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摘要：本文提出了采用高强度及良好的抗渗性能的高强抗渗混凝土代替普通混凝土作为电杆材料，用来解决混凝土脆性大、抗拉强度低、韧性差问题,并就实现高强抗渗混凝土耐久性的途径进行了探讨。
【关键词】： 电杆 材料 抗渗 高强混凝土 水灰比 耐久性
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
一、高强抗渗混凝土电杆简介
混凝土电杆是架空输电线路广泛采用的一种混凝土预制构件，主要包括钢筋混凝土电杆和预应力混凝土电杆两大类，从杆型上又可分为锥形杆和等径杆两种。混凝土电杆一般采用环形截面型式，因为环形截面混凝土电杆具有以下几个优点：（1）各向承载力均等；（2）比实心截面混凝土电杆节省材料约40%左右；（3）表面光滑、美观、截面无突出部分，便于运输，不易损坏。环形截面混凝土电杆一般采用离心成型工艺成型，通过常压蒸养工艺进行养护。
高强混凝土(High Strength Concrete)并没有一个确切的定义。在20世纪50年代，高强混凝土的强度是35MPa，60年代是40～50MPa，70年代是60MPa。目前，强度在100MPa以上的高强混凝土，已经有了不少的应用实例，甚至已经研制出强度200～800MPa的超高强混凝土(RPC)，其中200MPa的超高强混凝土已经有了应用。
我国基础工业发生了翻天覆地的变化，特别是高标号水泥及其各种添加剂甚至水泥基纤维的应用，高强度钢筋的出现，为混凝土电杆的发展提供了基础条件；高压输电线路如110kV，220kV，500kV输电线路的普及，对混凝土电杆提出了新的要求，为混凝土电杆的发展提供了市场，从而推动混凝土电杆的发展；近几年公路等级的提高和超长货卡运输车辆的出现，大大地改善了运输条件，为运输超长电杆排除了障碍，从而为混凝土电杆发展铺平了道路。
随着当前我国电力建设的迅速发展，高压输电线路如110kV、220kV、500kV输电线路不断普及，电杆逐渐向高等级、大杆型规格方向发展，近几年，国家又提出减少占地面积，加强农田、环境保护等一系列要求，不带拉线的超长组装杆已较多的被需要，这同时也对电杆的安全性、适用性和耐久性提出了更高的要求。混凝土电杆的这种发展趋势对电杆的生产、设计等方面提出了新挑战，我国的水泥电杆将会朝着提高长度和强度、美观大方两个方向发展。
但是我国混凝土技术与国际先进水平相比还存在较大差距。近20年普通混凝土生产的混凝土电杆不同程度的存在着开裂问题，影响线路的安全运行。研究混凝土电杆的耐久性问题，解决混凝土开裂问题，达到混凝土耐久性优异的目的，是当代混凝土研究工作者的重要任务。
二、高强抗渗混凝土电杆抗裂研究
普通混凝土作为原材料的混凝土电杆存在抗裂性能差、抗拉强度低、韧性差以及耐久性差等问题。由于我国输电线路量大面广，支撑输电线路的混凝土电杆长期处于各种自然环境下工作，尤其是在低温寒冷以及极端恶劣环境下，混凝土电杆的受力性能及耐久性的优劣直接影响到输电线路的安全运行。因此选择具有高强度及良好抗渗性能的高强抗渗混凝土以替代普通混凝土作为电杆材料，无疑是解决混凝土脆性大、抗拉强度低、韧性差的一个很好的办法。
为了得到性能优良的高强抗渗混凝土材料，应该注意以下几方面的问题。
（1）首先使混凝土的水灰比小于0.38。图1所示为水灰比与水泥浆组成关系，水灰比与水泥石结构如图2所示。由图1可见，当混凝土的水灰比大于0.38时，水泥全部水化后，水泥石中有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。毛细水可在混凝土中扩散渗透。因此，水灰比大于0.38时，混凝土中有毛细管存在，抗渗性、耐久性降低。
