西北地区光伏支架混凝土基础耐久性调查研究

张 勇，孙宇飞，胡 玮

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710043)

西北地区光伏支架混凝土基础耐久性调查研究

张 勇，孙宇飞，胡 玮

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710043)

西北地区有大量的盐渍土，这些地区的混凝土工程都不同程度的经受着硫酸盐侵蚀和氯离子侵蚀的考验，为了解光伏电站混凝土基础遭受硫酸盐和氯离子的侵蚀情况，对西北地区的4个光伏电站支架基础进行了调查研究，并给出了提高该地区混凝土耐久性的建议。

光伏电站；混凝土基础；硫酸盐侵蚀；氯离子；耐久性

0 引 言

目前，光伏电站已采用的基础类型有钢筋混凝土独立基础、钢筋混凝土条形基础、桩基础。基础材料多以混凝土为主。然而，在我国西北部地区有大量盐渍土[1]，这些地区的混凝土工程的耐久性都经受着硫酸盐侵蚀和氯离子侵蚀的严峻考验。近年来，在公路、铁路、矿山建设、地下人防工程、桥梁基础、隧道衬砌、水电工程以及机场等混凝土工程中均发现了严重的硫酸盐和氯离子侵蚀现象[2]。硫酸盐侵蚀会导致混凝土膨胀变形及强度、刚度等力学性能降低，显著降低结构承载能力，使结构安全性下降。氯离子侵蚀会导致钢筋锈蚀，从而对混凝土产生挤胀破坏。由于材料性能的劣化，结构在服役期间会大量增加维修成本，甚至提前报废，造成人力财力极大浪费。为此，本文对西北地区的光伏电站支架基础进行了硫酸盐和氯离子侵蚀程度的耐久性调查研究。

1 硫酸盐侵蚀机理

混凝土硫酸盐侵蚀破坏是一个复杂的物理化学进程，机理十分复杂，其实质是环境中的硫酸根离子进入混凝土内部，与水泥石的某些固相组分发生化学反应而生成一些难溶的盐类矿物，这些难溶的盐类矿物一方面由于吸收了大量水分子而产生体积膨胀，形成膨胀内应力，当膨胀内应力超过混凝土的抗拉强度时就会导致混凝土的破坏，另一方面也可使硬化水泥石中CH和C—S—H等组分溶出或分解，导致混凝土强度和粘结性能损失。混凝土受硫酸盐侵蚀的特征是表面发白，损害通常在棱角处开始，接着裂缝开展并剥落，使混凝土成为一种易碎的，甚至松散的状态[3]。

2 氯离子侵蚀机理

Cl-进入混凝土中并到达钢筋表面，当它吸附于局部钝化膜处时，可使该处pH值迅速降低。Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部(点)，使这些部位(点)露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成腐蚀电池，腐蚀电池作用的结果是钢筋锈蚀。Cl-不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速电池作用的过程。混凝土中Cl-的存在，强化了离子通路，降低了阴、阳极之间的电阻，提高了腐蚀电池的效率，加速了电化学腐蚀过程。以上电化学腐蚀过程中，Cl-通过破坏钝化膜、形成“腐蚀电池”、去极化作用和导电作用加速了钢筋的锈蚀，而Cl-在腐蚀过程中只参与了过程，起到“搬运”作用，重要的是在整个过程中并没有被“消耗”掉，即凡是进入混凝土中游离状态的Cl-，会周而复始地起破坏作用，这也是氯盐侵蚀的主要特点之一[4]。

3 各光伏电站调研情况

3.1 中电投武威50 MWp并网光伏电站

3.1.1 地基土腐蚀性

表1 地基土对混凝土及钢筋腐蚀性评价(武威)

3.1.2 支架基础腐蚀情况

本工程支架基础类型为混凝土独立基础，混凝土强度等级为C25。基础埋深0.6～1.0 m，于2012年8月开始浇筑，2013年3月完成。截止到本次调研，混凝土基础龄期约为2年。

调查中发现，绝大部分混凝土桩地面以上和地面以下均没有发现明显的腐蚀现象，外观完好，约有5%的混凝土桩地面以上部分发现有白色析出物。对混凝土桩上的白色析出物取样后进行XRD衍射分析，衍射图谱中除了有水泥水化产物的衍射峰外，还发现了无水芒硝(Na2SO4)。由此可推断混凝土桩上的白色析出物主要为Na2SO4晶体。由此来看，目前的硫酸盐侵蚀所表现出的形式主要是硫酸盐结晶型的物理侵蚀。对于一部分埋入盐渍土中一部分暴露于多风干燥空气中的混凝土桩来说，盐渍土中的盐液在混凝土毛细管抽吸作用下上升至液相线以上蒸发，然后，致使盐液浓缩、结晶、析出，对混凝土造成结晶膨胀破坏。但从本工程中有白色析出物的部位来看，还没有对混凝土造成明显的破坏。

