輸變電系統(tǒng)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化及其危害

王 斌,于金山,吳 東,賀 春,趙 鵬,張俊喜

(1.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010； 2.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；3.上海電力大學(xué)電力材料防護與先進材料上海市重點實驗室，上海 200090)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力強、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工性好等優(yōu)點，在許多工業(yè)設(shè)施和民用建筑中廣泛應(yīng)用。然而，隨著服役時間的增長和服役環(huán)境的惡化，在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劣化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，己成為一種災(zāi)害。由于受大氣中酸性氣體和土壤中侵蝕性物質(zhì)(如二氧化碳，工業(yè)排放氣體、氯化物和硫酸鹽等)的作用，混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生銹蝕，混凝土保護層出現(xiàn)脹裂、剝落等現(xiàn)象，這類現(xiàn)象已成為影響全球鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞給世界各國造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和社會影響。Meltla教授在20世紀(jì)90年代就指出，當(dāng)今全球鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞因素按嚴(yán)重性來排序的話，鋼筋腐蝕排在首位[1]。工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展使水、土壤、大氣環(huán)境的污染日益嚴(yán)重，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題被廣泛關(guān)注，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境中受侵蝕性物質(zhì)作用而發(fā)生破壞的各種事故、災(zāi)難不斷出現(xiàn)。

我國電力工程中使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已有半個世紀(jì)之久[2-3]。高壓輸變電網(wǎng)架中大量使用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比具有投資少、耐腐蝕等優(yōu)勢。但是，其長期暴露在自然環(huán)境中，受到大氣和土壤環(huán)境中侵蝕性物質(zhì)的作用以及各種外部和內(nèi)部的力的作用。隨著服役時間的延長，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)容易發(fā)生碳化、侵蝕，出現(xiàn)橫向、縱向、網(wǎng)狀裂縫和內(nèi)部鋼筋銹蝕等劣化現(xiàn)象。處于沿海及鹽漬土地區(qū)和工業(yè)區(qū)等惡劣環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即便設(shè)計合理、施工規(guī)范，如不采取相應(yīng)的防護措施，其耐久性也會由于服役環(huán)境中各種侵蝕性物質(zhì)的作用而降低，服役壽命大幅低于預(yù)期壽命。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破損后，其承載力明顯降低且疲勞性能減弱，服役壽命縮短，這嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全，給電網(wǎng)運行帶來較大隱患[4]。

本工作結(jié)合在役輸變電系統(tǒng)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的劣化現(xiàn)象，從服役環(huán)境特征和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特征入手，分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化特征和可能產(chǎn)生的危害，為輸變電系統(tǒng)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的運維提供支持。

1 輸電系統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化及危害

架空電力線路是最常見的電能傳輸設(shè)施，具有施工時間短、適用范圍廣、成本低、載流量大、故障查找容易等特點，已成為電力系統(tǒng)長距離輸電的主要形式。但架空電力線路主要輸電部件長期暴露于野外環(huán)境中，導(dǎo)線、桿塔、絕緣子以及電力線路桿塔基礎(chǔ)(塔基)等直接與空氣和土壤接觸，容易遭受侵蝕性物質(zhì)的作用，出現(xiàn)故障的幾率較高。其中，作為輸電系統(tǒng)中基礎(chǔ)部件的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在服役過程中與大氣和土壤環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)交互作用，使得混凝土和鋼筋的組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能發(fā)生劣化。

1.1 塔基

目前，塔基普遍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其強度大、剛性強，能夠支撐輸電線路中桿塔的搭設(shè)。塔基需承受的荷載來自多方面，如桿塔自重、各種設(shè)備的重量、風(fēng)力振動等，且受多種變形因素的影響，如外界溫度變化、受力不均、材料收縮或徐變等。塔基需要保證桿塔在正常服役過程中不出現(xiàn)沉降、開裂等現(xiàn)象，從而保證輸電線路整體的功能性和可靠性，同時它還需要確保在受到外力作用之后不會發(fā)生形變從而導(dǎo)致桿塔工作異常[5-6]。因此，鋼筋混凝土的塔基是關(guān)系到輸電線路安全運行的重要部件。

目前，塔基存在的問題主要包括兩個方面：一方面是由于設(shè)計和施工不合理導(dǎo)致塔基出現(xiàn)缺陷；另一方面則是由于服役環(huán)境和工況的影響使塔基產(chǎn)生劣化。這些都會影響到鋼筋混凝土塔基后續(xù)的服役性能。

