蔡汉生1，滕芸2，贾磊1，郑智慧2，胡上茂1，鲁海亮2，刘刚1，文习山2
(1. 直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州510663；2. 武汉大学电气工程学院，武汉430072)
摘要：深井型直流接地极(简称深井接地极)被持续施加恒定直流时，固井混凝土作为电解质会与井壁钢套管发生腐蚀电化学反应，造成混凝土电阻率的改变。为研究不同状态的混凝土在直流作用下电阻率随着通电时间的变化规律，本文按实际深井接地极工程用混凝土配比配制试样，对固结3～7 d及完全固结后的干燥、浸渍混凝土试块进行了直流实验。综合实验结果表明：固结初期混凝土电阻率变化规律符合Archie公式；固结期内、完全固结后又被水浸渍的混凝土随通电时间的增加电阻率升高；完全固结并干燥的混凝土电阻率随通电时间的增加电阻率降低。分析认为直流极化作用是导致二者趋势差异的主要原因。
关键词：深井接地极；固井混凝土；固结时间；电极反应；直流极化；电阻率
直流接地极是直流输电工程中的重要组成部分，当直流输电系统在单极大地回线方式或双极方式运行过程中发生单极故障时，直流接地极会将数千安培的工作电流导入大地，通过大地回流方式进行短时的单极输电；系统双极正常运行时，数十安培的中性点不平衡电流也会通过接地极泄入大地。为将电流安全导入地中，并尽可能减少建设投资，需寻求经济适用的接地极方案[1]。深井型直流接地极作为埋深更长的一种特殊垂直型直流接地极，不仅占地少且在深层土壤电阻率较低的地区具有很好的适用性，近年来开始应用于直流输电工程中[2]。由于该类接地极埋深长，为避免发生土石塌方，工程中选用钢套管作为固定接地极馈电棒和焦炭填充层的井壁，将混凝土浇筑在井外壁及馈电棒底部进行支撑。在混凝土的固结期内，由于不同固结阶段胶结程度不同，其孔隙率因此而不同，根据Archie公式混凝土电阻率将随孔隙率而变化。另外，混凝土属于强电解质[3]，当馈电棒持续通过直流电流时，井壁钢套管作为阳极与混凝土在界面处发生腐蚀电化学反应，极化效应也将导致混凝土电阻率发生变化。
在土木建筑领域，为了研究固结期内混凝土内部结构变化，有不少研究者选择用电阻率的变化来表征混凝土内孔隙度和游离水的变化过程[4]，或通过测量混凝土电阻率判断其在电解质环境中的腐蚀情况[5]、耐久性[6]，以及温度、水灰比、混凝土成分、含水率等因素对电阻率的影响[7 - 8]。但这些研究更侧重于用测得的电阻率表征混凝土内部结构的变化，得到的结论包括：混凝土电阻率随温度升高而降低、随水灰比的增加而减小、随粉煤灰掺比的增加而增大、随自然养护龄期的增加呈先增加后减小的波动趋势等。
蔡汉生，等：深井型直流接地极固井混凝土电阻率变化规律以上研究中对混凝土施加的电压或电流持续时间较短，且为避免直流极化的影响通常采用温纳四极法、非接触式法、交流阻抗谱等方法进行电阻率测量[9 - 12]。由于混凝土主要用于各类建筑工程，一般不会有持续电流通过，因此针对直流电流作用下混凝土随通电时间增加电阻率的变化规律的暂没有相关研究，而直流接地极工作环境的特殊性决定了混凝土内通过的直流电流是持续性的，既无法避免直流带来的极化效应，且随时间的延长还可能加重极化效应对混凝土的影响。因此有必要对深井接地极固井混凝土电阻率变化规律进行研究。本文按工程用混凝土水灰比配制试样，对固结3～7 d及完全固结后的干燥、浸渍混凝土试块进行了直流实验，研究了直流作用下不同状态混凝土电阻率随时间的变化规律，旨在为实际深井接地工程中固井混凝土的施工提供一定参考。
