Durability study and analysis on pile foundation concrete in power transmission project

Architectural Engineering August 2014, Volume 2, Issue 3, PP.57-62

Durability Study and Analysis on Pile Foundation Concrete in Power Transmission Project Lingling Zhang 1, Jing Zhang 1#, Ling Zhang 2 1. Department of Civil Engineering, School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an Shaanxi 710049, China 2. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi’an Jiaotong University, Xi’an Shaanxi 710049, China #

Email: 1824709581@qq.com

Abstract The pile foundation’s durability in power transmission project was studied through a series of corrosion resistant experiments in highly-corrosive region. During the study, the factors of different concrete strength grade and combined admixture were involved.

The study indicates that the concrete specimens with strength class of C30 and C40, which is made of ordinary Portland cement 42.5, combined admixture of fly-ash and slag, low water binder ratio, have better corrosion-resistant capabilities. And the corrosion-resistance capabilities of concrete C40 are slightly better than that of concrete C30. But in consideration of construction technology and economic, pile foundation made of concrete C30 can be used in power transmission project of highly-corrosive region.

Keywords: Strength Grade; Power Transmission; Pile Foundation; Durability

输变电工程桩基础混凝土的耐久性研究及分析 张玲玲 1，张靖 1，张陵 2 1.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院土木工程系，陕西 西安 710049 2.西安交通大学 机械强度与振动国家重点实验室，陕西 西安 710049 摘

要：通过一系列耐腐蚀试验，来研究强腐蚀地区混凝土强度等级及矿物掺合料对输变电工程灌注桩基础耐久性能的

影响。研究表明，采用普通硅酸盐 42.5 水泥、复掺粉煤灰与磨细矿渣粉、低水胶比配置的强度等级为 C30、C40 的混凝 土试件，其耐腐蚀性能均较好；C40 混凝土较 C30 混凝土抗腐蚀能力稍强。但从施工技术及经济等因素综合考虑，在实 际强腐蚀地区输变电工程中可采用 C30 混凝土灌注桩基础。 关键词：强度等级；输变电；灌注桩基础；耐久性

前言 实际工程经验表明，采用适当强度等级的高密实性混凝土，则有望通过混凝土本身就获得良好的耐腐蚀 效果。例如，处于盐渍土地区的京津塘高速公路某立交桥地下水 Cl-含量为 50400mg/L，SO42-含量为 3851mg/L， 属于强腐蚀环境，其地下灌注桩和桥墩采用以普硅水泥、高效引气减水剂、0.33～0.34 低水胶比配制的 C60 高强混凝土作为主要耐腐蚀技术路线。在使用 9 年后，混凝土表面完整如初[1]。高礼雄[2]用 40mm×40mm× 160mm 的棱柱体和 100mm×100mm×100mm 的立方体试件研究了水灰比分别为 0.6、0.4、0.3 的 C30、C50、 C70 混凝土在 10% Na2SO4 溶液浸泡后弯拉抗蚀系数和抗压抗蚀系数，结果表明，C30 混凝土在 6 个月侵蚀龄 期内达到破坏，而 C50 和 C70 混凝土在浸泡 8 个月以后，弯拉抗蚀系数仍大于 1.1、抗压抗蚀系数大于 0.8。 57 http://www.ivypub.org/AE

但配置高强度的混凝土对施工条件、材料等的要求较高，在某些实际工程中很难实现。如本项目所研究的西 北主网联网中某输变电工程灌注桩基础，以及具有相似腐蚀环境地区的混凝土桩基础，因受地域（多为郊外 及野外）和施工条件（无法购买商品混凝土，只能现场人工搅拌）的制约，使用高强度的桩基混凝土则不现 实。本研究旨在对野外工程易于实现的强度等级为 C30、C40 的混凝土耐久性能进行对比和分析，以对今后 此类工程提供参考。

