超高性能混凝土杆介绍

  前言

  多年来，国内的混凝土杆产品一直沿用着传统的工艺和原料进行生产，生产的产品存在重量重、强度低、耐盐碱侵蚀能力差、寿命短、材料消耗大等诸多缺陷，在配电线路转角和耐张部位无法与钢管杆和铁塔抗衡。

  法国人在20世纪90年代研发出一种新型水泥复合材料：活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC），该材料的本质是一种超高性能水泥砂浆，但主要应用于建筑的主体结构，因此被称为“混凝土”。由于活性粉末混凝土是一种专利产品，欧洲将采用RPC制备原理制成的水泥基材料称为超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC）。与传统混凝土相比，UHPC具有优异的力学性能，包括极高的抗压强度，优良的抗冲击、抗疲劳性能，另外，UHPC材料内部致密，故具有极佳的耐久性。

  我公司历经多年研究，成功将UHPC材料引入到电杆生产，充分发挥该材料的强度高、耐侵蚀能力强、材料用量少等特点，使电杆产品的性能在多方面得到大幅提升。产品在保留混凝土杆价格优势的前提下，力学性能达到配电线路所有铁塔和钢管杆的承载能力，使用年限将远超镀锌钢管杆和铁塔，这将使目前配电线路杆塔市场由铁塔、钢管杆和混凝土杆三分天下的格局被打破，可能形成UHPC杆通吃的局面。

  1.  基体材料的性能决定了UHPC杆的特性

  1.1  良好的力学性能，确保杆体的轻质超高强特性

  在辽宁省工程质量检测中心和我公司力学实验室对UHPC杆的基体材料UHPC做了一系列性能测试，试验结果表明UHPC 具有极好的力学性能（见下表）。

  混凝土C60与UHPC的力学性能比较

  由于UHPC杆的基体材料具有超出传统混凝土一倍以上的强度，经中国电科院和电力工业杭州线路器材检测中心多次荷载测试证明，杆体的壁厚减少一半仍可达到传统杆型的承载力（见端面对比图），相应杆体重量也降低50%左右，实现了杆体的轻型化。重量的大幅降低大大减轻了运输和安装的负荷，这不仅意味着节省人力和成本，还意味着安装速度的加快。

  端部尺寸对比

  本产品的基体材料单位重量的抗压强度与高强钢相当，远远大于传统混凝土杆的基体强度，按现有混凝土杆设计规范计算，用它制造的混凝土杆可满足大弯矩杆塔的承载要求，在线路需要耐张杆和转角杆的地方使用本产品可以不用打拉线就能满足要求。还可以实现等尺寸、等强度替代钢管杆和等强度替代部分铁塔，《国家电网公司输变电工程典型设计》2006版中配电线路钢管杆的所有杆型用本产品都可以覆盖。

  1.2  优异的耐候性可大幅提升使用年限

  传统混凝土杆、钢管杆和铁塔在含有酸、碱、盐及有机溶剂等腐蚀介质的环境中抗腐蚀性能较差，维护费用高，使用寿命短。本产品使用的UHPC材料具有较高的密实度，使其具有极低的渗透性、很高的抗环境介质侵蚀能力和抗高寒地区冻融循环破坏能力（见下表），从而提高了UHPC杆的耐久性。

  混凝土C60与UHPC120的耐久性比较

  UHPC材料在欧美和日本等地在严重腐蚀环境和超长年限需求环境都有许多应用，如被用做钢管桩防蚀层,在海水中浸泡实验表明UHPC有很强的防蚀能力,钢管桩表面无锈蚀仍有金属光泽。还有用于海底输气管道的隧洞衬砌、海底核废料库的支护、海上采油平台后张预应力管道孔的封堵以及码头混凝土受海水腐蚀部位的修补等普通混凝土无法满足要求的环境中使用，防腐效果都非常明显。由此可以推断，用UHPC材料制作的杆体特别适合于盐碱河滩、沿海地区、内陆盐渍土，经常使用融雪剂的道路两侧，以及工业区和酸雨多发地区等对传统混凝土杆、钢管杆和铁塔有特殊防腐要求的环境中使用，可有效地提高杆塔的可靠性和耐久性。另外由于基体材料的抗压强度不低于普通岩石的抗压强度，因而其具有很强的抗气蚀、抗冲磨能力，可在有上述性能需求的环境中长期使用，是一种免维护或低维护结构。

  1.3  为施工带来方便、为用户带来效益

  （1）降低运输和安装成本：传统混凝土杆由于杆体重量太大，在不便运输的环境中，有时需要铺设专门的道路来运输，造成运输与安装不便且费用比其他材料都要高。由于UHPC杆的杆体重量可降低50%左右，使得安装和运输过程中的附加费用大幅减少。

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  （2）节约占地、不用打拉线：在以往的情况下，对于耐张杆和转角杆一般是采用带拉线的混凝土杆或钢管杆，带拉线的混凝土杆需要较大的占地面积，如拉线位置在非机动车道内，则拉线的设置会影响城市美观和行人的安全。同尺寸的超高强杆体强度大幅度提高，可以实现在没有拉线时也能满足承载力的要求。另外在设计时可适当加大档距，减少混凝土杆基数，进而减少基础施工量和占地面积，同时也相应减少了横担、绝缘子、金具等的使用量。进一步减低了工程造价。

  （3）替代传统杆塔效益更加明显：由于本产品基体材料单位重量的抗压强度与高强钢相当，可以替代传统的钢管杆和部分铁塔，而其造价只有镀锌钢管杆的60%左右。而且相对于传统钢管杆，基础开挖面积小，基础造价低，安装方便，可缩短工期，提高施工效率。

