楊　勃,安利強(qiáng),曹　蒙

(華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

輸電鐵塔基礎(chǔ)耐久性壽命預(yù)測及經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

楊勃,安利強(qiáng),曹蒙

(華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

摘要：以±800 kV特高壓直流哈鄭線甘3標(biāo)段高標(biāo)號抗腐蝕鐵塔基礎(chǔ)混凝土試點(diǎn)工程為背景，簡要介紹了美國Life-365使用壽命及全壽命周期成本預(yù)測模型，利用其計(jì)算了該工程氯鹽環(huán)境下某掏挖式鐵塔基礎(chǔ)耐久性壽命及初始建設(shè)和防腐成本。結(jié)果表明，該鐵塔基礎(chǔ)耐久性預(yù)測壽命滿足60年的使用要求，基礎(chǔ)混凝土中摻加阻銹劑是阻止或減緩鋼筋銹蝕最經(jīng)濟(jì)、最簡便且有效的措施，為氯鹽環(huán)境下高標(biāo)號鐵塔基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量和成本控制提供了參考。但考慮到阻銹劑的局限性及實(shí)際工程環(huán)境的復(fù)雜性，建議考慮基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和施工要求，基于Life-365模型編程求解最優(yōu)結(jié)果，促進(jìn)Life-365更切合實(shí)際地應(yīng)用于輸電鐵塔基礎(chǔ)的耐久性壽命及防腐經(jīng)濟(jì)性分析(初始建設(shè)和防腐成本的理論預(yù)測)。

關(guān)鍵詞：Life-365；輸電鐵塔基礎(chǔ)；耐久性壽命；防腐經(jīng)濟(jì)性評價(jià)；預(yù)測計(jì)算

中圖分類號：TM726.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.02.010

收稿日期：2015-01-17。

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金(E2013502291);國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(輸電線路鹽漬土及凍土設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(14ZD33)。

作者簡介：楊勃(1991-)，男，碩士研究生，主要從事輸電線路工程、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

當(dāng)前，輸電鐵塔混凝土基礎(chǔ)耐久性壽命設(shè)計(jì)、預(yù)測是電網(wǎng)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題[1]。著名專家梅塔(P.K.Mehta)教授在總結(jié)世界50年混凝土耐久性狀況時表示，鋼筋腐蝕是影響混凝土耐久性的首要因素[2]。2001年，梅塔教授又以“21世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)的耐久性”為名，發(fā)表了“氯鹽的作用是引起鋼筋腐蝕的主要因素”的觀點(diǎn)[3]。可以說，氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性失效破壞大量存在且非常嚴(yán)重，成為工程、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域?qū)W者和政府、企業(yè)共同關(guān)注的問題，與可持續(xù)發(fā)展緊密相關(guān)[4~6]。哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程(以下簡稱哈鄭線)是國網(wǎng)公司實(shí)現(xiàn)“疆電外送”的重要工程[6]，也是我國促進(jìn)西部大開發(fā)的戰(zhàn)略工程。由于線路經(jīng)過的新疆、甘肅和寧夏地段存在腐蝕環(huán)境，故在甘3和甘4標(biāo)段采用低堿水泥等材料配制C40抗腐蝕混凝土，加入粉煤灰、磨細(xì)礦渣等礦物摻合料，提高混凝土的抗腐蝕性；部分含氯離子強(qiáng)腐蝕地區(qū)的基礎(chǔ)混凝土添加鋼筋阻銹劑，用來提高混凝土中鋼筋的抗腐蝕性能；并對基礎(chǔ)表面采用高氯化聚乙烯樹脂(HCPE，High Chlorinated Polyethylene Resin)薄膜做防腐處理，要求施工用砂全部經(jīng)過水洗、復(fù)檢，嚴(yán)格控制澆筑、養(yǎng)護(hù)用水。其中，甘3標(biāo)段鐵塔全部位于強(qiáng)腐蝕地段，部分路段處于氯鹽環(huán)境。