3.2 中电投哈密20 MWp并网光伏电站

本工程场址位于新疆哈密市东北约22 km处，天山乡石城子区域内。场址区为荒漠戈壁滩，地形平缓、开阔。

孟子说：“吾善养吾浩然之气”，孔子说：“见贤思齐”，也是这个意思。如果读书而不敦品，则只能成为一个知识库，一个“书囊”，充其量只是有知识而已。读书如果不珍惜自己的品德，那就错了。我认为人才是靠自我造就的，当然老师和学校都很重要，但自己如不能奋发努力，也就很难有成就，所以人才归根结蒂是要看自己能不能敦品自励、刻苦锻炼。而且这是长期的、一辈子的事，不是几个月几年的事。

3.2.1 地基土腐蚀性

地基土对混凝土具微腐蚀性，对钢筋具有弱腐蚀性，腐蚀类型主要为硫酸盐侵蚀和氯离子侵蚀。地基土的腐蚀性评价见表2。

表2 地基土对混凝土及钢筋腐蚀性评价(哈密)

3.2.2 支架基础腐蚀情况

本工程支架基础类型为混凝土条形桩基础，混凝土强度等级为C25，于2011年初浇注完成。截止到本次调研，混凝土基础龄期约为4年。

场址区地面上可见白色盐霜，有些混凝土表面也出现盐霜，且混凝土表面的盐霜多出现在混凝土与地面的接触部位。将出现盐霜的混凝土基础挖开检查，并没有发现硫酸盐侵蚀的破坏现象。刮取盐霜，并进行XRD衍射分析。由检测结果可知，盐霜的主要成份是NaCl和少量的Na2SO4。

中电投哈密光伏电站的混凝土基础目前还没有发现钙矾石结晶和石膏结晶类型的硫酸盐侵蚀破坏，和中电投武威光伏电站情况类似，发现了盐液在毛细管抽吸作用下上升至液相线以上蒸发，然后致使盐液浓缩结晶的现象。不同的是，由于哈密电站的地基土中Cl-含量较高，对钢筋的腐蚀评价为弱腐蚀，因此，结晶盐中含有大量的NaCl。但从整体看，还没有引起混凝土的破坏。

3.3 中电投吐鲁番20 MWp并网光伏电站

本工程场址区位于吐鲁番盆地东北部，博格达山山前的冲积平原，周围为戈壁荒漠。

3.3.1 地基土腐蚀性

表3 地基土对混凝土及钢筋腐蚀性评价(吐鲁番)

3.3.2 支架基础腐蚀情况

本工程支架基础类型为混凝土方形桩基础，混凝土强度等级为C25。基础埋深1.0 m，于2011年初浇注完成。截止到本次调研，混凝土基础龄期约为4年。

本工程中地基土对混凝土的腐蚀比较明显，大部分混凝土桩与地面的接触部位发现盐霜，并伴有一条较宽的深色腐蚀条带，有些腐蚀条带处已出现起皮、开裂、骨料外露等现象。将有明显腐蚀现象的混凝土底部挖开检查，由于埋入地下的混凝土桩有塑料布保护，未发现硫酸盐侵蚀破坏现象。因此可以判断，吐鲁番光伏电站基础目前的硫酸盐侵蚀类型仍是硫酸盐结晶型的物理侵蚀。

3.4 中电投格尔木200 MWp并网光伏电站

场址区位于青海省格尔木市东约30 km的荒漠沙地，南侧距东西向展布的昆仑山脉布尔汉布达山北坡坡角约12 km。场址位于柴达木盆地西南侧边缘地带，工程区域南侧为基岩形成的低山区，即昆仑山脉布尔汉布达山，场地区处于山前冲洪积平原，地貌类型为荒漠沙地。

3.4.1 地基土腐蚀性

地基土对混凝土及钢结构腐蚀性评价见表4。从地基土的腐蚀性评价来看，本工程场址区地基土对混凝土结构具中等腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性。因此，相对于硫酸盐侵蚀来说，本工程中Cl-侵蚀更为重要。

表4 地基土对混凝土及钢筋腐蚀性评价(格尔木)

