小于或等于预测值。2003年E.C.Bentz发表“氯盐环境结构使用寿命概率模型”提出了简化的蒙特卡罗分析方法，并提出各参数的离差系数[9]；M.A.Ehlen采用该概率分析方法写成Life-365 v2.0版于2008年发布，2014年1月发布v2.2.1版。该版本在基本假设变化时，可以计算使用寿命和生命周期成本的敏感性，并建立了一些防腐蚀保护措施供选择，包括低水胶比，使用辅助胶凝材料、环氧涂层钢筋、不锈钢筋、阻锈剂、防腐薄膜和涂层等，以设计具有更好抗腐蚀性能的基础混凝土。

1.2　Life-365耐久性寿命预测

Life-365认为氯离子侵蚀引起的基础退化全过程可分为3个阶段——从服役到钢筋表面氯离子达到临界浓度并开始产生锈蚀的诱导期ti，从开始锈蚀到第一次维修的发展期tp，以及从第一次维修到耐久性失效的修复期tr，如图1所示。由于铁塔基础一般仅对保护帽等做简单的修复，故这里不需要考虑修复期tr。

图1　基础结构性能退化过程示意图

Life-365定义基础耐久性寿命为腐蚀起始时间ti和钢筋受腐导致基础充分损伤需要维修时间tp的总和，即基础耐久性寿命。

t=ti+tp

(1)

式中：采用Fick第二扩散模型计算腐蚀诱导期时间ti；以饱和未开裂混凝土为例，Life-365默认使用碳素钢和不锈钢钢筋的混凝土腐蚀发展期tp为6年，环氧涂层钢筋为20年。而诱导期一般可以达到50年甚至100年，因而研究诱导期寿命ti对耐久性寿命预测更具意义。

1.3　Life-365全寿命周期成本

Life-365定义全寿命周期成本等于基础初始建设费用Ci(含内防腐费用)、基础表面外防腐费用Cp，以及折现后的生命周期内修复成本CPW之和。从而，基础全寿命周期成本

C=Ci+Cp+CPW

(2)

其中，可以通过考虑有关经济参数，比如通货膨胀率i和实际贴现率r，计算以现值CPW表示的生命周期内修复成本

(3)

式中：Cr为基础在全寿命周期内距现在t年时的修复成本。又铁塔基础一般仅对保护帽等做简单的修复，故这里忽略修复成本，仅考虑基础初始建设费用Ci(含内防腐费用)，以及基础表面外防腐费用Cp。

2Life-365氯离子扩散模型

Life-365预测模型假设氯离子对基础侵蚀以扩散方式为主，其Fick第二定律微分方程为：

(4)

式中：C为基础中t时刻距离暴露面x处的氯离子浓度分布(质量分数)；D为氯离子的表观扩散系数，是时间和温度的函数。

(1)扩散系数的时变性

D随着水化反应的进行而逐渐降低，故采用下式描述D-t关系

(5)

式中：D(t)，Dref为基础在t，tref时刻的表观氯离子扩散系数；tref为基准养护龄期，一般取28天；m为扩散衰减指数，与掺合料品种和掺合量有关。

Dref=D28=10(-12.06+2.40w/c)

(6)

式中：D28为28天时扩散系数，m2/s；w/c为基础混凝土水胶比。

粉煤灰和矿粉掺合料对 28 天时的扩散系数无影响，但粉煤灰和矿粉的加入会使水泥的水化反应变缓慢，从而影响了扩散衰减系数m，Life-365规定

m=0.2+0.4(%FA/50+%SG/70)

(7)

式中：%FA为粉煤灰在胶凝材料中占的百分比，%SG为矿渣在胶凝材料中占的百分比。随着水化反应的不断进行，扩散系数逐步降低，但水化反应不会一直进行。Life-365假定混凝土浇筑25年后水化反应停止，扩散系数不再衰减，即25年后m=0。

(2)扩散系数的温变效应

温度对扩散系数有双重且显著的影响，扩散系数随着温度的上升而变大，同时结合性能又随着温度的升高而降低[10]。Life-365给出了温度对扩散系数影响的计算公式

(8)

式中：D(T)，Dref为基础在t时刻T温度，以及tref时刻Tref(一般取293K)温度下的表观氯离子扩散系数；U为扩散过程中的活化能，取35 000 J/mol；R为气体常数，取8.314 J/(mol·K)；T为绝对温度。

Life-365即通过式(4)采用有限差分法来计算钢筋开始发生腐蚀所需的初始时间ti，在每一个时间步中采用式(5)~(8)来计算相应的氯离子扩散系数。

3工程算例

3.1　基础设计参数

算例选取甘3标段氯盐环境下某掏挖式基础主柱的耐久性寿命和初始建设及防腐成本进行计算。由于基础耐久性寿命定义为氯离子在最外层钢筋表面扩散积累到一定值，故仅简要给出主柱截面图保护层部分及其尺寸，如图2所示。