本文即以甘3標(biāo)段氯鹽環(huán)境下某掏挖式基礎(chǔ)主柱為算例，利用Life-365計(jì)算其耐久性壽命及初始建設(shè)和防腐成本；并通過對比分析，結(jié)合工程對鐵塔基礎(chǔ)耐久性壽命及初始建設(shè)和防腐成本提出要求與展望，為氯鹽環(huán)境下高標(biāo)號基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量和防腐經(jīng)濟(jì)性評價(jià)(指初始建設(shè)和防腐成本的理論預(yù)測)提供參考。

1Life-365耐久性壽命及成本預(yù)測

1.1　Life-365概述

2001年多倫多大學(xué)M.D.A.Thomas和E.C.Bentz完成的鋼筋混凝土使用壽命和壽命周期成本預(yù)測計(jì)算程序Life-365 v1.0版發(fā)布[8]，但該版本未將影響使用壽命的各參數(shù)(如擴(kuò)散系數(shù)、齡期指數(shù)、保護(hù)層厚度、最大表面氯離子濃度和氯離子臨界濃度)視作變量，因此預(yù)測的使用壽命保證率僅有50%，即真實(shí)的結(jié)構(gòu)使用壽命有50%的概率小于或等于預(yù)測值。2003年E.C.Bentz發(fā)表“氯鹽環(huán)境結(jié)構(gòu)使用壽命概率模型”提出了簡化的蒙特卡羅分析方法，并提出各參數(shù)的離差系數(shù)[9]；M.A.Ehlen采用該概率分析方法寫成Life-365 v2.0版于2008年發(fā)布，2014年1月發(fā)布v2.2.1版。該版本在基本假設(shè)變化時，可以計(jì)算使用壽命和生命周期成本的敏感性，并建立了一些防腐蝕保護(hù)措施供選擇，包括低水膠比，使用輔助膠凝材料、環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼筋、阻銹劑、防腐薄膜和涂層等，以設(shè)計(jì)具有更好抗腐蝕性能的基礎(chǔ)混凝土。

1.2　Life-365耐久性壽命預(yù)測

Life-365認(rèn)為氯離子侵蝕引起的基礎(chǔ)退化全過程可分為3個階段——從服役到鋼筋表面氯離子達(dá)到臨界濃度并開始產(chǎn)生銹蝕的誘導(dǎo)期ti，從開始銹蝕到第一次維修的發(fā)展期tp，以及從第一次維修到耐久性失效的修復(fù)期tr，如圖1所示。由于鐵塔基礎(chǔ)一般僅對保護(hù)帽等做簡單的修復(fù)，故這里不需要考慮修復(fù)期tr。

圖1　基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能退化過程示意圖

Life-365定義基礎(chǔ)耐久性壽命為腐蝕起始時間ti和鋼筋受腐導(dǎo)致基礎(chǔ)充分損傷需要維修時間tp的總和，即基礎(chǔ)耐久性壽命。

t=ti+tp

(1)

式中：采用Fick第二擴(kuò)散模型計(jì)算腐蝕誘導(dǎo)期時間ti；以飽和未開裂混凝土為例，Life-365默認(rèn)使用碳素鋼和不銹鋼鋼筋的混凝土腐蝕發(fā)展期tp為6年，環(huán)氧涂層鋼筋為20年。而誘導(dǎo)期一般可以達(dá)到50年甚至100年，因而研究誘導(dǎo)期壽命ti對耐久性壽命預(yù)測更具意義。

1.3　Life-365全壽命周期成本

Life-365定義全壽命周期成本等于基礎(chǔ)初始建設(shè)費(fèi)用Ci(含內(nèi)防腐費(fèi)用)、基礎(chǔ)表面外防腐費(fèi)用Cp，以及折現(xiàn)后的生命周期內(nèi)修復(fù)成本CPW之和。從而，基礎(chǔ)全壽命周期成本

C=Ci+Cp+CPW

(2)

