變電站混凝土結(jié)構(gòu)的主要病害特征分析及防治方法

李翠鳳 舒 愷 郭高鵬 任建煒 俞嘉輝

（寧波市電力設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315200）

1 概述

變電站混凝土結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中的特種結(jié)構(gòu)，是由構(gòu)架、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)等不同的鋼筋混凝土構(gòu)件組成的輸變電結(jié)構(gòu)體系之一。變電站混凝土結(jié)構(gòu)投入使用后長期暴露在自然環(huán)境中，由于各種不同因素的相互作用和影響，混凝土變電構(gòu)架、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)均會出現(xiàn)不同類型的病害，導(dǎo)致構(gòu)件強度、承載力、穩(wěn)定性失去應(yīng)有的作用，給變電站的運行帶來安全隱患和風(fēng)險。為此，本文選取寧波及舟山地區(qū)典型的6 所變電站，分別為舟山110kV 漁花變電站、35kV 大展變電站、寧波110kV洪塘變電站、110kV 彭山變電站、110kV 慈城變電站，對其混凝土結(jié)構(gòu)中存在的各種病害進行全面的分析和研究。

2 變電站混凝土構(gòu)架、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)病害特征描述及機理分析

變電站混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件病害產(chǎn)生的機理略有不同，病害損傷的表現(xiàn)不一樣、危害程度也不盡相同。無論是預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還是現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在服役20 年后，構(gòu)件的劣化程度就會慢慢顯現(xiàn)。尤其在濱海城市，空氣含鹽量較高，空氣濕度較大，自然環(huán)境對混凝土及鋼筋的腐蝕性也較大，而且隨著服役時間的延長，病害程度越明顯，變電站混凝土構(gòu)架、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)使用就越不安全。

變電站混凝土結(jié)構(gòu)還存在特有的雜散電流環(huán)境下的性能退化情況。在規(guī)定電路之外的途徑流通的電流稱之為雜散電流，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在雜散電流環(huán)境下工作時，其內(nèi)部的混凝土與鋼筋之間會產(chǎn)生電位差，相當(dāng)于在兩極間外加了一個電場。若鋼筋為陽極的情況下，會加速鋼筋的自身腐蝕；若混凝土為陽極的情況下，混凝土?xí)l(fā)生異變，形成更為復(fù)雜的雜散電流腐蝕。

混凝土內(nèi)外的氯離子濃度差會影響氯離子向其內(nèi)部擴散。混凝土與鋼筋表面之間氯離子濃度梯度越大，氯離子擴散越快，鋼筋腐蝕越嚴重。而且由于氯離子自身帶電，疊加在變電站混凝土結(jié)構(gòu)所處雜散電流條件時，將導(dǎo)致：（1）氯離子在雜散電流條件下會發(fā)生定向遷移，增加氯離子濃度。（2）氯離子電遷移速度遠高于濃度差作用下擴散速度，且混凝土氯離子擴散是兩者的組合，因此，鋼筋混凝土構(gòu)件中存在雜散電流，會加速氯離子輸運進程。（3）氯離子濃度擴散是混凝土內(nèi)外氯離子濃度的平衡過程，因此，混凝土內(nèi)部氯離子濃度的加劇擴散將影響氯離子濃度的變化。

根據(jù)變電站混凝土結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件存在的病害情況，可將病害分為以下幾大類：高人字構(gòu)架柱病害、混凝土剝落病害、混凝土裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土堿-骨料反應(yīng)。