由图2可见，水灰比等于0.2时，水泥颗粒没有全部水化，在硬化的水泥石中，还有部分未水化的水泥颗粒。水灰比等于0.6时，水泥颗粒已全部水化，水泥石中还有多余自由水存在，水分蒸发后变成毛细管留下来，使抗渗性和耐久性降低。只有当水灰比等于0.4时，水泥颗粒全部水化，既无毛细水也无未水化颗粒，混凝土具有良好的抗渗性。
由此可见，高性能混凝土的水灰比必须小于等于0.38，才能具有高的抗渗性和耐久性。
图1水泥浆组成与水灰比关系图2水灰比与水泥石结构
(2)改善混凝土中水泥石与粗骨料之间的界面结构。普通混凝土粗骨料与水泥石之间的界面上积滞着大量的Ca(OH)2；Ca(OH)2与界面上的结晶为定向排列，是混凝土强度与耐久性低下的主要原因。因此，改善混凝土中骨料与水泥石之间的界面结构，是高性能混凝土必须解决的关键技术。高性能混凝土中，掺入部分矿物质超细粉，是改善界面结构的重要途径。
(3)改善混凝土中水泥石的孔结构。以20%的复合超细粉等量取代水泥，采用水灰比为0.35制成的水泥净浆试件测定超细粉对孔结构的影响。试验结果表明，大于1000A的大孔含量高，对混凝土的强度、抗渗性、耐久性都不利；小于1000A的孔含量高，有利于强度、抗渗性和耐久性。超细粉对改善混凝土的孔结构，提高抗渗性、耐久性十分有利。
由此可见，通过使用高效减水剂，降低混凝土的水灰比，并使混凝土具有比较大的流动性和保塑功能，保证施工和浇注混凝土密实性，这是高性能混凝土实现途径的一方面。另一方面，通过超细粉在混凝土中的应用，改善骨料与水泥石的界面结构，改善水泥石的孔结构，提高混凝土的抗渗性、耐久性和强度，这是高性能混凝土实现途径的另一方面。
由此可见，新型高效减水剂和矿物质超细粉是高性能混凝土及混凝土高性能化的物质基础，而混凝土技术又必须与环境相协调即减少环境污染节省资源能源和长寿命。
高強混凝土的制备技术途径和措施主要应采取如下措施。通过采用高效减水剂以降低水灰比；通过添加矿物掺合料，减少毛细孔隙率和毛细孔尺寸，以改善水泥石的孔结构；通过添加矿物掺合料，消耗水化产物中的薄弱部分-氢氧化钙，以改善过渡区的界面结构；采用“水泥裹砂搅拌工艺”和“高频振捣成型工艺”等，以改善混凝土生产施工工艺；养护方面有蒸压养护及湿养护等。高强混凝土的配合比设计要点是：采用优质砂石、矿物掺合料、高效减水剂和高强水泥等原材料，选择较低单位用水量和水泥用量，降低混凝土拌合物的粘度。
混凝土的渗透性对耐久性的影响最大，被认为是衡量混凝土耐久性的最重要的综合指标。混凝土的渗透性越低，抗渗性越好，混凝土的耐久性越好。这是因为许多有害物质是随介质渗透到混凝土内部而起破坏作用的。例如，冻融损坏、钢筋锈蚀及至碱骨料反应，都是由于水及腐蚀性物质渗入到混凝土内部而对混凝土产生破坏作用。提高混凝土的抗渗性，除混凝土本身具有极低的渗透性以外，从实际意义上来说，避免混凝土结构出现裂纹和裂缝更为重要。
向混凝土中引入大量均匀的微小封闭气泡能够有效地改善混凝土的耐久性。这是因为，在混凝土受冻时，气泡能够使因水结冰冻产生的压力得以释放；气泡还能使混凝土内部的有害应力得到缓解；对各种有害物质的渗入起到阻隔作用，以及有利于降低碱骨料反应的危害性膨胀等。因此，向混凝土中掺引气剂已成为提高耐久性的基本措施。