其中，可以通過考慮有關(guān)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，比如通貨膨脹率i和實(shí)際貼現(xiàn)率r，計(jì)算以現(xiàn)值CPW表示的生命周期內(nèi)修復(fù)成本

(3)

式中：Cr為基礎(chǔ)在全壽命周期內(nèi)距現(xiàn)在t年時的修復(fù)成本。又鐵塔基礎(chǔ)一般僅對保護(hù)帽等做簡單的修復(fù)，故這里忽略修復(fù)成本，僅考慮基礎(chǔ)初始建設(shè)費(fèi)用Ci(含內(nèi)防腐費(fèi)用)，以及基礎(chǔ)表面外防腐費(fèi)用Cp。

2Life-365氯離子擴(kuò)散模型

Life-365預(yù)測模型假設(shè)氯離子對基礎(chǔ)侵蝕以擴(kuò)散方式為主，其Fick第二定律微分方程為：

(4)

式中：C為基礎(chǔ)中t時刻距離暴露面x處的氯離子濃度分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；D為氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)，是時間和溫度的函數(shù)。

(1)擴(kuò)散系數(shù)的時變性

D隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸降低，故采用下式描述D-t關(guān)系

(5)

式中：D(t)，Dref為基礎(chǔ)在t，tref時刻的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)；tref為基準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期，一般取28天；m為擴(kuò)散衰減指數(shù)，與摻合料品種和摻合量有關(guān)。

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

(6)

式中：D28為28天時擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；w/c為基礎(chǔ)混凝土水膠比。

粉煤灰和礦粉摻合料對 28 天時的擴(kuò)散系數(shù)無影響，但粉煤灰和礦粉的加入會使水泥的水化反應(yīng)變緩慢，從而影響了擴(kuò)散衰減系數(shù)m，Life-365規(guī)定

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

(7)

式中：%FA為粉煤灰在膠凝材料中占的百分比，%SG為礦渣在膠凝材料中占的百分比。隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，擴(kuò)散系數(shù)逐步降低，但水化反應(yīng)不會一直進(jìn)行。Life-365假定混凝土澆筑25年后水化反應(yīng)停止，擴(kuò)散系數(shù)不再衰減，即25年后m=0。

(2)擴(kuò)散系數(shù)的溫變效應(yīng)

溫度對擴(kuò)散系數(shù)有雙重且顯著的影響，擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的上升而變大，同時結(jié)合性能又隨著溫度的升高而降低[10]。Life-365給出了溫度對擴(kuò)散系數(shù)影響的計(jì)算公式

(8)

式中：D(T)，Dref為基礎(chǔ)在t時刻T溫度，以及tref時刻Tref(一般取293K)溫度下的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)；U為擴(kuò)散過程中的活化能，取35 000 J/mol；R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為絕對溫度。

Life-365即通過式(4)采用有限差分法來計(jì)算鋼筋開始發(fā)生腐蝕所需的初始時間ti，在每一個時間步中采用式(5)~(8)來計(jì)算相應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

3工程算例

3.1　基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

算例選取甘3標(biāo)段氯鹽環(huán)境下某掏挖式基礎(chǔ)主柱的耐久性壽命和初始建設(shè)及防腐成本進(jìn)行計(jì)算。由于基礎(chǔ)耐久性壽命定義為氯離子在最外層鋼筋表面擴(kuò)散積累到一定值，故僅簡要給出主柱截面圖保護(hù)層部分及其尺寸，如圖2所示。

圖2　直流±800 kV哈密南—鄭州線某掏挖式基礎(chǔ)

3.2　Life-365計(jì)算參數(shù)

(1)模擬環(huán)境參數(shù)

甘3標(biāo)段起自甘肅省酒泉市瓜州縣橋彎道北，止于花海鎮(zhèn)下東溝東，線路路徑長105.947 km。故環(huán)境氣溫按酒泉市選取，據(jù)文獻(xiàn)[11]查得其2012年平均氣溫如表1。