1.1.1 施工和設(shè)計引起的塔基缺陷

1.1.1.1 案例一

2019年6月，某電力公司輸電運檢分中心發(fā)現(xiàn)某1 000 kV線路Ⅱ線212號塔基立柱存在明顯裂縫。該塔基頂部裂縫呈放射狀，從保護帽內(nèi)部向表面延伸，裂縫分布比較均勻。桿塔A腿塔基為開挖板式基礎(chǔ)，其4個側(cè)立面有12條裂縫。其中一條裂縫較為嚴(yán)重，該裂縫從側(cè)面延伸至頂面以下1.5 m處，其余裂縫延伸較淺，如圖1所示。

圖1 桿塔A腿塔基裂縫位置Fig.1 Crack location in substructure of leg A of a pylon

該段電力線路位于沙漠腹地，由于交通條件較差且距離攪拌站較遠(約80 km)，混凝土拌合物需要經(jīng)過2～3 h運輸才能到達澆灌現(xiàn)場，因此混凝土拌合物的質(zhì)量難以保證，容易產(chǎn)生離析、凝固等問題。入模混凝土材料配合比不當(dāng)、骨料(砂子)級配和規(guī)格不符合要求、基礎(chǔ)細骨料粒徑偏小、水泥含量較高，都會使塔基易產(chǎn)生收縮裂紋。另外，養(yǎng)護不當(dāng)如灑水保濕不及時、溫度過低或過高、成品保護不到位等均會導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生收縮裂縫，也會影響水泥水化從而導(dǎo)致混凝土強度降低。

1.1.1.2 案例二

某電力公司在現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)某110 kV變電站附近輸電線路鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護帽呈蜂窩狀、無排水傾角，如圖2所示。經(jīng)檢測，該鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度等級為C8，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。根據(jù)GB/T 50476-2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，素混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足混凝土耐久性要求的最低強度等級，一般環(huán)境中應(yīng)不低于C15。混凝土結(jié)構(gòu)強度測試可排查保護帽內(nèi)是否存在嚴(yán)重的缺陷如內(nèi)部摻土、大量石塊孔洞等；無排水傾角會導(dǎo)致保護帽上表面積水，加快塔腳鋼材在混凝土與大氣界面處的腐蝕。劣質(zhì)保護帽不能對地腳螺栓、塔腳起到保護作用，使塔腳易發(fā)生腐蝕、減薄現(xiàn)象，甚至發(fā)生倒塔事故，嚴(yán)重影響電力安全。

1.1.1.3 案例三

500 kV斗黃Ⅱ回路為1998年設(shè)計施工，1999年投運。在對其巡視時發(fā)現(xiàn)，服役15 a的5268斗熟線 44號桿塔4個腿的基礎(chǔ)均出現(xiàn)不同程度的開裂。其中，1號腿基礎(chǔ)開裂最嚴(yán)重，見圖3(a)，裂縫寬度達到4 cm，裂縫沿立柱方向呈豎向分布。對1號腿基礎(chǔ)立柱進行開挖，查看其4個面，發(fā)現(xiàn)縱向裂縫向底板方向延伸，長度約110 cm，但底板沒有出現(xiàn)裂縫。從立柱上裂縫的開裂方向可知，裂縫主要出現(xiàn)在保護帽部位，自主材外側(cè)的加筋板開始沿水平和垂直方向呈45°方向發(fā)展，一直到立柱的頂面向外側(cè)。2號腿基礎(chǔ)外側(cè)主筋因混凝土開裂已經(jīng)外露，箍筋銹蝕較嚴(yán)重，立柱外側(cè)露出的主筋距頂面有10 cm，與混凝土之間發(fā)生滑移，見圖3(b)[8-9]。

圖2 塔基保護帽的現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Photo of protective cap for substructure from the scene

(a) 1號腿基礎(chǔ)(b) 2號腿基礎(chǔ)圖3 44號桿塔塔基現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Photos of substructure of pylon No.44 from the scene: (a) substructure of leg No.1; (2) substructure of leg No.2