生产高性能混凝土的一种关键材料—高性能外加剂，要求减水剂与水泥具有良好的相容性。凡是水化快和水化产物比表面积大的熟料矿物，其吸附的减水剂多，它与减水剂的相容性就差；反之，两者相容性就好；凡是加速水泥早期水化特别是加速水泥凝结的因素，均不利于水泥与减水剂相容性的改善。石膏种类和掺量、碱含量、混合材种类及掺量都显著影响减水剂与水泥的相容性。
混凝土达到高性能的最重要技术途径是使用优质的高效减水剂和矿物外加剂。前者能降低混凝土的水灰比，增大坍落度和控制坍落度损失，赋予混凝土高密实度和优异的施工性；后者能填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化反应，改善混凝土的界面结构，提高混凝土的密实性强度和耐久性。在混凝土中，渗透性也是一个重要指标。它是指气体、液体或者离子受压力、化学势或者电场的作用，在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。混凝土渗透性与耐久性之间有着密切的关系，混凝土获得高耐久性与长寿命的关键是提高混凝土的抗渗性。例如，混凝土发生硫酸盐腐蚀的必要条件是有水及腐蚀离子进入混凝土内部；发生碱骨料反应需要有水分的参与；钢筋发生锈蚀破坏，需要有离子去破坏钢筋钝化膜或者二氧化碳气体破坏混凝土的高碱性环境，以及有水分和氧气的参与；碳化反应需要有二氧化碳和水分的参与等。如果混凝土抗渗性高，水分及有害离子渗透不到混凝土内部，就不致造成混凝土的损伤破坏。
混凝土电杆在寒冷地区的破坏特点主要是冻融循环破坏及混凝土碳化破坏，以及混凝土冻融循环与氯离子侵蚀相互作用引起电杆耐久性破坏。因此，综合考虑混凝土冻融循环、氯离子侵蚀及碳化的耦合作用，是寒冷地区混凝土电杆耐久性研究的重要问题。对于在各种自然环境条件下工作的混凝土电杆，采用高强抗渗混凝土作为电杆的原材料，有利于提高其耐久性及使用寿命。
混凝土电杆的制备属离心密实成型，其特殊的成型工艺对配合比的设计有特殊的要求。
(1)混凝土拌合料的坍落度控制為2～7cm，因为在混凝土电杆的生产中，水灰比过大易产生离析分层，降低强度，在离心时排出的水泥浆多，致使很大一部分水泥损失掉，增大离心操作控制难度。如离心速度偏低，离心力达不到要求时会出现塌方、空鼓等现象，如水灰比过小又会产生杆体离心成型布料均质性差，混凝土不密实，同时降低了混凝土强度。如离心速度过高又出现外观麻点、粘皮，内壁粗糙等质量缺陷。
(2)在混凝土的配制中值得注意的是:砂子粒径不宜过细。如砂粒径细小，要使产品获得相应强度，务必要增加水泥用量，增加生产成本。石子粒径不宜过大，如果粒径偏大，离心成型时混凝土径向移动受钢筋骨架阻挡，导致成型不密实。此外，砂、石的含泥量和泥块含量也不能超标，因为石子含泥导致砂石料与水泥石界面粘结力削弱，降低混凝土强度。
(3)在选择用于混凝土的骨料时，要求骨料的抗压强度应该超过所配制的混凝土的设计标号。
(4)砂率不能太低，宜控制在40～50%，因为砂率太小，在砂浆成型后混凝土中的剩余水蒸发，留下的气泡较大，而且不均匀。增大砂率，可使气泡较小而且均匀，这对混凝土的防水、防裂纹都有好处。另外，碎石量太多时对离心成型也不利。
三、结论
本文提出了采用高强度及良好的抗渗性能的高强抗渗混凝土代替普通混凝土作为电杆材料，用来解决混凝土脆性大、抗拉强度低、韧性差问题，通过使用高效减水剂，降低混凝土的水灰比，并使混凝土具有比较大的流动性和保塑功能，保证施工和浇注混凝土密实性。通过超细粉在混凝土中的应用，改善骨料与水泥石的界面结构，改善水泥石的孔结构，提高混凝土的抗渗性、耐久性和强度，最后对配合比的设计方面做了特殊的要求。
【参考文献】
（1）《高性能混凝土》冯乃谦.北京:中国建筑工业出版社,1996.