1 试验简介 1.1 试验原材料及混凝土配合比编号 已有研究表明，矿物掺合料如粉煤灰及矿渣粉能适当提高混凝土的耐久性[3-7]，故本试验中混凝土均采用 西安市场占有率最大的秦岭牌普硅42.5水泥及两种矿物掺合料，掺量组合类型I为：复掺15%粉煤灰与25%磨 细矿渣粉、掺量组合类型II为：复掺20%粉煤灰与30%磨细矿渣粉。其中粉煤灰为Ⅱ级，矿渣粉为S95，砂采 用中砂，石子采用粒径为5mm～25mm卵/碎石，所有材料均到达相应的国家标准。 根据混凝土强度、矿物掺和料掺量组合，本次试验中混凝土配合比编号为：Q40-40、Q40-50、Q30- 40、 Q30-50，编号含义：第一个数字40、30分别表示配置的混凝土强度等级为C40、C30，第二个数字40、50分别 表示掺合料掺量为40%（I型） 、50%（II型） 。

1.2 耐腐蚀试验 本研究涉及到的耐腐蚀试验主要有：不同养护条件下的混凝土抗压强度试验；混凝土抗硫酸盐侵蚀试验、 抗冻性能试验(快冻法)及抗氯离子渗透试验(快速氯离子迁移系数法即RCM法、电通量法)；砂浆膨胀系数试 验 及 抗 折 强 度 抗 蚀 系 数 试 验 。 依 据 的 规 范 及 标 准 主 要 有 ：《 普 通 混 凝 土 力 学 性 能 试 验 方 法 标 准 》 （GB/T50081-2002） 、 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 （B/T50082-2009）、《混凝土抗硫酸 盐类侵蚀防腐剂》 （JC/T1011-2006）、《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）等[8-11]。 试验所用部分仪器及部分试件图片见图1～图6。

图1 RCM法及电通量法部分试件图

图2 抗硫酸盐侵蚀试验试件图

图3 抗冻性能试验部分试件图 58 http://www.ivypub.org/AE

图4 电通量法测试图

图5 清水及地下水养护中的试件图

图6 Q30-40混凝土试件RCM法中的劈裂、渗透深度及显色图

2 试验结果及分析 表 1 不同养护条件下混凝土试件抗压强度（MPa） 标准

编号

清水

地下水

7天

28 天

56 天

7天

28 天

56 天

7天

28 天

56 天

Q40-40

43.0

51.9

62.1

39.3

61.5

64.5

41.5

45.3

72.2

Q30-40

31.5

45.4

53.4

31.5

43.1

51.7

34.3

35.5

47.4

Q40-50

38.3

43.9

57.6

35.1

48.1

53.3

33.4

47.9

47.9

Q30-50

38.5

41.0

55.1

40.7

45.3

55.5

39.3

40.1

41.8

表 2 耐腐蚀试验结果

编号

抗硫酸 抗腐 盐等级 蚀等 (5% 级（地 Na2SO4） 下水）

RCM 法氯离 子抗渗 透性评 价

电通量 法氯离 子渗透 值评价

地下水

5% Na2SO4

地下水

5% Na2SO4

相对动 弹性模量

质量 损失率

砂浆膨胀系数 E

砂浆抗折强度抗蚀 系数

抗冻等级

Q40-40

120

150

F

低

1.198

1.195

1.04

0.99

F100

F100

Q40-50

120

60

E

很低

1.000

0.962

1.01

1.09

无效

F100

Q30-40

120

150

E

很低

1.110

1.110

1.14

1.13

F50

F100

Q30-50

90

150

E

低

1.000

1.000

1.13

1.26

F100

F100

注:1）抗冻等级下分为两列，分别表示混凝土试块以相对动弹性模量和质量损失率为评价指标得出的抗冻等级；

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2）“—”表示未进行此项目的测试； 3）RCM 法氯离子抗渗透性评价中“F”、“E”分别表示 28 天龄期氯离子扩散系数 DRCM 值分别﹤4×10-12m2/s、﹤5×10-12m2/s。