經(jīng)檢查，脫落的混凝土塊顏色呈灰白色，比重小、強度低，表明混凝土中膠砂比較少，且發(fā)現(xiàn)引入的石子中有部分石灰石。骨料中的石灰石可促進堿骨料反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土膨脹、開裂。基礎(chǔ)帶著裂縫工作，在荷載作用下，隨著時間延長，裂縫進一步發(fā)展。

在電力線路桿塔基礎(chǔ)建設(shè)中要注重施工質(zhì)量監(jiān)控，避免形成結(jié)構(gòu)隱患，需嚴(yán)格按設(shè)計規(guī)范和施工驗收規(guī)范進行施工，嚴(yán)格執(zhí)行GB 50164-2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn) 》規(guī)定的質(zhì)量控制要求，包括初步控制、生產(chǎn)控制和合格控制。基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求，硬化前的混凝土應(yīng)有合格的可施工性，在輸運、澆筑等環(huán)節(jié)滿足施工要求；硬化后的混凝土應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，確保在荷載、環(huán)境侵蝕作用等方面達到相應(yīng)指標(biāo)。在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制施工條件，遵守施工規(guī)范。在服役過程中，做好檢查、維護，避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中發(fā)生劣化等。

1.1.2 服役環(huán)境引起的塔基劣化

1.1.2.1 案例一

河北省電力部門對沿海地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電力線路塔基的耐久性現(xiàn)狀開展了調(diào)研。從調(diào)研整體情況看，沿海地區(qū)輸電線路塔基劣化的主要特征是表面存在裂縫。混凝土表面的劣化按劣化程度由弱到強主要包括表面裂紋、貫穿性裂縫或順筋開裂、混凝土保護層脫落等。部分塔基表面出現(xiàn)了保護層脫落，內(nèi)部的鋼筋外露，鋼筋呈銹蝕狀態(tài)[10]，如圖4所示。

(a) 表面裂縫 (b) 內(nèi)部銹蝕鋼筋 圖4 35 kV港長線某塔基Fig.4 Substructure of 35 kV Gangchang line: (a) cracks in surface; (b) corrosion of inner rebars

根據(jù)GB 50021—2001(2009版)《巖土工程勘察規(guī)范》可知，上述調(diào)研中現(xiàn)場取樣的試驗場地均屬于Ⅱ類場地。由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的腐蝕性評價結(jié)果可知，河北沿海地區(qū)港長線、臨狼線和南灘線的取樣位置為強腐蝕，臨港線取樣位置屬于弱腐蝕，南黃線的取樣位置屬于微腐蝕。從調(diào)研結(jié)果來看，沿海地區(qū)輸電線路塔基受氯鹽侵蝕，劣化從鋼筋銹脹逐步演變?yōu)榛炷另樈铋_裂。服役時間越長，環(huán)境腐蝕性越強，塔基附近水位變化越劇烈，塔基混凝土及內(nèi)部鋼筋腐蝕越嚴(yán)重。

1.1.2.1 案例二

總長70 km的漯淮線(漯河-淮陽)220 kV高壓輸電線路中有72座輸電鐵塔。在2000年巡檢時發(fā)現(xiàn)：服役15 a的26號鐵塔塔基中有大量裂縫，寬度最大達3.2 mm，5個月后再檢時裂縫寬度已增加到4.5 mm，裂紋深度最大可達400 mm；其他塔基中也存在類似裂紋[11]。分析結(jié)果表明，這些裂縫是由堿集料反應(yīng)所致。堿集料反應(yīng)會導(dǎo)致集料周圍體積膨脹、開裂，鋼筋混凝土強度降低甚至完全失效。鋼筋混凝土中的堿集料反應(yīng)需要水、活性集料和較強的堿性介質(zhì)，三者缺一不可[12]。服役環(huán)境中的水可以沿著塔基混凝土表面的裂縫進入內(nèi)部，且混凝土中堿含量高，混凝土中的集料具有反應(yīng)活性。這樣混凝土中堿組分與石英集料發(fā)生堿集料反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)狀裂紋和微裂縫。同時，通過檢測發(fā)現(xiàn)服役區(qū)域的土壤、地下水中SO42-含量較高，硫酸鹽會與混凝土中的水化產(chǎn)物反應(yīng)生鈣釩石、硫酸鈣，產(chǎn)生膨脹破壞。另外，裂紋的存在使大氣中酸性物質(zhì)容易到達混凝土內(nèi)部而發(fā)生碳化作用。從檢測結(jié)果來看，混凝土中的碳化深度已達鋼筋表面，使得鋼筋出現(xiàn)銹蝕，腐蝕產(chǎn)物的膨脹又促進了混凝土中裂縫的形成和發(fā)展。