表1　甘肅省酒泉市2012年月平均氣溫

(2)基礎(chǔ)混凝土參數(shù)選取

該基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C40，文獻(xiàn)[12]規(guī)定，水膠比最大為0.45，膠凝材料用量范圍為320~450 kg/m3，并選擇粉煤灰和磨細(xì)礦渣作為摻合料。Life-365中提供了粉煤灰、礦渣和硅粉3類摻合料，其摻量(質(zhì)量%)可取范圍如表2。

表2　Life-365混凝土摻合料含量百分比范圍

(3)最大表面氯離子濃度及其集聚時間

對鐵塔基礎(chǔ)主柱來說，其表面氯離子達(dá)到最大濃度需要一定的時間，主要與其所處環(huán)境和基礎(chǔ)防腐保護(hù)措施有關(guān)[13]，比如采用HCPE薄膜做防腐處理可以增加集聚時間。據(jù)文獻(xiàn)[14]取最大表面氯離子濃度為0.4%，并考慮到安全儲備，認(rèn)為表面氯離子集聚時間tj=0。

(4)基礎(chǔ)主柱鋼筋臨界氯離子濃度

據(jù)Glass和Buenfeld的研究與分析[15]，不考慮添加劑的影響時，臨界氯離子濃度一般為膠凝材料質(zhì)量的0.17%~2.5%，對應(yīng)混凝土質(zhì)量的0.03%~0.07%(水泥含量350~400 kg/m3)。實(shí)際上鋼筋產(chǎn)生銹蝕的臨界濃度主要與阻銹劑的品種和摻量有關(guān)，Life-365內(nèi)置的阻銹劑摻量和臨界氯離子濃度的對應(yīng)關(guān)系如表3，本工程取值為0.24%。

表3　阻銹劑摻量和臨界氯離子濃度的對應(yīng)關(guān)系

3.3　計(jì)算結(jié)果

Life-365可以同時進(jìn)行幾個設(shè)計(jì)方案的對比計(jì)算，本文選取表4中4種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。

表4　耐久性壽命和初始建設(shè)及防腐成本預(yù)測結(jié)果

注：①耐久性壽命為誘導(dǎo)期壽命與發(fā)展期壽命(6年)之和；②材料等費(fèi)用均保持默認(rèn)，4組方案總成本僅做相互比較，美元對人民幣匯率按1美元=6.2元人民幣元考慮。

表4顯示，第1組基本滿足鐵塔基礎(chǔ)60年的使用壽命要求，故在第1組的基礎(chǔ)上，對基礎(chǔ)混凝土配置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)?shù)?組水膠比減小8%時，耐久性壽命增加21%，且初始建設(shè)和防腐成本降低16%；當(dāng)?shù)?組將摻合料摻量降低5%，耐久性壽命僅有40.6年，與60年的使用壽命要求相差甚遠(yuǎn)，并且由于修復(fù)成本上升，導(dǎo)致初始建設(shè)和防腐成本增加10%；當(dāng)?shù)?組將鋼筋阻銹劑添加量增加17%時，耐久性壽命大幅增加至第1組的1.6倍，并且初始建設(shè)和防腐成本降低為其67%，為4組中最優(yōu)方案。理論研究表明，基礎(chǔ)混凝土中摻加阻銹劑是阻止或減緩鋼筋銹蝕最經(jīng)濟(jì)、最簡便而有效的措施。但另一方面，鋼筋阻銹劑僅對以氯鹽為主的腐蝕環(huán)境有很好的效果，一般多用于濱?；騼?nèi)陸部分高氯鹽環(huán)境下鐵塔基礎(chǔ)防腐，對硫酸鹽、鎂鹽含量較多的環(huán)境的防腐存在一定的局限性。并且由于實(shí)際工程環(huán)境作用更復(fù)雜，本文的理論預(yù)測需要進(jìn)一步與實(shí)際工程統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對比，建議考慮基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和施工要求，借助Life-365軟件的使用壽命及全壽命周期成本預(yù)測模型，以耐久性壽命和全壽命周期成本為優(yōu)化目標(biāo)，編程計(jì)算水膠比大小，粉煤灰、礦渣和亞硝酸鈣摻和量的最優(yōu)結(jié)果。從而促進(jìn)Life-365更好地應(yīng)用于輸電鐵塔基礎(chǔ)的耐久性壽命及防腐經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。