  （4）全寿命周期效益更佳：本产品良好的力学性能和耐久性，可确保工程的可靠性，有效地延长工程的使用年限。按现有混凝土杆的老化模型计算，使用年限远远超过50年，可有效地保障线路安全和降低线路的维护成本。

  2.   多项专利技术的融合使混凝土杆的品质进一步提升

  2.1  产品结构的改进

  微观结构的改进：传统产品中沙的含泥量较大，粗骨料有微裂纹，存在较多离散性缺陷，影响产品的品质。本产品所选用的是高标号水泥和不含杂质、极配优良的人工沙为主要原料，取消了传统混凝土中的粗骨料，而且添加了比水泥微粒更细的硅灰，根据最大密实度理论，使各种颗粒达到最大密实化，内部的缺陷（空隙与微裂缝）减少到最小，使基体材料的性能保持稳定。

  布筋结构的改进：传统生产混凝土杆一般采用卧式离心的方式，由于重力影响易产生钢筋位置下沉和偏移，而本工艺的钢筋布置采用立式放置工艺消除了重力影响，保证钢筋在理想位置不动，保证钢筋保护层厚度均匀一致，独创的防开裂配置与环向预应力配筋，使得薄壁杆体在受外力冲击时不易破碎，同时避免纵向产生裂缝，进而提升了产品品质。

  连接结构的改进：传统混凝土杆的杆段连接方式一般采用现场焊接或法兰连接方式，采用现场焊接方式后期防腐不好处理，且操作复杂；采用法兰连接方式加工复杂，生产成本高。本产品除了可以按传统连接方式加工外，还可以凭借基体材料强度高，局部承压能力强的特点，采用插接（如下图）方式连接，经过多次试验和实际工程验证，这种连接方式既能满足连接点的强度要求和防腐要求，又能使安装操作简化、成本降低。

  2.2  全新的生产工艺流程

  传统产品的模具都是采用两个半模合成一个外模，在合模缝处易产生跑浆漏浆现象，影响产品质量并污染生产环境。本产品除了可以采用传统模具外，还可以采用整体全封闭外模成型工艺制造，不仅制成的杆体外观无合模缝，不会有跑浆漏浆的缺陷，光滑美观，尺寸精度提高，而且模具成本也大幅降低。

  成型设备采用我公司多年潜心研制的立式离心机（如下图）、可彻底消除钢筋因重力造成的位置偏移，保证薄壁杆的高精度定位要求。自动灌注技术的应用使混凝土的填装过程在封闭状态下自动进行，相比传统产品生产工艺，节省了人力，保证了产品品质的稳定性，同时也避免了水泥砂浆外漏，改善了生产环境。

  3.   为混凝土杆行业开拓出新的发展空间

  传统的混凝土杆产品竞争激烈，利润较薄。我公司通过多项专利技术的融合，使产品的结构尺寸得到大范围的扩展，产品的外观质量大幅提升，扩大了混凝土杆的应用领域，许多过去由钢管杆独占的市场也出现了UHPC杆产品，而这部分产品的附加值要远高于传统混凝土杆产品。

  3.1  超细杆型

  新工艺可生产出稍径小于100mm的超细且表面光滑的UHPC杆型（如下图），可用于替代灯杆、监控杆、交通标志杆等超细钢管杆产品，不仅满足了强度的要求，降低了成本，还延长了使用寿命。这类产品市场面更广，利润空间更大。

  3.2  超大杆型

  由于我公司使用的成型工艺受直径变化的影响较小，所用的成型模具为锥形钢筒且不需要多个跑轮，因此模具成本较低，直径和锥度变化灵活，在制造超大直径及超大弯矩杆型时没有技术障碍，只要厂房高度和起重设备允许，可以很容易制造出直径2～4米、开裂弯矩大于5000千牛?米的用于高压输电和风力发电的大型杆体，这部分产品将抢占窄基铁塔和钢管杆的市场份额，且性价比更优。

  3.3  创新带来了更大的利润空间

  首先，由于我们的产品可以实现比传统产品更密集的预应力配筋，进而减少非预应力配筋量，加上基体材料抗压强度的大幅提高，使得大弯矩杆体的材料成本低于传统产品的成本，用UHPC杆代替传统的大弯矩杆将获得更多的利润。数据对比如下：

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  广东电网公司2014年二级物资大弯矩混凝土杆价格及UHPC杆材料成本

  数据表明：弯矩越大，UHPC杆的利润空间越大。

  其次，相比于传统模具而言，新型模具成本的降低和租用模式的引入也使得资金的占用量相应减少，这也间接地为制造商带来了利润。

  4.   为社会创造效益

  4.1  有利于保护环境，减少雾霾

  由于UHPC强度高，用其制作的UHPC杆壁厚减小,单位工程的水泥总用量远少于普通混凝土杆的用量, 对同一工程而言(见下表) UHPC水泥总用量最省。如果全国生产混凝土杆和管桩的公司都采用这种原料和技术，全国水泥年消耗量可减少数百万吨，这将有利于保护环境，减少“雾霾天气”的发生。

  同一工程使用 3 种混凝土原材料消耗量比较

  另外，由于本产品耐候性的增强，相比于传统产品其使用年限延长，间接的也减少了资源消耗，也起到了节能减排的作用。

  4.2  减少资源依赖

  由于本产品强度高可以实现等强度代替钢管杆和部分铁塔，这意味着工程的用钢量大幅减少，不仅减少了钢铁生产的能源消耗，也减少了对进口铁矿石的需求，符合我国长期的发展战略。

  5.   应用情况

  2013年底开始，UHPC杆产品在国网公司的输配电线路抗强风项目、抗盐碱侵蚀项目及大弯矩转角杆等不同地区的试验工程中开始试用，目前反馈效果良好，2015年将进入标准编制和推广应用阶段。