1.1.3 接地工況引起的塔基劣化

目前，有許多關(guān)于利用鋼筋混凝土塔基作為接地裝置的報道[13-17]。利用塔基中的鋼筋作為接地體等效于外包混凝土的垂直接地裝置，能夠立體地分散雷電流等沖擊電流。這種接地體的表面積要比水平敷設(shè)的接地體大得多，且隨服役時間增長，結(jié)構(gòu)中混凝土的電阻率也將明顯減小，并趨近一個飽和值。這時混凝土的電阻率小于200 Ω·m。在含水量較多的土壤中，混凝土的電阻率可降至25～45 Ω·m，散流效果更好[18]。JGJ/T 16-2016《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第12.9.8條也給出了“鋼筋混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋宜作為接地裝置”的建議。

從電氣角度而言，利用塔基作為接地體可以改善輸電線路的接地效果，也可以有效解決空間受限時的接地要求。但是，從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性來看，用塔基中的鋼筋作為接地體會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生顯著影響。作為桿塔接地體，其主要作用是安全接地和防雷接地。在正常的輸電工況下，地線受線路感應(yīng)作用，會產(chǎn)生一定大小的感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流會通過接地體流向大地。而在這個過程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋作為接地體就會與大地形成電流回路，鋼筋與鋼筋/混凝土界面的孔隙液就構(gòu)成一個電解池。當(dāng)感應(yīng)電流通過時，鋼筋就會發(fā)生電解腐蝕。隨著時間的延長，由于電解腐蝕，鋼筋截面積會減小，而且腐蝕產(chǎn)物膨脹也會引發(fā)混凝土保護層開裂，最終會導(dǎo)致塔基性能劣化。作為防雷接地體，當(dāng)遭受雷擊時，混凝土中的鋼筋會通過大電流排流。當(dāng)鋼筋流過大電流時，會發(fā)熱，使混凝土和鋼筋的結(jié)合力顯著減小，這也會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生不利影響。

目前，關(guān)于接地工況下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化還未見報道。但是在地鐵系統(tǒng)中關(guān)于雜散電流對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響的研究結(jié)果表明，雜散電流對周邊的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有顯著的影響。隨著地鐵運營時間的增加，由于受到列車荷載反復(fù)作用、潮濕環(huán)境中水和侵蝕性離子日益滲透等影響，地鐵系統(tǒng)中的軌、地先期防護措施失效,絕緣性能降低，使列車在啟動和運行時泄漏的雜散電流遠超設(shè)計允許范圍。北京地鐵一期工程在投入運行幾年后，主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋就出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕，這主要是由于地鐵運行時產(chǎn)生的150～220 A雜散電流作用導(dǎo)致的。同時，隧道內(nèi)水管出現(xiàn)腐蝕穿孔54處，周圍金屬管網(wǎng)的腐蝕也明顯加快。天津地鐵、深圳地鐵也存在類似情況[19]；香港也發(fā)生過因地鐵雜散電流引起煤氣管道腐蝕穿孔從而導(dǎo)致煤氣泄漏的事故[20]；英國、美國、日本等國的直流牽引回流系統(tǒng)也存在雜散電流泄漏腐蝕問題[21-22]。

BERTOLINI等[23]的研究表明，在交流電和直流電模擬加速腐蝕條件下，氯離子的存在使混凝土中鋼筋的雜散電流腐蝕加速。MASUDA[24]，周曉軍等[25]也研究了雜散電流對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的作用，以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕后的耐久性能特征。大量研究表明，在雜散電流與氯離子耦合作用下，鋼筋混凝土中鋼筋加速腐蝕，導(dǎo)致混凝土抗壓強度和彈性模量的劣化加速[26-27]。在水泥石中，鈍化狀態(tài)的氯離子會在雜散電流作用下轉(zhuǎn)化成活性的氯離子[28-29]。

