超高性能混凝土桿介紹

  前言

  多年來，國(guó)內(nèi)的混凝土桿產(chǎn)品一直沿用著傳統(tǒng)的工藝和原料進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品存在重量重、強(qiáng)度低、耐鹽堿侵蝕能力差、壽命短、材料消耗大等諸多缺陷，在配電線路轉(zhuǎn)角和耐張部位無法與鋼管桿和鐵塔抗衡。

  法國(guó)人在20世紀(jì)90年代研發(fā)出一種新型水泥復(fù)合材料：活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC），該材料的本質(zhì)是一種超高性能水泥砂漿，但主要應(yīng)用于建筑的主體結(jié)構(gòu)，因此被稱為“混凝土”。由于活性粉末混凝土是一種專利產(chǎn)品，歐洲將采用RPC制備原理制成的水泥基材料稱為超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC）。與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)性能，包括極高的抗壓強(qiáng)度，優(yōu)良的抗沖擊、抗疲勞性能，另外，UHPC材料內(nèi)部致密，故具有極佳的耐久性。

  我公司歷經(jīng)多年研究，成功將UHPC材料引入到電桿生產(chǎn)，充分發(fā)揮該材料的強(qiáng)度高、耐侵蝕能力強(qiáng)、材料用量少等特點(diǎn)，使電桿產(chǎn)品的性能在多方面得到大幅提升。產(chǎn)品在保留混凝土桿價(jià)格優(yōu)勢(shì)的前提下，力學(xué)性能達(dá)到配電線路所有鐵塔和鋼管桿的承載能力，使用年限將遠(yuǎn)超鍍鋅鋼管桿和鐵塔，這將使目前配電線路桿塔市場(chǎng)由鐵塔、鋼管桿和混凝土桿三分天下的格局被打破，可能形成UHPC桿通吃的局面。

  1.  基體材料的性能決定了UHPC桿的特性

  1.1  良好的力學(xué)性能，確保桿體的輕質(zhì)超高強(qiáng)特性

  在遼寧省工程質(zhì)量檢測(cè)中心和我公司力學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)UHPC桿的基體材料UHPC做了一系列性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明UHPC 具有極好的力學(xué)性能（見下表）。

  混凝土C60與UHPC的力學(xué)性能比較

  由于UHPC桿的基體材料具有超出傳統(tǒng)混凝土一倍以上的強(qiáng)度，經(jīng)中國(guó)電科院和電力工業(yè)杭州線路器材檢測(cè)中心多次荷載測(cè)試證明，桿體的壁厚減少一半仍可達(dá)到傳統(tǒng)桿型的承載力（見端面對(duì)比圖），相應(yīng)桿體重量也降低50%左右，實(shí)現(xiàn)了桿體的輕型化。重量的大幅降低大大減輕了運(yùn)輸和安裝的負(fù)荷，這不僅意味著節(jié)省人力和成本，還意味著安裝速度的加快。

  端部尺寸對(duì)比

  本產(chǎn)品的基體材料單位重量的抗壓強(qiáng)度與高強(qiáng)鋼相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)混凝土桿的基體強(qiáng)度，按現(xiàn)有混凝土桿設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，用它制造的混凝土桿可滿足大彎矩桿塔的承載要求，在線路需要耐張桿和轉(zhuǎn)角桿的地方使用本產(chǎn)品可以不用打拉線就能滿足要求。還可以實(shí)現(xiàn)等尺寸、等強(qiáng)度替代鋼管桿和等強(qiáng)度替代部分鐵塔，《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計(jì)》2006版中配電線路鋼管桿的所有桿型用本產(chǎn)品都可以覆蓋。

  1.2  優(yōu)異的耐候性可大幅提升使用年限

  傳統(tǒng)混凝土桿、鋼管桿和鐵塔在含有酸、堿、鹽及有機(jī)溶劑等腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中抗腐蝕性能較差，維護(hù)費(fèi)用高，使用壽命短。本產(chǎn)品使用的UHPC材料具有較高的密實(shí)度，使其具有極低的滲透性、很高的抗環(huán)境介質(zhì)侵蝕能力和抗高寒地區(qū)凍融循環(huán)破壞能力（見下表），從而提高了UHPC桿的耐久性。