通过对以上一系列耐腐蚀试验结果进行分析、对比可以得到以下结论： 1）就不同养护条件下混凝土试件抗压强度结果可得出：随着养护时间的延长，腐蚀环境对混凝土的侵 蚀作用也越来越明显；强度等级高的混凝土因为水胶比小，内部结构比较密实，故抗环境侵蚀的能力也较强。 而且试验中混凝土试件在三种养护（标准养护、清水养护、地下水）条件下的28d抗压强度值均达到了设计 强度要求，且后期（56d）强度也有较大幅度的增长。 2）与C30混凝土相比，C40混凝土抗5%Na2SO4侵蚀的能力较强，而抗地下水侵蚀的能力则较低，原因在 于表中抗地下水耐蚀系数是以清水养护条件下的抗压强度为基准相比较得到的，而C40混凝土在清水养护条 件下强度增长较快，强度绝对值较大，从而分母较大，耐蚀系数较低。传统作法制作的混凝土试件（编号GK） 抗硫酸盐侵蚀的能力较弱。 3）两种方法（RCM法、电通量法）结果均表明， 所有配方的混凝土试件抗氯离子渗透的能力均比较理 想，均能满足工程耐久性要求。但用两种方法得到的评价结果都是C40混凝土抗氯离子侵蚀的能力稍强。 4）除一个配方的混凝土试件抗冻试验结果无效外，其余配方的混凝土试件抗冻等级均达到或超过F50， 有些甚至达到F100，说明抗冻性能均良好，都能满足工程抗冻性能要求，但两种抗冻性能指标——相对动弹 性模量和质量损失率有细微差别。 5）两种强度等级的混凝土砂浆耐久性能指标（砂浆膨胀系数与砂浆抗折强度抗蚀系数）均满足工程耐 久性要求，但有如下细微差别：就砂浆膨胀系数指标而言，当掺合料掺量较小时，C30混凝土抗侵蚀能力较 强，而当掺量较大时，强度等级对混凝土砂浆的抗腐蚀性能影响不大；就砂浆抗折强度抗蚀系数而言，C30 混凝土砂浆抗腐蚀性能较好。 综上所述，采用普通硅酸盐42.5水泥、复掺粉煤灰与磨细矿渣粉、低水胶比配置的强度等级为C30、C40 的混凝土试件，其耐腐蚀性能均较好，但C40混凝土较C30混凝土抗腐蚀能力稍强。

3 可行性分析 3.1 施工技术及现场条件 本项目研究成果主要应用于输变电杆塔的基础工程中，此类工程存在的主要问题是：1）现场地基土具 有较强的腐蚀性；2）气候恶劣，冬季温度低，一年四季温差较大；3）工程分布的地区广泛，面积较大，点多 且很分散，有的工程甚至延续上千公里；4）施工现场多远离城市（镇）及人口聚居区，因此无法购买商品混 凝土，只能现场人工搅拌。受施工工人的技术及现场施工条件、气候等原因的影响，混凝土质量很难保证。 而且传统作法配置的C25混凝土强度不高，综合耐腐蚀效果不是很理想，同时C40混凝土灌注桩基础对现 场的施工技术及条件要求比较高。 鉴于以上原因，本研究认为可以采用普通硅酸盐42.5水泥、复掺粉煤灰与磨细矿渣粉、低水胶比配置的 C30混凝土，其除了具有较好的基本力学性能及耐腐蚀性能外，在以下方面也具有明显的优势： 1）施工技术简单 C30混凝土的施工技术比较简单，不需要大型的机械设备，为保证混凝土的质量及密实性，可以采用小 型搅拌机现场搅拌，可操作性强。 2）材料购买方便 C30耐腐蚀混凝土除需要水泥、砂、石、水等普通混凝土所用的材料外，还需要粉煤灰与磨细矿渣粉。 而粉煤灰是以煤粉为燃料的火力发电厂排放的工业废料，磨细矿渣粉则是将矿石粉碎加工后的产物，均是目 前常见的材料，可根据工程施工地点就近购买。 3）配比容易 60 http://www.ivypub.org/AE