因此，如果利用鋼筋混凝土塔基作為接地體，應(yīng)保證鋼筋和混凝土配筋層的熱穩(wěn)定性，此外還應(yīng)保證鋼筋的化學(xué)穩(wěn)定性。當(dāng)從鋼筋表面流出的電流密度超過允許值時，塔基表面的防護層會加速老化，滲透性增強，同時混凝土中鋼筋電化學(xué)腐蝕加速，從而降低塔基的使用壽命。前蘇聯(lián)針對混凝土中鋼筋流出的電流密度提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)：雷電流時，電流密度小于30 kA/m2；短路電流時(連續(xù)時間為3 s以下)，電流密度小于1 kA/m2；連續(xù)的50 Hz交流電時，電流密度小于1 A/m2；持續(xù)的直流及整流電流時，電流密度小于0.06 A/m2[30]。為能保證鋼筋表面流出的電流密度降低到安全值以下，施工時要求單個塔基中的鋼筋均實現(xiàn)金屬性連接。

1.2 桿塔

1.2.1 服役大氣和土壤環(huán)境引起的桿塔劣化

鋼筋混凝土桿塔主要由主桿、叉梁、拉線及橫擔(dān)等組成。主桿有等徑和錐形(撥梢)2種。叉梁的主要作用是加強兩主桿之間的聯(lián)系，以抵抗線路受到的橫向荷載、振動和風(fēng)擺。橫擔(dān)主要用于支撐導(dǎo)線和傳遞來自導(dǎo)線的荷載。在一些地勢較為平緩的平原地區(qū)，可以優(yōu)先考慮鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土兩種桿塔設(shè)計[31]。

桿塔長期服役在野外環(huán)境中，與大氣、土壤中的侵蝕性物質(zhì)發(fā)生作用，導(dǎo)致混凝土保護層的組成發(fā)生變化。在大氣環(huán)境中，CO2或酸雨的作用使得混凝土保護層內(nèi)部的堿性降低，鋼筋表面鈍化層的穩(wěn)定性遭到破壞，使得鋼筋發(fā)生銹蝕，腐蝕產(chǎn)物膨脹也會使混凝土產(chǎn)生應(yīng)力開裂，導(dǎo)致桿塔的強度降低。

1.2.1.1 案例一

包頭供電局所管轄的包白Ⅰ回(沙河變-白云變)自1958年10月投運，線路已經(jīng)運行49 a。巴麻線1～311號(原烏麻線1～485號)于1973年10月投運，線路已經(jīng)運行34 a。這兩條線路主要是以帶鋼筋混凝土叉梁的鋼筋混凝土桿塔為主，由于多年的運行，加上兩條線路位于多風(fēng)的高寒地段，大多數(shù)桿塔桿身已發(fā)生開裂變形，如圖5所示。

圖5 包白Ⅰ回、巴麻線混凝土桿的劣化情況Fig.5 Deterioration of concrete poles in Baobai line I and Bama line

桿塔的破損形態(tài)有以下特征。(1) 桿段產(chǎn)生縱向裂紋問題較為普遍,也最為突出。混凝土桿縱向開裂，且發(fā)生在桿的各個部位，縱向裂紋寬度一般為0.1～10 mm，裂縫長度從0.3 m到桿段全長不等。(2) 桿段上還有部分環(huán)向或沿四周環(huán)向裂紋，這些現(xiàn)象一般發(fā)生在下中段。(3) 桿段普遍出現(xiàn)老化、碳化、腐蝕、材質(zhì)疏松變色，強度下降等現(xiàn)象。靠近地面、地表以下的部位破損最為嚴(yán)重，出現(xiàn)大小不等的塊狀剝落、空鼓及主鋼筋、箍筋嚴(yán)重銹蝕等現(xiàn)象，但凍土層以下的部位一般都完好無損。在北方嚴(yán)寒地區(qū)，則會由于凍融作用破壞混凝土保護層的致密性。在低溫環(huán)境下，混凝土中的孔隙液結(jié)冰膨脹，氣溫升高時結(jié)冰融化。隨著季節(jié)更替，混凝土結(jié)構(gòu)不斷經(jīng)受凍融循環(huán)，使得混凝土逐漸發(fā)生粉化、剝落等現(xiàn)象。