  混凝土C60與UHPC120的耐久性比較

  UHPC材料在歐美和日本等地在嚴(yán)重腐蝕環(huán)境和超長(zhǎng)年限需求環(huán)境都有許多應(yīng)用，如被用做鋼管樁防蝕層,在海水中浸泡實(shí)驗(yàn)表明UHPC有很強(qiáng)的防蝕能力,鋼管樁表面無銹蝕仍有金屬光澤。還有用于海底輸氣管道的隧洞襯砌、海底核廢料庫(kù)的支護(hù)、海上采油平臺(tái)后張預(yù)應(yīng)力管道孔的封堵以及碼頭混凝土受海水腐蝕部位的修補(bǔ)等普通混凝土無法滿足要求的環(huán)境中使用，防腐效果都非常明顯。由此可以推斷，用UHPC材料制作的桿體特別適合于鹽堿河灘、沿海地區(qū)、內(nèi)陸鹽漬土，經(jīng)常使用融雪劑的道路兩側(cè)，以及工業(yè)區(qū)和酸雨多發(fā)地區(qū)等對(duì)傳統(tǒng)混凝土桿、鋼管桿和鐵塔有特殊防腐要求的環(huán)境中使用，可有效地提高桿塔的可靠性和耐久性。另外由于基體材料的抗壓強(qiáng)度不低于普通巖石的抗壓強(qiáng)度，因而其具有很強(qiáng)的抗氣蝕、抗沖磨能力，可在有上述性能需求的環(huán)境中長(zhǎng)期使用，是一種免維護(hù)或低維護(hù)結(jié)構(gòu)。

  1.3  為施工帶來方便、為用戶帶來效益

  （1）降低運(yùn)輸和安裝成本：傳統(tǒng)混凝土桿由于桿體重量太大，在不便運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境中，有時(shí)需要鋪設(shè)專門的道路來運(yùn)輸，造成運(yùn)輸與安裝不便且費(fèi)用比其他材料都要高。由于UHPC桿的桿體重量可降低50%左右，使得安裝和運(yùn)輸過程中的附加費(fèi)用大幅減少。

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  （2）節(jié)約占地、不用打拉線：在以往的情況下，對(duì)于耐張桿和轉(zhuǎn)角桿一般是采用帶拉線的混凝土桿或鋼管桿，帶拉線的混凝土桿需要較大的占地面積，如拉線位置在非機(jī)動(dòng)車道內(nèi)，則拉線的設(shè)置會(huì)影響城市美觀和行人的安全。同尺寸的超高強(qiáng)桿體強(qiáng)度大幅度提高，可以實(shí)現(xiàn)在沒有拉線時(shí)也能滿足承載力的要求。另外在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)加大檔距，減少混凝土桿基數(shù)，進(jìn)而減少基礎(chǔ)施工量和占地面積，同時(shí)也相應(yīng)減少了橫擔(dān)、絕緣子、金具等的使用量。進(jìn)一步減低了工程造價(jià)。

  （3）替代傳統(tǒng)桿塔效益更加明顯：由于本產(chǎn)品基體材料單位重量的抗壓強(qiáng)度與高強(qiáng)鋼相當(dāng)，可以替代傳統(tǒng)的鋼管桿和部分鐵塔，而其造價(jià)只有鍍鋅鋼管桿的60%左右。而且相對(duì)于傳統(tǒng)鋼管桿，基礎(chǔ)開挖面積小，基礎(chǔ)造價(jià)低，安裝方便，可縮短工期，提高施工效率。

  （4）全壽命周期效益更佳：本產(chǎn)品良好的力學(xué)性能和耐久性，可確保工程的可靠性，有效地延長(zhǎng)工程的使用年限。按現(xiàn)有混凝土桿的老化模型計(jì)算，使用年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50年，可有效地保障線路安全和降低線路的維護(hù)成本。