3.4.2 支架基础腐蚀情况

本工程支架基础类型为混凝土灌注桩基础，混凝土强度等级为C25。基础埋深1.2 m，于2011年7月初浇注完成。截止到本次调研，混凝土基础龄期约为4年。

本次调研发现，约20%的混凝土桩在与地面的接触部位出现白色盐霜。将白色盐霜刮下后进行XRD衍射分析，可知析出的盐霜主要成份为NaCl和Na2SO4。从刮取盐霜后露出的混凝土面来看，部分混凝土桩表层已出现轻微破坏，主要破坏形式为表皮脱落。对产生腐蚀的混凝土桩进行挖开式检查，发现地面以下并没有被腐蚀的痕迹。对产生腐蚀破坏的混凝土取样进行XRD衍射分析，结果没有发现钙矾石和石膏晶体，因此可以判断目前还没有发生钙矾石结晶型的化学侵蚀。由于析出盐霜和发生侵蚀的部位主要在与地面的接触部位，因此可以判断，目前的侵蚀主要还是硫酸盐结晶型侵蚀。即盐渍土中的盐液在毛细管抽吸作用下上升至液相线以上蒸发，然后致使盐液浓缩、结晶、析出，对混凝土产生膨胀破坏。

对于Cl-的侵蚀，一般在短期内无法观测到。因为在诱导期内，Cl-只是通过渗透的方式向钢筋表面聚集，不会对混凝土产生明显的破坏。只有当钢筋表面聚集的Cl-浓度达到临界值时，才会使钢筋逐渐锈蚀，然后由于铁锈的挤胀压力使混凝土产生破坏。因此，Cl-侵蚀所产生的最初破坏形式一般是沿着钢筋走向产生裂缝。诱导期的长短与Cl-浓度、保护层厚度、水泥品种、掺合料情况、水胶比、混凝土抗渗等级、环境温度、湿度、施工质量等诸多因素有关，一般会持续数年或数十年不等。

表5 本次调研光伏电站受腐蚀情况汇总

4 结 论

5 建 议

一般来说，土中的化学腐蚀物质对混凝土的腐蚀作用需要通过溶于土中的孔隙水来实现。当气候干燥，降雨量稀少时，靠近混凝土表面的化学腐蚀物质与混凝土发生反应或被毛细管抽吸带走以后，得不到充分补充，所以腐蚀作用有限，一般会比相同腐蚀离子浓度的环境水对混凝土的腐蚀弱一些。因此，在盐渍土环境中对混凝土进行耐侵蚀设计时，参照《水工混凝土耐久性技术规范》中对环境水侵蚀下混凝土的技术要求进行设计是安全可靠的。因此，建议在盐渍土环境中的混凝土掺入适当比例的磨细矿渣、粉煤灰或硅粉，既能提高混凝土的耐侵蚀性能，又能降低混凝土造价。

[1]金祖权, 孙伟, 张云升, 等. 氯盐对混凝土硫酸盐损伤的影响研究[J] . 武汉理工大学学报, 2006, 28(3)： 43- 46．

[2]韩宇栋, 张君, 高原. 混凝土抗硫酸盐侵蚀研究评述[J] . 混凝土, 2011(1)： 52- 56．

[3]金雁南, 周双喜. 混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理[J] . 华东交通大学学报, 2006, 23(5)： 4- 8．

[4]刘文军, 王军强. 氯离子对钢筋混凝土结构的侵蚀分析[J] . 混凝土, 2007(4)： 20- 22．

(责任编辑 王 琪)

Investigation and Study on the Durability of Concrete Foundation of Photovoltaic Support in Northwest China

ZHANG Yong, SUN Yufei, HU Wei
(PowerChina Xibei Engineering Corporation Limited, Xi’an 710043, Shaanxi, China)

There is a lot of saline soil in northwest China, so the concrete projects in these areas are subjected to different degrees of sulfate attack and chloride ion erosion. To understand the erosion situation from sulfate and chloride ions of concrete foundation of photovoltaic power station, the investigation on concrete support foundation of four photovoltaic power stations in northwest China is carries on, and the proposals on improving the durability of concrete in these areas are also presented．

photovoltaic power station; concrete foundation; sulfate erosion; chloride ion erosion; durability

2016- 12- 15

张勇(1978—)，男，河北泊头人，高级工程师，硕士，主要从事水工混凝土的设计与试验研究工作．

TU753

A

0559- 9342(2017)08- 0108- 04