3 高人字構(gòu)架柱病害表現(xiàn)及防治方法

本次排查取樣的高人字構(gòu)架柱為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，由于長期暴露在露天環(huán)境里，受風(fēng)蝕、雨水浸蝕和各種外力、內(nèi)應(yīng)力的作用，病害主要特征是耐腐蝕性和抗侵蝕性相對較弱。病害表現(xiàn)為爛根，桿體表面多會出橫向、縱向、網(wǎng)狀裂縫，桿體內(nèi)部的鋼筋浸蝕，高人字構(gòu)架柱表面光滑的漿桶層脫落，露出砂漿和石子。高人字構(gòu)架柱為中空圓柱體，因變電站運行需要，柱頂不封口，根部封閉。遇到降雨時，雨水會積蓄在柱芯內(nèi)，構(gòu)架柱就變成一個盛滿雨水的容器。柱芯內(nèi)混凝土表面比較粗糙，無防水、防腐處理。由于長期積水，含鹽量較高的雨水沉積在高人字構(gòu)架柱的底部，鹽化作用和電化學(xué)腐蝕劇增，導(dǎo)致高人字構(gòu)架柱結(jié)構(gòu)根部脹裂破壞，構(gòu)架住表面的橫向、縱向與網(wǎng)狀裂縫及內(nèi)部的鋼筋浸蝕；高人字構(gòu)架柱表面光滑的漿桶層脫落，露出砂漿和石子，隨時間推移，受風(fēng)化、雨水沖刷、電磁輻射、溫濕度變化等影響，混凝土出現(xiàn)碳化、老化等現(xiàn)象，致使混凝土強度降低。混凝土強度降低后，水分二次浸入，會形成縱橫向與網(wǎng)狀裂縫，內(nèi)部鋼筋就會被腐蝕。

3.1 高人字構(gòu)架柱病害表現(xiàn)

當(dāng)高人字構(gòu)架柱受到環(huán)境水（此處主要為雨水）影響時，混凝土中的氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣、水化硫鋁酸鈣等在物理和化學(xué)作用時，成分結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，并且強度降低，這稱為環(huán)境水浸蝕。其中氫氧化鈣可以一定程度地溶解于水（特別是軟水）中，堿性物質(zhì)（如氫氧化鈣和鋁酸鈣水合物）與環(huán)境水中的酸和鹽反應(yīng)生成新的化合物，生成的是一種易溶于水沒有膠合力的柔軟物質(zhì)，結(jié)晶膨脹后形成有害的內(nèi)應(yīng)力并破壞混凝土結(jié)構(gòu)，從而影響混凝土的耐久性（見圖1）。

圖1 高人字構(gòu)架柱病害情況

3.2 防治方法

應(yīng)對高人字構(gòu)架柱爛根病變的治理辦法：（1）在高人字構(gòu)架柱底部鉆孔，及時排出積水，簡單有效地解決因積水發(fā)生鹽化和電化學(xué)腐蝕的問題。（2）可采用無色的氟硅酸鹽涂料涂刷高人字構(gòu)架柱表面，把被侵蝕的石灰組份轉(zhuǎn)化為硬化且不被破壞的氟化物，提高氟化表面硬度和強度以達到基本防護能力。使用以上兩種方法，可有效延長高人字構(gòu)架柱的使用壽命。

4 鋼筋混凝土構(gòu)架梁、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)的病害表現(xiàn)及防治方法

通過對6 所變電站實地調(diào)研，歸納總結(jié)出混凝土構(gòu)架、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)病害的幾種表現(xiàn)：混凝土剝落、裂縫、鋼筋銹蝕、蜂窩孔洞、堿-骨料反應(yīng)等。

4.1 混凝土剝落及其防治

混凝土剝落，需根據(jù)實際情況進行處理和加固。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)因承載力不足而剝落時，必須對其進行加固以提高結(jié)構(gòu)的承載力。當(dāng)因混凝土碳化和氯離子侵蝕而使鋼腐蝕和混凝土剝落時（見圖2），應(yīng)注意鋼銹的問題。實際上，無論是混凝土碳化，還是氯離子侵蝕，混凝土剝落都與水分的作用密不可分。如果能采取有效的防水措施，就可以在很大程度上避免由于鋼筋的腐蝕和膨脹而引起混凝土剝落。

圖2 設(shè)備支架基礎(chǔ)剝落情況

4.2 裂縫及其防治

裂縫普遍存在于變電站混凝土構(gòu)架、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)表面，數(shù)量繁多，隨著時間推移，裂縫的數(shù)量在增加，開裂程度增大。裂縫是因外荷載和變荷載長時間直接作用產(chǎn)生，根據(jù)現(xiàn)場查勘情況，分析出變荷載作用產(chǎn)生的裂縫主要分為溫度收縮裂縫、干縮裂縫、沉降裂縫，裂縫的形態(tài)分為表面、貫穿、縱向、橫向、上寬下窄、下寬上窄、對角線式、斜向等（見圖3），裂縫的存在對設(shè)備支架和設(shè)備基礎(chǔ)均會造成不同程度的危害，沉降裂縫危害程度比較大，不及時處理會導(dǎo)致輸電設(shè)備毀壞，電力中斷。溫度裂縫、干縮裂縫危害比較小，但長時間發(fā)展也會造成一定危害，應(yīng)及時處理。