  2.   多項(xiàng)專利技術(shù)的融合使混凝土桿的品質(zhì)進(jìn)一步提升

  2.1  產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

  微觀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：傳統(tǒng)產(chǎn)品中沙的含泥量較大，粗骨料有微裂紋，存在較多離散性缺陷，影響產(chǎn)品的品質(zhì)。本產(chǎn)品所選用的是高標(biāo)號(hào)水泥和不含雜質(zhì)、極配優(yōu)良的人工沙為主要原料，取消了傳統(tǒng)混凝土中的粗骨料，而且添加了比水泥微粒更細(xì)的硅灰，根據(jù)最大密實(shí)度理論，使各種顆粒達(dá)到最大密實(shí)化，內(nèi)部的缺陷（空隙與微裂縫）減少到最小，使基體材料的性能保持穩(wěn)定。

  布筋結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：傳統(tǒng)生產(chǎn)混凝土桿一般采用臥式離心的方式，由于重力影響易產(chǎn)生鋼筋位置下沉和偏移，而本工藝的鋼筋布置采用立式放置工藝消除了重力影響，保證鋼筋在理想位置不動(dòng)，保證鋼筋保護(hù)層厚度均勻一致，獨(dú)創(chuàng)的防開裂配置與環(huán)向預(yù)應(yīng)力配筋，使得薄壁桿體在受外力沖擊時(shí)不易破碎，同時(shí)避免縱向產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而提升了產(chǎn)品品質(zhì)。

  連接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：傳統(tǒng)混凝土桿的桿段連接方式一般采用現(xiàn)場(chǎng)焊接或法蘭連接方式，采用現(xiàn)場(chǎng)焊接方式后期防腐不好處理，且操作復(fù)雜；采用法蘭連接方式加工復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。本產(chǎn)品除了可以按傳統(tǒng)連接方式加工外，還可以憑借基體材料強(qiáng)度高，局部承壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，采用插接（如下圖）方式連接，經(jīng)過多次試驗(yàn)和實(shí)際工程驗(yàn)證，這種連接方式既能滿足連接點(diǎn)的強(qiáng)度要求和防腐要求，又能使安裝操作簡(jiǎn)化、成本降低。

  2.2  全新的生產(chǎn)工藝流程

  傳統(tǒng)產(chǎn)品的模具都是采用兩個(gè)半模合成一個(gè)外模，在合模縫處易產(chǎn)生跑漿漏漿現(xiàn)象，影響產(chǎn)品質(zhì)量并污染生產(chǎn)環(huán)境。本產(chǎn)品除了可以采用傳統(tǒng)模具外，還可以采用整體全封閉外模成型工藝制造，不僅制成的桿體外觀無合?？p，不會(huì)有跑漿漏漿的缺陷，光滑美觀，尺寸精度提高，而且模具成本也大幅降低。

  成型設(shè)備采用我公司多年潛心研制的立式離心機(jī)（如下圖）、可徹底消除鋼筋因重力造成的位置偏移，保證薄壁桿的高精度定位要求。自動(dòng)灌注技術(shù)的應(yīng)用使混凝土的填裝過程在封閉狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)行，相比傳統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，節(jié)省了人力，保證了產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，同時(shí)也避免了水泥砂漿外漏，改善了生產(chǎn)環(huán)境。

  3.   為混凝土桿行業(yè)開拓出新的發(fā)展空間

  傳統(tǒng)的混凝土桿產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，利潤(rùn)較薄。我公司通過多項(xiàng)專利技術(shù)的融合，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸得到大范圍的擴(kuò)展，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量大幅提升，擴(kuò)大了混凝土桿的應(yīng)用領(lǐng)域，許多過去由鋼管桿獨(dú)占的市場(chǎng)也出現(xiàn)了UHPC桿產(chǎn)品，而這部分產(chǎn)品的附加值要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝土桿產(chǎn)品。