1.2.1.2 案例二

格爾木市至察爾汗鉀肥廠之間的35 kV供電線路，使用不到一年即因鋼筋銹蝕，電桿產(chǎn)生縱向裂縫，如圖6所示，并逐年加劇，2～3 a后報廢。在中性土壤中鋼筋混凝土桿塔比較穩(wěn)定，而在濱海環(huán)境或鹽漬土環(huán)境中，鋼筋混凝土桿塔會受到土壤中腐蝕性物質(zhì)的作用，如硫酸鹽侵蝕和氯離子侵蝕，從而發(fā)生混凝土層破壞或鋼筋銹蝕。在濱海環(huán)境或鹽漬土環(huán)境中，鋼筋混凝土桿靠近地面部位的腐蝕、破損較為嚴(yán)重，桿塔下部出現(xiàn)大小不等的塊狀剝落、空鼓，及主鋼筋、箍筋嚴(yán)重銹蝕等現(xiàn)象。

圖6 格爾木地區(qū)供電線路混凝土桿的劣化情況Fig.6 Deterioration of concrete poles in Germu power supply line

一般情況下，沿海地區(qū)鹽堿性土壤中氯離子含量較多，環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土桿塔主要受氯離子侵蝕的危害，當(dāng)鋼筋表面氯離子含量較高時，鋼筋表面的保護層遭到破壞，進而促進鋼筋進一步腐蝕，腐蝕后的鋼筋體積發(fā)生膨脹，使電桿的混凝土層開裂、剝落，造成電桿的壽命縮短，威脅架空電力線路的安全運行[32-33]。在鹽漬土環(huán)境中，硫酸鹽對混凝土的腐蝕主要是由于SO42-與水泥中的Ca2+產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鈣以及硫酸鈣結(jié)晶，體積發(fā)生膨脹，造成混凝土酥化[34-35]。這種情況嚴(yán)重時將造成桿塔折斷、架空電力線路傾覆的后果。

根據(jù)GB/T 50476-2019《混凝土耐久性規(guī)范》和GB/T 50046-2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)要求，對于鹽漬土強腐蝕地區(qū)的基礎(chǔ)，設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則：(1) 根據(jù)土壤中SO42-和Cl-的含量，在基礎(chǔ)混凝土中加入耐腐蝕材料；(2) 根據(jù)耐久性要求增加混凝土的腐蝕余量即增加混凝土標(biāo)號以及鋼筋保護層厚度；(3) 在基礎(chǔ)表面涂刷防腐蝕涂層。

1.2.2 外力作用引起的桿塔劣化

鋼筋混凝土桿塔出現(xiàn)劣化的另一個原因是外力作用[36-37]。轉(zhuǎn)角桿塔的裂縫往往發(fā)生在下段受壓一側(cè)，由“竹裂效應(yīng)”(軸向抗拉強度遠大于環(huán)向拉抗強度的結(jié)構(gòu)所共有的力學(xué)破壞特征)導(dǎo)致縱向開裂、鼓包；直線桿塔受“鞭梢效應(yīng)”和“竹裂效應(yīng)”，桿塔的下部側(cè)位產(chǎn)生縱向初裂，還有部分桿塔在下中段位置出現(xiàn)環(huán)向裂紋。鋼筋混凝土桿塔產(chǎn)生環(huán)向開裂的原因是塔根彎矩過大，在受拉側(cè)常常產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破損裂縫；在風(fēng)振及風(fēng)擺的作用下，桿塔側(cè)面部位也會出現(xiàn)環(huán)向破損裂縫。

鋼筋混凝土桿塔劣化的原因還包括桿段混凝土保護層偏薄、主筋和箍筋靠近外表面等， 加上混凝土碳化、鋼筋腐蝕及腐蝕產(chǎn)物膨脹、保護層開裂三種因素的相互影響，使得桿塔劣化過程惡性循環(huán)，最終桿塔加速劣化，服役壽命遠低于設(shè)計壽命。

