超高性能混凝土桿介紹

  前言

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

  法國人在20世紀90年代研發(fā)出一種新型水泥復合材料：活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC），該材料的本質是一種超高性能水泥砂漿，但主要應用于建筑的主體結構，因此被稱為“混凝土”。由于活性粉末混凝土是一種專利產品，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，簡稱UHPC）。與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC具有優(yōu)異的力學性能，包括極高的抗壓強度，優(yōu)良的抗沖擊、抗疲勞性能，另外，UHPC材料內部致密，故具有極佳的耐久性。

  我公司歷經多年研究，成功將UHPC材料引入到電桿生產，充分發(fā)揮該材料的強度高、耐侵蝕能力強、材料用量少等特點，使電桿產品的性能在多方面得到大幅提升。產品在保留混凝土桿價格優(yōu)勢的前提下，力學性能達到配電線路所有鐵塔和鋼管桿的承載能力，使用年限將遠超鍍鋅鋼管桿和鐵塔，這將使目前配電線路桿塔市場由鐵塔、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  良好的力學性能，確保桿體的輕質超高強特性

  在遼寧省工程質量檢測中心和我公司力學實驗室對UHPC桿的基體材料UHPC做了一系列性能測試，試驗結果表明UHPC 具有極好的力學性能（見下表）。

  混凝土C60與UHPC的力學性能比較

  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度，經中國電科院和電力工業(yè)杭州線路器材檢測中心多次荷載測試證明，桿體的壁厚減少一半仍可達到傳統(tǒng)桿型的承載力（見端面對比圖），相應桿體重量也降低50%左右，實現了桿體的輕型化。重量的大幅降低大大減輕了運輸和安裝的負荷，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。

  端部尺寸對比

  本產品的基體材料單位重量的抗壓強度與高強鋼相當，遠遠大于傳統(tǒng)混凝土桿的基體強度，按現有混凝土桿設計規(guī)范計算，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角桿的地方使用本產品可以不用打拉線就能滿足要求。還可以實現等尺寸、等強度替代鋼管桿和等強度替代部分鐵塔，《國家電網公司輸變電工程典型設計》2006版中配電線路鋼管桿的所有桿型用本產品都可以覆蓋。

  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、鹽及有機溶劑等腐蝕介質的環(huán)境中抗腐蝕性能較差，維護費用高，使用壽命短。本產品使用的UHPC材料具有較高的密實度，使其具有極低的滲透性、很高的抗環(huán)境介質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重腐蝕環(huán)境和超長年限需求環(huán)境都有許多應用，如被用做鋼管樁防蝕層,在海水中浸泡實驗表明UHPC有很強的防蝕能力,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、海底核廢料庫的支護、海上采油平臺后張預應力管道孔的封堵以及碼頭混凝土受海水腐蝕部位的修補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)、內陸鹽漬土，經常使用融雪劑的道路兩側，以及工業(yè)區(qū)和酸雨多發(fā)地區(qū)等對傳統(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度不低于普通巖石的抗壓強度，因而其具有很強的抗氣蝕、抗沖磨能力，可在有上述性能需求的環(huán)境中長期使用，是一種免維護或低維護結構。

  1.3  為施工帶來方便、為用戶帶來效益

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

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  （2）節(jié)約占地、不用打拉線：在以往的情況下，對于耐張桿和轉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，如拉線位置在非機動車道內，則拉線的設置會影響城市美觀和行人的安全。同尺寸的超高強桿體強度大幅度提高，可以實現在沒有拉線時也能滿足承載力的要求。另外在設計時可適當加大檔距，減少混凝土桿基數，進而減少基礎施工量和占地面積，同時也相應減少了橫擔、絕緣子、金具等的使用量。進一步減低了工程造價。

  （3）替代傳統(tǒng)桿塔效益更加明顯：由于本產品基體材料單位重量的抗壓強度與高強鋼相當，可以替代傳統(tǒng)的鋼管桿和部分鐵塔，而其造價只有鍍鋅鋼管桿的60%左右。而且相對于傳統(tǒng)鋼管桿，基礎開挖面積小，基礎造價低，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：本產品良好的力學性能和耐久性，可確保工程的可靠性，有效地延長工程的使用年限。按現有混凝土桿的老化模型計算，使用年限遠遠超過50年，可有效地保障線路安全和降低線路的維護成本。