圖3 主變基礎(chǔ)混凝土裂縫情況

根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因選擇對應(yīng)的方法：（1）由外荷載引起的裂縫，采用結(jié)構(gòu)補強的方法進行處理。（2）由變形引起的裂縫和施工工藝、混凝土養(yǎng)護不當(dāng)引起的裂縫，采用填充和灌漿的方法進行處理。

4.3 鋼筋銹蝕及其防治

濱海地區(qū)變電站長時間處于天氣潮濕、空氣中含鹽量較高的環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋更容易銹蝕。經(jīng)現(xiàn)場勘察和取樣研究后，分析出鋼筋銹蝕的三大外部條件：（1）鋼筋混凝土保護層薄弱，混凝土碳化，混凝土抗?jié)B透性弱，振搗不密實。（2）澆注混凝土前，鋼筋氧化層被破壞，鋼筋帶銹（見圖4）。

圖4 鋼筋銹蝕情況

敲除已剝落松動的混凝土，露出銹蝕的鋼筋，將轉(zhuǎn)銹金剛劑涂敷在生銹鋼筋表面，鐵銹粉轉(zhuǎn)化為有用的黑色防銹膜層（聚合鋁磷鐵）。轉(zhuǎn)銹金剛劑與帶有三氧化二鐵（Fe2O3紅色鐵銹）、四氧化三鐵（Fe3O4藍色氧化皮）的鋼鐵表面接觸，常溫下0.5～1h后，鐵銹和氧化皮即被轉(zhuǎn)化為亮黑色防銹膜層，72h后完全轉(zhuǎn)化，相當(dāng)于Sa2.5、St3 除銹等級。該防銹膜層不導(dǎo)電，可有效杜絕電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

4.4 混凝土的堿-骨料反應(yīng)

堿-硅酸鹽凝膠吸水膨脹的體積增大3～4 倍，膨脹壓力為3.0～4.0MPa。堿-骨料反應(yīng)的充分條件是水份。干燥狀態(tài)下是不會發(fā)生堿-骨料反應(yīng)的，所以普查6 所變電站時，發(fā)生堿-骨料反應(yīng)的只有舟山110kV 漁花變電站設(shè)備基礎(chǔ)（見圖5）。

圖5 堿-骨料反應(yīng)情況

5 結(jié)語

通過對6 所變電站混凝土結(jié)構(gòu)病害的調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，病害發(fā)生率極為普遍，尤其是已運行20 年以上的各個變電站，限于當(dāng)時的設(shè)計水平，未考慮到變電站這一特殊領(lǐng)域的混凝土構(gòu)架、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)的各類構(gòu)件對于耐久性的需求。因此，建議行業(yè)在設(shè)計變電站混凝土結(jié)構(gòu)時應(yīng)參考《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50467-2008）。此外，在設(shè)計時還應(yīng)考慮提高混凝土構(gòu)架、設(shè)備支架、設(shè)備基礎(chǔ)等抗?jié)B等級，對長期處于露天環(huán)境中的混凝土面層增設(shè)防水設(shè)計，使其能適應(yīng)潮濕環(huán)境，延長使用壽命。在施工時，應(yīng)重視施工質(zhì)量和工藝，保證混凝土保護層厚度達到設(shè)計要求，提高混凝土振搗質(zhì)量和密實度。

變電站混凝土結(jié)構(gòu)病害種類較多，表現(xiàn)形式各異，只有經(jīng)過大量實地勘察、取樣、科學(xué)分析，才能充分了解各類病害的成因，進而研究出混凝土結(jié)構(gòu)變電站病害的防治方法。面對可能出現(xiàn)的病害，從設(shè)計、原材料選取、施工質(zhì)量、定期檢測維護等方面入手，從源頭預(yù)防變電站混凝土結(jié)構(gòu)病害；面對變電站混凝土結(jié)構(gòu)已發(fā)生的各類病害，采取相對應(yīng)的技術(shù)及時治理，從而保障整個變電站安全、穩(wěn)定運行。