對于架空輸電線路而言，各個鋼筋混凝土部件的狀態(tài)評價可依據(jù)國家電網(wǎng)公司頒發(fā)的《110 (66) kV～500 kV架空輸電線路評價標(biāo)準(zhǔn)(試行)》和南方電網(wǎng)公司頒發(fā)的《輸變電設(shè)備狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)》進行。鋼筋混凝土桿塔的良好狀態(tài)包括：鋼筋混凝土桿塔保護層無腐蝕脫落、無鋼筋外露現(xiàn)象，或鋼筋混凝土桿塔保護層有輕微腐蝕但無脫落、無鋼筋外露現(xiàn)象；桿塔無裂紋或裂紋寬度不超過0.2 mm。鋼筋混凝土桿塔的注意狀態(tài)包括：鋼筋混凝土桿塔保護層有腐蝕、輕微脫落，但無鋼筋外露現(xiàn)象；桿塔裂紋寬度接近或達到0.2mm。鋼筋混凝土桿塔的不良狀態(tài)包括：鋼筋混凝土桿塔保護層有嚴(yán)重腐蝕、脫落或出現(xiàn)鋼筋外露現(xiàn)象；桿塔裂紋寬度超過0.2 mm。

2 變電站鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化與危害

變電站有許多基礎(chǔ)設(shè)施均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括構(gòu)架、支架平臺、變壓器油坑和事故油池、電纜溝道以及其他鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(三通一平，圍墻、道路)等。變電站鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期在室外服役，在大氣、土壤以及變電站特有的電磁環(huán)境作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加速劣化。

2.1 大氣和土壤環(huán)境引起的劣化

在潮濕、雨霧、工業(yè)污染氣氛、沿海氯離子侵蝕、應(yīng)力等服役環(huán)境和服役工況的作用下，變電站鋼筋混凝土構(gòu)架普遍存在混凝土碳化深度大，鋼筋銹蝕，保護層脹裂、剝落，鋼筋外露等劣化現(xiàn)象。其中，牛腿、爬梯等部位的劣化一般會比較嚴(yán)重。劣化會降低構(gòu)架的可靠性、安全性，縮短構(gòu)架的服役壽命。

2014年南網(wǎng)廣東電力公司對所屬變電站的鋼筋混凝土構(gòu)架進行了專項檢查，發(fā)現(xiàn)湛江、茂名、江門、中山、廣州、深圳等地的變電站戶外構(gòu)支架普遍存在嚴(yán)重腐蝕[38-39]。深圳地區(qū)諸如梅林、西鄉(xiāng)、水貝、簡龍、龍?zhí)痢⑵荷健⒐鞯茸冸娬?0%的戶外構(gòu)支架在運行6 a以后發(fā)生了明顯的劣化現(xiàn)象，如圖7所示。這些變電站戶外構(gòu)支架的劣化包括混凝土表層的裂縫、鋼筋銹蝕、脹裂、剝落等：裂縫寬度在3～300 mm；局部鼓脹面積達30～50 cm2，隆起高度3～5 mm；混凝土剝落面積一般為70 mm×200 mm，嚴(yán)重的達120 mm×350 mm；鋼筋銹蝕嚴(yán)重，保護層脫落長度達200～350 mm，鋼筋總強度損耗達10%～15%。這些劣化現(xiàn)象已經(jīng)嚴(yán)重影響到變電站的正常操作和安全運行。

(a) 縱裂縫(b) 橫裂縫圖7 變電站鋼筋混凝土構(gòu)架上的裂縫Fig.7 Cracks in concrete frame of substation: (a) longitudinal cracks; (b) transversal cracks

圖8(a)為茂名泥喬變電站的混凝土保護層脹裂脫落情形。混凝土保護層脹裂脫落將逐步降低其對鋼筋的保護能力，甚至造成鋼筋外露、銹蝕，進一步劣化鋼筋混凝土的性能。圖8(b)為大涌變電站鋼筋銹蝕情形。它將造成鋼筋截面減小、混凝土出現(xiàn)銹脹裂縫、鋼筋的黏結(jié)錨固性能下降等問題，直接導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件承載力顯著降低。

廣西地區(qū)電力部門在對變電站混凝土結(jié)構(gòu)進行檢查時，發(fā)現(xiàn)在河池、百色等有色金屬礦區(qū)附近的變電站鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。變電站支架的橫梁、牛腿等部位出現(xiàn)開裂、剝落現(xiàn)象，沿著開裂部位還有大量的細裂紋。

變電站鋼筋混凝土構(gòu)架橫梁主要用于懸掛絕緣子和導(dǎo)線。在力學(xué)和化學(xué)作用下，構(gòu)架掛鉤懸掛點附近的混凝土保護層出現(xiàn)開裂、剝落，導(dǎo)致掛鉤與構(gòu)架橫梁之間連接的安全性和可靠性降低，甚至發(fā)生掛鉤失效脫落，造成絕緣子和導(dǎo)線脫落的現(xiàn)象，影響變電站安全運行。絕緣子吊環(huán)和避雷針與構(gòu)架連接處損傷破損也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化、承載力下降，嚴(yán)重時可引發(fā)高壓線掉落等重大電力安全事故，危及整個電網(wǎng)的安全運行。