图2　直流±800 kV哈密南—郑州线某掏挖式基础

3.2　Life-365计算参数

(1)模拟环境参数

甘3标段起自甘肃省酒泉市瓜州县桥弯道北，止于花海镇下东沟东，线路路径长105.947 km。故环境气温按酒泉市选取，据文献[11]查得其2012年平均气温如表1。

表1　甘肃省酒泉市2012年月平均气温

(2)基础混凝土参数选取

该基础混凝土强度等级为C40，文献[12]规定，水胶比最大为0.45，胶凝材料用量范围为320~450 kg/m3，并选择粉煤灰和磨细矿渣作为掺合料。Life-365中提供了粉煤灰、矿渣和硅粉3类掺合料，其掺量(质量%)可取范围如表2。

表2　Life-365混凝土掺合料含量百分比范围

(3)最大表面氯离子浓度及其集聚时间

对铁塔基础主柱来说，其表面氯离子达到最大浓度需要一定的时间，主要与其所处环境和基础防腐保护措施有关[13]，比如采用HCPE薄膜做防腐处理可以增加集聚时间。据文献[14]取最大表面氯离子浓度为0.4%，并考虑到安全储备，认为表面氯离子集聚时间tj=0。

(4)基础主柱钢筋临界氯离子浓度

据Glass和Buenfeld的研究与分析[15]，不考虑添加剂的影响时，临界氯离子浓度一般为胶凝材料质量的0.17%~2.5%，对应混凝土质量的0.03%~0.07%(水泥含量350~400 kg/m3)。实际上钢筋产生锈蚀的临界浓度主要与阻锈剂的品种和掺量有关，Life-365内置的阻锈剂掺量和临界氯离子浓度的对应关系如表3，本工程取值为0.24%。

表3　阻锈剂掺量和临界氯离子浓度的对应关系

3.3　计算结果

Life-365可以同时进行几个设计方案的对比计算，本文选取表4中4种设计方案进行分析。

表4　耐久性寿命和初始建设及防腐成本预测结果

注：①耐久性寿命为诱导期寿命与发展期寿命(6年)之和；②材料等费用均保持默认，4组方案总成本仅做相互比较，美元对人民币汇率按1美元=6.2元人民币元考虑。

表4显示，第1组基本满足铁塔基础60年的使用寿命要求，故在第1组的基础上，对基础混凝土配置参数进行调整。当第2组水胶比减小8%时，耐久性寿命增加21%，且初始建设和防腐成本降低16%；当第3组将掺合料掺量降低5%，耐久性寿命仅有40.6年，与60年的使用寿命要求相差甚远，并且由于修复成本上升，导致初始建设和防腐成本增加10%；当第4组将钢筋阻锈剂添加量增加17%时，耐久性寿命大幅增加至第1组的1.6倍，并且初始建设和防腐成本降低为其67%，为4组中最优方案。理论研究表明，基础混凝土中掺加阻锈剂是阻止或减缓钢筋锈蚀最经济、最简便而有效的措施。但另一方面，钢筋阻锈剂仅对以氯盐为主的腐蚀环境有很好的效果，一般多用于滨海或内陆部分高氯盐环境下铁塔基础防腐，对硫酸盐、镁盐含量较多的环境的防腐存在一定的局限性。并且由于实际工程环境作用更复杂，本文的理论预测需要进一步与实际工程统计资料和实践经验对比，建议考虑基础混凝土的强度设计和施工要求，借助Life-365软件的使用寿命及全寿命周期成本预测模型，以耐久性寿命和全寿命周期成本为优化目标，编程计算水胶比大小，粉煤灰、矿渣和亚硝酸钙掺和量的最优结果。从而促进Life-365更好地应用于输电铁塔基础的耐久性寿命及防腐经济性评价。

4结论

Life-365是针对氯盐环境下钢筋混凝土使用寿命和寿命周期成本预测的计算程序，可用于氯盐环境下特高压铁塔基础耐久性寿命及防腐经济性评价，为氯盐环境下高标号输电铁塔基础混凝土设计、施工的质量和成本控制提供参考。研究表明，基础混凝土中掺加阻锈剂是阻止或减缓钢筋锈蚀最经济、最简便而有效的措施。但是由于影响铁塔基础耐久性寿命的因素较多，不仅仅是基础设计和环境参数选取的问题，也包含施工质量控制及后期养护水平等诸多因素。在实际工程中，建议结合计算软件、规范和工程经验，考虑基础混凝土的强度设计和施工要求，借助Life-365的使用寿命及全寿命周期成本预测模型，以耐久性寿命和全寿命周期成本为优化目标，编程计算水胶比大小，粉煤灰、矿渣和亚硝酸钙掺和量的最优结果；促进Life-365更切合实际地应用于输电铁塔基础的耐久性寿命及防腐经济性评价。

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Prediction of Durability and Economic Analysis of Corrosion on TransmissionTower Foundation

Yang Bo， An Liqiang， Cao Meng

(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003,China)