  2.   多項專利技術的融合使混凝土桿的品質進一步提升

  2.1  產品結構的改進

  微觀結構的改進：傳統(tǒng)產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，影響產品的品質。本產品所選用的是高標號水泥和不含雜質、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的硅灰，根據最大密實度理論，使各種顆粒達到最大密實化，內部的缺陷（空隙與微裂縫）減少到最小，使基體材料的性能保持穩(wěn)定。

  布筋結構的改進：傳統(tǒng)生產混凝土桿一般采用臥式離心的方式，由于重力影響易產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，保證鋼筋保護層厚度均勻一致，獨創(chuàng)的防開裂配置與環(huán)向預應力配筋，使得薄壁桿體在受外力沖擊時不易破碎，同時避免縱向產生裂縫，進而提升了產品品質。

  連接結構的改進：傳統(tǒng)混凝土桿的桿段連接方式一般采用現場焊接或法蘭連接方式，采用現場焊接方式后期防腐不好處理，且操作復雜；采用法蘭連接方式加工復雜，生產成本高。本產品除了可以按傳統(tǒng)連接方式加工外，還可以憑借基體材料強度高，局部承壓能力強的特點，采用插接（如下圖）方式連接，經過多次試驗和實際工程驗證，這種連接方式既能滿足連接點的強度要求和防腐要求，又能使安裝操作簡化、成本降低。

  2.2  全新的生產工藝流程

  傳統(tǒng)產品的模具都是采用兩個半模合成一個外模，在合?？p處易產生跑漿漏漿現象，影響產品質量并污染生產環(huán)境。本產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。

  成型設備采用我公司多年潛心研制的立式離心機（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。自動灌注技術的應用使混凝土的填裝過程在封閉狀態(tài)下自動進行，相比傳統(tǒng)產品生產工藝，節(jié)省了人力，保證了產品品質的穩(wěn)定性，同時也避免了水泥砂漿外漏，改善了生產環(huán)境。

  3.   為混凝土桿行業(yè)開拓出新的發(fā)展空間

  傳統(tǒng)的混凝土桿產品競爭激烈，利潤較薄。我公司通過多項專利技術的融合，使產品的結構尺寸得到大范圍的擴展，產品的外觀質量大幅提升，擴大了混凝土桿的應用領域，許多過去由鋼管桿獨占的市場也出現了UHPC桿產品，而這部分產品的附加值要遠高于傳統(tǒng)混凝土桿產品。

  3.1  超細桿型

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

  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沒有技術障礙，只要廠房高度和起重設備允許，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力發(fā)電的大型桿體，這部分產品將搶占窄基鐵塔和鋼管桿的市場份額，且性價比更優(yōu)。

  3.3  創(chuàng)新帶來了更大的利潤空間

  首先，由于我們的產品可以實現比傳統(tǒng)產品更密集的預應力配筋，進而減少非預應力配筋量，加上基體材料抗壓強度的大幅提高，使得大彎矩桿體的材料成本低于傳統(tǒng)產品的成本，用UHPC桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大彎矩桿將獲得更多的利潤。數據對比如下：

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  廣東電網公司2014年二級物資大彎矩混凝土桿價格及UHPC桿材料成本

  數據表明：彎矩越大，UHPC桿的利潤空間越大。

  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減少，這也間接地為制造商帶來了利潤。

  4.   為社會創(chuàng)造效益

  4.1  有利于保護環(huán)境，減少霧霾

  由于UHPC強度高，用其制作的UHPC桿壁厚減小,單位工程的水泥總用量遠少于普通混凝土桿的用量, 對同一工程而言(見下表) UHPC水泥總用量最省。如果全國生產混凝土桿和管樁的公司都采用這種原料和技術，全國水泥年消耗量可減少數百萬噸，這將有利于保護環(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，由于本產品耐候性的增強，相比于傳統(tǒng)產品其使用年限延長，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

  由于本產品強度高可以實現等強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的能源消耗，也減少了對進口鐵礦石的需求，符合我國長期的發(fā)展戰(zhàn)略。

  5.   應用情況

  2013年底開始，UHPC桿產品在國網公司的輸配電線路抗強風項目、抗鹽堿侵蝕項目及大彎矩轉角桿等不同地區(qū)的試驗工程中開始試用，目前反饋效果良好，2015年將進入標準編制和推廣應用階段。