（2）《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2002）
（3）《电杆用混凝土品质控制中几个问题的探讨》陈网和。
（5）《中国水泥与混凝土工业的现状与问题》吴中伟.硅酸盐学报
（6）《锈蚀开裂前混凝土中钢筋锈蚀量的预测模型》牛荻涛.工业建筑。
【关键词】： 电杆 材料 抗渗 高强混凝土 水灰比 耐久性
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
一、高强抗渗混凝土电杆简介
混凝土电杆是架空输电线路广泛采用的一种混凝土预制构件，主要包括钢筋混凝土电杆和预应力混凝土电杆两大类，从杆型上又可分为锥形杆和等径杆两种。混凝土电杆一般采用环形截面型式，因为环形截面混凝土电杆具有以下几个优点：（1）各向承载力均等；（2）比实心截面混凝土电杆节省材料约40%左右；（3）表面光滑、美观、截面无突出部分，便于运输，不易损坏。环形截面混凝土电杆一般采用离心成型工艺成型，通过常压蒸养工艺进行养护。
高强混凝土(High Strength Concrete)并没有一个确切的定义。在20世纪50年代，高强混凝土的强度是35MPa，60年代是40～50MPa，70年代是60MPa。目前，强度在100MPa以上的高强混凝土，已经有了不少的应用实例，甚至已经研制出强度200～800MPa的超高强混凝土(RPC)，其中200MPa的超高强混凝土已经有了应用。
我国基础工业发生了翻天覆地的变化，特别是高标号水泥及其各种添加剂甚至水泥基纤维的应用，高强度钢筋的出现，为混凝土电杆的发展提供了基础条件；高压输电线路如110kV，220kV，500kV输电线路的普及，对混凝土电杆提出了新的要求，为混凝土电杆的发展提供了市场，从而推动混凝土电杆的发展；近几年公路等级的提高和超长货卡运输车辆的出现，大大地改善了运输条件，为运输超长电杆排除了障碍，从而为混凝土电杆发展铺平了道路。
随着当前我国电力建设的迅速发展，高压输电线路如110kV、220kV、500kV输电线路不断普及，电杆逐渐向高等级、大杆型规格方向发展，近几年，国家又提出减少占地面积，加强农田、环境保护等一系列要求，不带拉线的超长组装杆已较多的被需要，这同时也对电杆的安全性、适用性和耐久性提出了更高的要求。混凝土电杆的这种发展趋势对电杆的生产、设计等方面提出了新挑战，我国的水泥电杆将会朝着提高长度和强度、美观大方两个方向发展。
但是我国混凝土技术与国际先进水平相比还存在较大差距。近20年普通混凝土生产的混凝土电杆不同程度的存在着开裂问题，影响线路的安全运行。研究混凝土电杆的耐久性问题，解决混凝土开裂问题，达到混凝土耐久性优异的目的，是当代混凝土研究工作者的重要任务。
二、高强抗渗混凝土电杆抗裂研究
普通混凝土作为原材料的混凝土电杆存在抗裂性能差、抗拉强度低、韧性差以及耐久性差等问题。由于我国输电线路量大面广，支撑输电线路的混凝土电杆长期处于各种自然环境下工作，尤其是在低温寒冷以及极端恶劣环境下，混凝土电杆的受力性能及耐久性的优劣直接影响到输电线路的安全运行。因此选择具有高强度及良好抗渗性能的高强抗渗混凝土以替代普通混凝土作为电杆材料，无疑是解决混凝土脆性大、抗拉强度低、韧性差的一个很好的办法。
为了得到性能优良的高强抗渗混凝土材料，应该注意以下几方面的问题。
（1）首先使混凝土的水灰比小于0.38。图1所示为水灰比与水泥浆组成关系，水灰比与水泥石结构如图2所示。由图1可见，当混凝土的水灰比大于0.38时，水泥全部水化后，水泥石中有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。毛细水可在混凝土中扩散渗透。因此，水灰比大于0.38时，混凝土中有毛细管存在，抗渗性、耐久性降低。