(a) 保護層脹裂剝落(b) 鋼筋銹蝕 圖8 變電站混凝土保護層脹裂剝落和鋼筋銹蝕Fig.8 Cracking and spalling of concrete cover (a) and rusting of rebar (b) in substation

2.2 變電站電磁環(huán)境引起的劣化

電磁場環(huán)境作用會使變電站的鋼筋混凝土構(gòu)架出現(xiàn)不同程度的老化，一些構(gòu)架表面混凝土還會發(fā)生碳化、開裂剝落，鋼筋銹蝕外露等劣化現(xiàn)象。

在變電站的輸電系統(tǒng)中，高壓電纜是由鋼筋混凝土構(gòu)架架立懸空的。隨著服役時間的延長，由于絕緣老化、導(dǎo)電粉塵、油污吸附、雨雪潮濕等原因，絕緣子有泄漏電流產(chǎn)生，當(dāng)絕緣子損傷發(fā)展到一定程度，有貫穿性擊穿電流產(chǎn)生，即產(chǎn)生了雜散電流[40]。這樣在輸電導(dǎo)線、鋼筋混凝土支撐構(gòu)件系統(tǒng)和大地間就形成了電流回路，產(chǎn)生導(dǎo)入地面的雜散電流。變電站中發(fā)生的電流泄漏通常是不對稱泄漏，泄漏電流的波形畸變。泄漏電流對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的雜散電流腐蝕，加速構(gòu)件中鋼筋腐蝕，導(dǎo)致混凝土構(gòu)架的性能劣化，降低供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性[41-42]。

鋼筋的雜散電流腐蝕與氯離子作用下的腐蝕，本質(zhì)上均屬于電化學(xué)腐蝕。但是雜散電流腐蝕比氯離子引發(fā)的電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重得多[43]。雜散電流在混凝土內(nèi)部形成的電磁場可使氯離子的存在形式發(fā)生改變，并加速氯離子向鋼筋表面遷移。同時，氯離子的存在會降低混凝土的阻抗，加速雜散電流對鋼筋的銹蝕作用，且二者之間存在相互促進的作用[23,44]。

變電站的電磁環(huán)境還可能改變周邊大氣環(huán)境的組成，進而對變電站服役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生影響。董曼玲等[45]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在變電站使用的同批次電桿均發(fā)生不同程度的腐蝕，而在送電線路中使用的相同批次的電桿則幾乎沒有腐蝕。該地區(qū)變電站電壓在110～220 kV，存在電力容器絕緣、電纜絕緣、電力變壓器、高壓電器油紙絕緣、電機絕緣等的局部放電。以上局部放電行為改變了變電站局部環(huán)境的磁場，導(dǎo)致空氣中的氮和氧起化學(xué)反應(yīng)，如遇潮濕空氣、雨天，會加劇腐蝕鋼筋。

3 結(jié)論

輸電線路是電力能源輸送的重要載體，輸電線路的安全運行是確保電力能源的正常輸送與分配的基礎(chǔ)。隨著我國的輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓展，輸電線路不可避免地會遇到各種極端惡劣的服役環(huán)境，尤其是在沿海地區(qū)和鹽漬土地區(qū)。在這些復(fù)雜的服役環(huán)境中，輸變電系統(tǒng)中鋼筋混凝土的組分由于受到大氣與土壤環(huán)境中侵蝕性物質(zhì)作用而發(fā)生變化，同時鋼筋混凝土還受到力學(xué)和電磁場的作用。在這些因素的交互作用下，輸變電系統(tǒng)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化加速，結(jié)構(gòu)的性能降低，給輸變電系統(tǒng)的安全帶來隱患。目前，關(guān)于鋼筋混凝土的腐蝕已引起了管理部門的重視，研究人員也開展了一系列的研究，提出了許多相應(yīng)的防護措施。但在輸變電系統(tǒng)特殊服役環(huán)境中針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化及防護措施的研究還有待進一步深入，以提升鋼筋混凝土的服役能力。