  3.1  超細(xì)桿型

  新工藝可生產(chǎn)出稍徑小于100mm的超細(xì)且表面光滑的UHPC桿型（如下圖），可用于替代燈桿、監(jiān)控桿、交通標(biāo)志桿等超細(xì)鋼管桿產(chǎn)品，不僅滿足了強(qiáng)度的要求，降低了成本，還延長(zhǎng)了使用壽命。這類產(chǎn)品市場(chǎng)面更廣，利潤(rùn)空間更大。

  3.2  超大桿型

  由于我公司使用的成型工藝受直徑變化的影響較小，所用的成型模具為錐形鋼筒且不需要多個(gè)跑輪，因此模具成本較低，直徑和錐度變化靈活，在制造超大直徑及超大彎矩桿型時(shí)沒有技術(shù)障礙，只要廠房高度和起重設(shè)備允許，可以很容易制造出直徑2～4米、開裂彎矩大于5000千牛?米的用于高壓輸電和風(fēng)力發(fā)電的大型桿體，這部分產(chǎn)品將搶占窄基鐵塔和鋼管桿的市場(chǎng)份額，且性價(jià)比更優(yōu)。

  3.3  創(chuàng)新帶來了更大的利潤(rùn)空間

  首先，由于我們的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)產(chǎn)品更密集的預(yù)應(yīng)力配筋，進(jìn)而減少非預(yù)應(yīng)力配筋量，加上基體材料抗壓強(qiáng)度的大幅提高，使得大彎矩桿體的材料成本低于傳統(tǒng)產(chǎn)品的成本，用UHPC桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大彎矩桿將獲得更多的利潤(rùn)。數(shù)據(jù)對(duì)比如下：

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  廣東電網(wǎng)公司2014年二級(jí)物資大彎矩混凝土桿價(jià)格及UHPC桿材料成本

  數(shù)據(jù)表明：彎矩越大，UHPC桿的利潤(rùn)空間越大。

  其次，相比于傳統(tǒng)模具而言，新型模具成本的降低和租用模式的引入也使得資金的占用量相應(yīng)減少，這也間接地為制造商帶來了利潤(rùn)。

  4.   為社會(huì)創(chuàng)造效益

  4.1  有利于保護(hù)環(huán)境，減少霧霾

  由于UHPC強(qiáng)度高，用其制作的UHPC桿壁厚減小,單位工程的水泥總用量遠(yuǎn)少于普通混凝土桿的用量, 對(duì)同一工程而言(見下表) UHPC水泥總用量最省。如果全國(guó)生產(chǎn)混凝土桿和管樁的公司都采用這種原料和技術(shù)，全國(guó)水泥年消耗量可減少數(shù)百萬噸，這將有利于保護(hù)環(huán)境，減少“霧霾天氣”的發(fā)生。

  同一工程使用 3 種混凝土原材料消耗量比較

  另外，由于本產(chǎn)品耐候性的增強(qiáng)，相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品其使用年限延長(zhǎng)，間接的也減少了資源消耗，也起到了節(jié)能減排的作用。

  4.2  減少資源依賴

  由于本產(chǎn)品強(qiáng)度高可以實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度代替鋼管桿和部分鐵塔，這意味著工程的用鋼量大幅減少，不僅減少了鋼鐵生產(chǎn)的能源消耗，也減少了對(duì)進(jìn)口鐵礦石的需求，符合我國(guó)長(zhǎng)期的發(fā)展戰(zhàn)略。

  5.   應(yīng)用情況

  2013年底開始，UHPC桿產(chǎn)品在國(guó)網(wǎng)公司的輸配電線路抗強(qiáng)風(fēng)項(xiàng)目、抗鹽堿侵蝕項(xiàng)目及大彎矩轉(zhuǎn)角桿等不同地區(qū)的試驗(yàn)工程中開始試用，目前反饋效果良好，2015年將進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)編制和推廣應(yīng)用階段。