4結(jié)論

Life-365是針對氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土使用壽命和壽命周期成本預(yù)測的計(jì)算程序，可用于氯鹽環(huán)境下特高壓鐵塔基礎(chǔ)耐久性壽命及防腐經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，為氯鹽環(huán)境下高標(biāo)號輸電鐵塔基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量和成本控制提供參考。研究表明，基礎(chǔ)混凝土中摻加阻銹劑是阻止或減緩鋼筋銹蝕最經(jīng)濟(jì)、最簡便而有效的措施。但是由于影響鐵塔基礎(chǔ)耐久性壽命的因素較多，不僅僅是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和環(huán)境參數(shù)選取的問題，也包含施工質(zhì)量控制及后期養(yǎng)護(hù)水平等諸多因素。在實(shí)際工程中，建議結(jié)合計(jì)算軟件、規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，考慮基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和施工要求，借助Life-365的使用壽命及全壽命周期成本預(yù)測模型，以耐久性壽命和全壽命周期成本為優(yōu)化目標(biāo)，編程計(jì)算水膠比大小，粉煤灰、礦渣和亞硝酸鈣摻和量的最優(yōu)結(jié)果；促進(jìn)Life-365更切合實(shí)際地應(yīng)用于輸電鐵塔基礎(chǔ)的耐久性壽命及防腐經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。

參考文獻(xiàn):

[1]譚青海，滿銀，高偉斌，等．鹽湖地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)選型及其防腐研究[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(10)：51-56．

[2]Mehta P K. Concrete durability-fifty years progress[C]. 2nd inter. Conf. on Concrete Durability. ACI SP126-1, 1991：1-31.

[3]Mehta P K, Burrows R W. Building durable structures in the 21st century[J]. Concrete International, 2001, 23(3): 57-63.

[4]陳改新．混凝土耐久性的研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J]．中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，7(2)：120- 125．

[5]楊綠峰，周明，陳正．海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量分析與設(shè)計(jì)[J]．土木工程學(xué)報(bào)，2014，47(10)：70-79．

[6]蔣欣．氯鹽環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁耐久性環(huán)境區(qū)劃研究[D]．西安：長安大學(xué)，2013．

[7]李易峰．“疆電外送”步入春天[N]．中國電力報(bào)，2014-4-22(1)．

[8]Thomas M D A, Bentz E C. Life-365 computer program for predicting the service life and life-cycle costs of reinforced concrete exposed to chlorides[R]. American Concrete Institute,2000.

[9]Bentz E C. Probilitistic Modeling of Service Life for Structures Subjected to Chlorides[J], ACI Materials Journal, 2003, 100(5): 391-397.

[10]DuraCrete. General guidelines for durability design and redesign[R]. Probabilistic Based Durability Design of Concrete Structure, 2000.

[11]酒泉市人民政府．酒泉年鑒[K]．蘭州：甘肅文化出版社，2013．

[12]GB/T 50476-2008.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[13]曾聰，李盛龍，郝冬雪，等．輸電線路樁基礎(chǔ)的抗腐蝕性混凝土配方及壽命預(yù)測[J] ．中國電力，2014，47(7)：32-34．

[14]喬宏霞，周茗如，朱彥鵬，等．鹽漬土地區(qū)混凝土耐久性評價(jià)參數(shù)的設(shè)計(jì)和選取[J]．工業(yè)建筑，2010，40(6)：27-30．

[15]Glass G K, Buenfeld N R. The influence of chloride binding on the chloride induced corrosion risk in reinforced concrete[J]. Corrosion Science, 2000, 42(2): 329-344.

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)