吳 亮 俞鐵勇 張 軍 張 凱 毛江鴻

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變電站是現(xiàn)代工業(yè)基地的心臟，關(guān)系到基地能否正常運轉(zhuǎn)[1]。其中，土建工程優(yōu)良的耐久性是保障變電站工作效能的基礎(chǔ)[2]。

由于我國東部沿海地區(qū)處于干濕交替的富氧鹽霧環(huán)境，氯離子侵蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂等一系列耐久性問題嚴(yán)重[3]。需注意的是，變電站運行過程中產(chǎn)生的雜散電流還將進一步加快氯離子的擴散[4]。

不少學(xué)者都針對沿海環(huán)境氯鹽侵蝕下的混凝土結(jié)構(gòu)進行了耐久性評估的研究。仲偉秋等[5]結(jié)合Fick定律的泊松分布來描述氯離子侵蝕現(xiàn)象，并以港口為例進行氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的可靠度分析。

郝曉麗[6]建立了考慮氯離子擴散系數(shù)的時間依賴性及其他因素影響的改進氯離子擴散模型，提出了在近海區(qū)和浪濺區(qū)等相似環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)最小保護層厚度的建議值。吳瑾等[7]將混凝土表面氯離子含量和保護層厚度作為隨機變量，將擴散系數(shù)作為隨機過程，在傳統(tǒng)的Fick第二定律的基礎(chǔ)上提出了氯離子含量分布的隨機模型。針對沿海變電站工程的特殊性，耐久性評估需要考慮雜散電流對氯離子擴散的加速作用。

目前，考慮氯鹽-雜散電流雙重作用的耐久性評估研究報道較少。本文首先調(diào)研了某變電站的耐久性問題，檢測了混凝土保護層厚度以及氯離子質(zhì)量分數(shù)等耐久性指標(biāo)；然后，根據(jù)檢測結(jié)果，擬合得到該變電站服役條件下的實際氯離子擴散系數(shù)，運用Fick第二定律評估其耐久性；最后，提出了針對沿海已建變電站耐久性措施的建議。

1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測

對浙江省舟山市某220 kV變電站土建結(jié)構(gòu)的腐蝕狀態(tài)進行工程調(diào)研，發(fā)現(xiàn)雖然該變電站服役不足2 a，在主變混凝土隔墻、混凝土屋面、室內(nèi)混凝土墻柱和線路電纜室等部位均已發(fā)現(xiàn)可見銹坑、銹脹裂縫、保護層剝落等耐久性問題?；诖?，檢測了混凝土保護層厚度、氯離子含量及分布等耐久性指標(biāo)。

1.1 混凝土保護層厚度檢測

依據(jù)JGJ/T 152—2019《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》采用混凝土鋼筋檢測儀檢測土建結(jié)構(gòu)的保護層厚度。主變基礎(chǔ)人字柱，消防室獨立柱和電纜室基礎(chǔ)檢測結(jié)果如圖1所示。

圖1 混凝土保護層厚度測試結(jié)果示意

由圖1可知，主變基礎(chǔ)人字柱、消防室獨立柱和電纜室基礎(chǔ)的實際檢測的最薄弱處保護層厚度分別為13、28、11 mm，而設(shè)計保護層厚度分別為25、45、45 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，各土建構(gòu)件的實際保護層厚度均存在明顯低于設(shè)計保護層厚度的情況。

1.2 氯離子含量及分布檢測

氯離子含量檢測依據(jù)JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》進行，評價指標(biāo)為氯離子在膠凝材料中的質(zhì)量分數(shù)。各構(gòu)件的檢測結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，雖然該變電站的服役年限較短，室外結(jié)構(gòu)如主變基礎(chǔ)人字柱由于受鹽霧、雨水等侵蝕，導(dǎo)致混凝土保護層表面氯離子含量較高。

2 土建結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測及分析

2.1 變電站耐久性壽命預(yù)測關(guān)鍵參數(shù)確定

對于處于沿海環(huán)境干濕交替區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)，Duracrete[8]提出的經(jīng)驗方法認為，在0～Δx（Δx為對流區(qū)深度）范圍內(nèi)的對流擴散區(qū)域中主要發(fā)生由孔隙液流動造成的氯離子對流，而在其余區(qū)域內(nèi)以氯離子含量擴散作為主要滲透方式，在純擴散區(qū)域（即：x≥Δx），氯離子在混凝土中的擴散行為可以用Fick第二定律[9]描述〔式（1）〕：