由图2可见，水灰比等于0.2时，水泥颗粒没有全部水化，在硬化的水泥石中，还有部分未水化的水泥颗粒。水灰比等于0.6时，水泥颗粒已全部水化，水泥石中还有多余自由水存在，水分蒸发后变成毛细管留下来，使抗渗性和耐久性降低。只有当水灰比等于0.4时，水泥颗粒全部水化，既无毛细水也无未水化颗粒，混凝土具有良好的抗渗性。
由此可见，高性能混凝土的水灰比必须小于等于0.38，才能具有高的抗渗性和耐久性。
图1水泥浆组成与水灰比关系图2水灰比与水泥石结构
(2)改善混凝土中水泥石与粗骨料之间的界面结构。普通混凝土粗骨料与水泥石之间的界面上积滞着大量的Ca(OH)2；Ca(OH)2与界面上的结晶为定向排列，是混凝土强度与耐久性低下的主要原因。因此，改善混凝土中骨料与水泥石之间的界面结构，是高性能混凝土必须解决的关键技术。高性能混凝土中，掺入部分矿物质超细粉，是改善界面结构的重要途径。
(3)改善混凝土中水泥石的孔结构。以20%的复合超细粉等量取代水泥，采用水灰比为0.35制成的水泥净浆试件测定超细粉对孔结构的影响。试验结果表明，大于1000A的大孔含量高，对混凝土的强度、抗渗性、耐久性都不利；小于1000A的孔含量高，有利于强度、抗渗性和耐久性。超细粉对改善混凝土的孔结构，提高抗渗性、耐久性十分有利。
由此可见，通过使用高效减水剂，降低混凝土的水灰比，并使混凝土具有比较大的流动性和保塑功能，保证施工和浇注混凝土密实性，这是高性能混凝土实现途径的一方面。另一方面，通过超细粉在混凝土中的应用，改善骨料与水泥石的界面结构，改善水泥石的孔结构，提高混凝土的抗渗性、耐久性和强度，这是高性能混凝土实现途径的另一方面。
由此可见，新型高效减水剂和矿物质超细粉是高性能混凝土及混凝土高性能化的物质基础，而混凝土技术又必须与环境相协调即减少环境污染节省资源能源和长寿命。
高強混凝土的制备技术途径和措施主要应采取如下措施。通过采用高效减水剂以降低水灰比；通过添加矿物掺合料，减少毛细孔隙率和毛细孔尺寸，以改善水泥石的孔结构；通过添加矿物掺合料，消耗水化产物中的薄弱部分-氢氧化钙，以改善过渡区的界面结构；采用“水泥裹砂搅拌工艺”和“高频振捣成型工艺”等，以改善混凝土生产施工工艺；养护方面有蒸压养护及湿养护等。高强混凝土的配合比设计要点是：采用优质砂石、矿物掺合料、高效减水剂和高强水泥等原材料，选择较低单位用水量和水泥用量，降低混凝土拌合物的粘度。
混凝土的渗透性对耐久性的影响最大，被认为是衡量混凝土耐久性的最重要的综合指标。混凝土的渗透性越低，抗渗性越好，混凝土的耐久性越好。这是因为许多有害物质是随介质渗透到混凝土内部而起破坏作用的。例如，冻融损坏、钢筋锈蚀及至碱骨料反应，都是由于水及腐蚀性物质渗入到混凝土内部而对混凝土产生破坏作用。提高混凝土的抗渗性，除混凝土本身具有极低的渗透性以外，从实际意义上来说，避免混凝土结构出现裂纹和裂缝更为重要。
向混凝土中引入大量均匀的微小封闭气泡能够有效地改善混凝土的耐久性。这是因为，在混凝土受冻时，气泡能够使因水结冰冻产生的压力得以释放；气泡还能使混凝土内部的有害应力得到缓解；对各种有害物质的渗入起到阻隔作用，以及有利于降低碱骨料反应的危害性膨胀等。因此，向混凝土中掺引气剂已成为提高耐久性的基本措施。
生产高性能混凝土的一种关键材料—高性能外加剂，要求减水剂与水泥具有良好的相容性。凡是水化快和水化产物比表面积大的熟料矿物，其吸附的减水剂多，它与减水剂的相容性就差；反之，两者相容性就好；凡是加速水泥早期水化特别是加速水泥凝结的因素，均不利于水泥与减水剂相容性的改善。石膏种类和掺量、碱含量、混合材种类及掺量都显著影响减水剂与水泥的相容性。