C30耐腐蚀混凝土的配比容易，不需要额外添加特殊材料，且各材料的用量完全可以根据实际用量现场 称量以保证配比的精度，最终保证混凝土的质量。 4）可现场搅拌 该类工程地点多为野外，很难购买商品混凝土，即便可以购买也因运输条件及时间等因素而很难实施， 因此一般需要现场搅拌。C30混凝土对现场搅拌的条件要求不高，普通工人经简单培训即可保质保量地熟练 操作。

3.2 经济性 以往常规耐腐蚀灌注桩混凝土通常采用高抗硫酸盐水泥加钢筋阻锈剂的技术路线，这种作法的成本较 高，原因在于： 1）高抗硫酸盐水泥价格高 高抗硫酸盐水泥非常用水泥，需求量小，需要专门的生产线生产，一般需与水泥厂协商定制，且高抗硫 酸盐水泥中加入的抗硫酸防腐剂的价格也较昂贵，由此决定了其价格远超过普通硅酸盐水泥。 2）添加剂价格高 传统耐腐蚀灌注桩混凝土中加入的钢筋阻锈剂价格较高，而本研究中的耐腐蚀混凝土则不需要添加钢筋 阻锈剂，只是在普通硅酸盐42.5水泥中复掺粉煤灰与磨细矿渣粉，并采用低水胶比而配制的，因此这种混凝 土较一般混凝土水泥用量要小很多。粉煤灰是火力发电厂排放的工业废料，因为是从废料回收加工的，故成 本很低，目前即使是品级最高的粉煤灰（I级），其价格也只是和填料中价格较低的、最低品级的重质碳酸钙 的价格相似；磨细矿渣粉是将矿石粉碎加工后的产物，其价格也低于普通水泥。 3）运输成本高 由于高抗硫酸盐水泥为特殊水泥，受购买厂家的限制，通常需要从特定厂家定制，因此材料的运输成本 不容忽视。而本研究中的耐腐蚀混凝土所需的各种材料运输成本则较低，如水泥、砂、石可就地取材，粉煤 灰与磨细矿渣粉均为普通材料，也可在当地或附近就近购买。

4 结论 通过以上因素综合分析，可以得到以下结论： 1）在混凝土中加入粉煤灰及磨细矿渣粉配制的耐腐蚀混凝土用在腐蚀地区灌注桩基础工程中是切实可 行的，不但能满足强度及耐久性能要求，而且施工方便、灵活，可操作性强，具有一定的经济性。而工业废 料粉煤灰和矿渣得利用，又达到了变废为宝的目的，符合国家节能减排的基本国策。 2）C40与C30混凝土都可以满足工程耐久性要求，而且强度等级对混凝土耐久性能有影响，但影响有限， 具体表现在C40混凝土抗腐蚀环境侵蚀的能力稍强。但与C30混凝土相比，无论在施工技术还是在经济等方面， C40混凝土都没有较大优势。因此综合考虑，在实际工程中可选择普通硅酸盐（P·O42.5）水泥复掺矿物掺 合料、低水胶比配置的C30混凝土。

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【作者简介】 张玲玲（1974- ） ，女，讲师，工学博士。1992.9-1999.4就读于西安交通大学建力学院，取得工民建本科和 结构工程硕士学位，1999.4-至今，任职于西安交通大学土木工程系，同时在职攻读西安交通大学航天航空 学院力学博士，于2011年9月取得博士学位。主要研究方向：新型结构体系与材料，FRP 材料在土木工程中 的应用，混凝土的耐腐蚀性研究。 Email: llzhang@mail.xjtu.edu.cn

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