式中：erf(·)——高斯誤差函數(shù)；

x ——距混凝土表面的深度；

C0——混凝土初始氯離子質(zhì)量分數(shù)；

Cs——混凝土10 a穩(wěn)定期表面氯離子質(zhì)量分數(shù)；

Dapp——表觀氯離子擴散系數(shù)。

假定混凝土中的初始氯離子質(zhì)量分數(shù)為0；根據(jù)已有研究[10]，Δx可取為10 mm；對于處于地上大氣區(qū)的主變基礎(chǔ)人字柱，其10 a穩(wěn)定期的表面氯離子質(zhì)量分數(shù)可取0.9%，對于處于室內(nèi)潮濕環(huán)境的電纜室基礎(chǔ)和消防室獨立柱，其10 a穩(wěn)定期的表面氯離子質(zhì)量分數(shù)可取0.8%[10]；根據(jù)DB33/T 1128—2016《浙江省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的氯離子質(zhì)量分數(shù)閾值取為0.15%。

式（1）中，表觀氯離子擴散系數(shù)Dapp反映了氯離子在混凝土中的擴散速度，與混凝土材料性質(zhì)以及服役環(huán)境有關(guān)。表1為基于氯離子擴散的主變基礎(chǔ)人字柱、消防室獨立柱、電纜室基礎(chǔ)的壽命分析結(jié)果。

結(jié)構(gòu)部位 Dapp/（mm2·a-1）設(shè)計保護層厚度/mm 60 a所需厚度/mm實際最薄弱保護層厚度/mm構(gòu)件實際壽命/a是否滿足要求主變基礎(chǔ)人字柱 186.05 25 24.4 13 3.8 不滿足消防室獨立柱 319.30 45 43.0 28 6.6 不滿足電纜室 基礎(chǔ) 271.93 45 37.5 11 2.7 不滿足

2.2 主變基礎(chǔ)人字柱的壽命分析

主變基礎(chǔ)人字柱的壽命預(yù)測過程如圖3所示。主變基礎(chǔ)人字柱保證使用壽命60 a所必需的最小保護層厚度為24.4 mm，而在最薄弱保護層厚度13.0 mm下的實際耐久性壽命僅為3.8 a。

2.3 消防室獨立柱的壽命預(yù)測分析

消防室獨立柱的壽命預(yù)測過程及結(jié)果如圖4所示。消防室獨立柱保證使用壽命60 a所必需的最小保護層厚度為43 mm，按照實際最薄弱保護層厚度28 mm來計算，實際的耐久性壽命為6.6 a。

2.4 電纜室基礎(chǔ)的壽命預(yù)測分析

電纜室基礎(chǔ)的壽命預(yù)測過程如圖5所示。電纜室基礎(chǔ)保證使用壽命60 a所必需的最小保護層厚度為37.5 mm，而按最薄弱保護層厚度11.0 mm來計算，實際耐久性壽命僅為2.7 a。

2.5 分析結(jié)果

通過對實測的氯離子含量分布曲線進行擬合，可得到變電站實際服役條件下的Dapp，參見表1。從表1可以看出，各處的Dapp差別較大，一方面是由于各部位所用混凝土材料不同，另一方面可能是由于各處雜散電流的影響不同。

根據(jù)壽命預(yù)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計方案中各土建構(gòu)件的保護層厚度能滿足60 a設(shè)計使用壽命的要求。然而，實際工程中由于存在保護層偏差，實際檢測的最薄弱處的保護層厚度均明顯低于設(shè)計的保護層厚度，造成了局部薄弱區(qū)的出現(xiàn)。為保證土建部分60 a的設(shè)計使用壽命，需要及時采取相應(yīng)的耐久性措施，如增補混凝土保護層厚度、涂敷防腐涂料或電化學(xué)修復(fù)等。

3 結(jié)語

1）對沿海環(huán)境下某220 kV變電站土建結(jié)構(gòu)的耐久性劣化情況進行工程調(diào)研及檢測發(fā)現(xiàn)，雖然服役時間不足2 a，變電站土建部分已出現(xiàn)了鋼筋銹蝕、混凝土開裂剝落等耐久性問題；外界環(huán)境作用導(dǎo)致混凝土保護層表層氯離子含量較高，是鋼筋銹蝕的主要原因。

2）主變基礎(chǔ)人字柱、消防室獨立柱及電纜室基礎(chǔ)等土建構(gòu)件實測耐久性指標(biāo)及分析結(jié)果顯示，各構(gòu)件最小的保護層厚度分別為13、28、11 mm，對應(yīng)的實際耐久性壽命分別為3.8、6.6、2.7 a，遠不滿足耐久性要求。

3）混凝土保護層厚度對壽命的影響極大，較小的誤差就會導(dǎo)致耐久性壽命的顯著降低，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土保護層的厚度。