混凝土达到高性能的最重要技术途径是使用优质的高效减水剂和矿物外加剂。前者能降低混凝土的水灰比，增大坍落度和控制坍落度损失，赋予混凝土高密实度和优异的施工性；后者能填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化反应，改善混凝土的界面结构，提高混凝土的密实性强度和耐久性。在混凝土中，渗透性也是一个重要指标。它是指气体、液体或者离子受压力、化学势或者电场的作用，在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。混凝土渗透性与耐久性之间有着密切的关系，混凝土获得高耐久性与长寿命的关键是提高混凝土的抗渗性。例如，混凝土发生硫酸盐腐蚀的必要条件是有水及腐蚀离子进入混凝土内部；发生碱骨料反应需要有水分的参与；钢筋发生锈蚀破坏，需要有离子去破坏钢筋钝化膜或者二氧化碳气体破坏混凝土的高碱性环境，以及有水分和氧气的参与；碳化反应需要有二氧化碳和水分的参与等。如果混凝土抗渗性高，水分及有害离子渗透不到混凝土内部，就不致造成混凝土的损伤破坏。
混凝土电杆在寒冷地区的破坏特点主要是冻融循环破坏及混凝土碳化破坏，以及混凝土冻融循环与氯离子侵蚀相互作用引起电杆耐久性破坏。因此，综合考虑混凝土冻融循环、氯离子侵蚀及碳化的耦合作用，是寒冷地区混凝土电杆耐久性研究的重要问题。对于在各种自然环境条件下工作的混凝土电杆，采用高强抗渗混凝土作为电杆的原材料，有利于提高其耐久性及使用寿命。
混凝土电杆的制备属离心密实成型，其特殊的成型工艺对配合比的设计有特殊的要求。
(1)混凝土拌合料的坍落度控制為2～7cm，因为在混凝土电杆的生产中，水灰比过大易产生离析分层，降低强度，在离心时排出的水泥浆多，致使很大一部分水泥损失掉，增大离心操作控制难度。如离心速度偏低，离心力达不到要求时会出现塌方、空鼓等现象，如水灰比过小又会产生杆体离心成型布料均质性差，混凝土不密实，同时降低了混凝土强度。如离心速度过高又出现外观麻点、粘皮，内壁粗糙等质量缺陷。
(2)在混凝土的配制中值得注意的是:砂子粒径不宜过细。如砂粒径细小，要使产品获得相应强度，务必要增加水泥用量，增加生产成本。石子粒径不宜过大，如果粒径偏大，离心成型时混凝土径向移动受钢筋骨架阻挡，导致成型不密实。此外，砂、石的含泥量和泥块含量也不能超标，因为石子含泥导致砂石料与水泥石界面粘结力削弱，降低混凝土强度。
(3)在选择用于混凝土的骨料时，要求骨料的抗压强度应该超过所配制的混凝土的设计标号。
(4)砂率不能太低，宜控制在40～50%，因为砂率太小，在砂浆成型后混凝土中的剩余水蒸发，留下的气泡较大，而且不均匀。增大砂率，可使气泡较小而且均匀，这对混凝土的防水、防裂纹都有好处。另外，碎石量太多时对离心成型也不利。
三、结论
本文提出了采用高强度及良好的抗渗性能的高强抗渗混凝土代替普通混凝土作为电杆材料，用来解决混凝土脆性大、抗拉强度低、韧性差问题，通过使用高效减水剂，降低混凝土的水灰比，并使混凝土具有比较大的流动性和保塑功能，保证施工和浇注混凝土密实性。通过超细粉在混凝土中的应用，改善骨料与水泥石的界面结构，改善水泥石的孔结构，提高混凝土的抗渗性、耐久性和强度，最后对配合比的设计方面做了特殊的要求。
【参考文献】
（1）《高性能混凝土》冯乃谦.北京:中国建筑工业出版社,1996.
（2）《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2002）
（3）《电杆用混凝土品质控制中几个问题的探讨》陈网和。
（5）《中国水泥与混凝土工业的现状与问题》吴中伟.硅酸盐学报
（6）《锈蚀开裂前混凝土中钢筋锈蚀量的预测模型》牛荻涛.工业建筑。