为研究深井直流接地极固井混凝土与井壁金属接触面电阻率随施加电流时间的变化规律，本文设计了如图1所示的混凝土电阻率实验平台。由于普通水泥砂浆的砂石量约为灰、水质量的总和，其电阻率较大，而在实际深井接地极工程中，固井混凝土除考虑强度，还应便于接地极散流，因此深井接地工程用的固井混凝土砂石含量仅为灰、水质量总和的10%，水灰比为0.5。
图1 实验电路示意图
Fig.1 Diagram of test circuit
按比例混合好混凝土浆液后，浇入半径10 cm，高度0.5 m的钢管中，在钢管中心埋入1根钢制馈电棒，并在馈电棒上绑制1个温度传感器，按图1所示电路图接线。施加恒定直流电流，将数据采集卡作为电压表并联在混凝土正负极，实时记录电压随时间的变化，串联万用表作为电流表。混凝土中埋入温度传感器，监测混凝土内部温度随时间的变化，防止电流太大造成内部温升过高。
深井直流接地极工程的设计参数如表1所示。有效散流长度为600 m，护壁钢管直径为340 mm，额定入地电流为3 125 A(3口井)，单极大地最大连续运行时间为24 h，仿真计算得到额定电流下深井接地极最大溢流密度约为2.5 A/m2。另据本文所使用的混凝土尺寸，在1 A直流电流作用下，计算得到馈电棒表面电流密度约为63.03 A/m2，因此连续通电1 h即可等效单极大地运行时实际深井接地极每平方米的安时数。为更好地总结实验规律，获取更多实验数据，本文的实验设计选取直流通电持续时间为0～3 h，电流大小为1 A。
表1 实际深井接地极与试验样品参数对比
Tab.1 Parameters comparison of the actual deep well grounding electrodes and the test sample
参数深井接地极参数试验样品额定电流/A3125施加的恒定电流/A1溢流电流密度/(A×m-2)≤25表面电流密度6303单极大地连续运行时间/h≤24通电时间/h≤3安时数/(Ah×m-2)60安时数/(Ah×m-2)189
实验分两组进行，分别研究固结期、含水状态对混凝土持续通电下电阻率的影响。
第1组：混凝土试块分别在固结3 d、5 d、7 d和完全固结并干燥状态时，分析其持续通入1 A直流电流3～4 h时的电阻率变化规律。根据文献[13]，混凝土标准养护期为28 d。混凝土的强度检验期通常为3 d、7 d、28 d，即28 d以上可视为完全固结。为收集更多的实验数据，本文增加了固结第5 d的实验组，即取3 d、5 d、7 d及28 d以上4个时间段作为测量混凝土电阻率的4个不同的固结状态。
第2组：对完全固结后的混凝土试块进行干燥、浸渍条件下的直流实验。混凝土试块完全固结后在试块表面加水，等待24 h使表面水逐步将整块混凝土浸渍透彻，并在加水当天、加水的第3 d、第6 d对其进行直流实验，模拟实际工程中混凝土固结干燥后被地下水浸渍条件下，持续通流时的电阻率变化。
2.1 固结阶段的影响
不同固结阶段下的混凝土在持续通直流电流3～4 h时间内的电阻率变化规律如图2所示。对应每条曲线的第一个点，固结3 d、5 d、7 d的混凝土初始电阻率的数值呈上升趋势。固结28 d后(即本文所述完全固结状态)的混凝土初始电阻率与固结7 d初始电阻率相近。
图2 不同固结阶段的混凝土直流作用下电阻率变化
Fig.2 Electrical resistivity variation of concrete in different curing period under DC
另外，由图2可知直流作用下固结期内的混凝土电阻率随通电时间的延长而增加，而完全固结并干燥的混凝土电阻率随通电时间的延长而下降。而当实验完毕停止通电后，混凝土电阻率会有所恢复。
由图3可知，不同固结阶段的混凝土在直流作用下温度均呈上升趋势，且温升速率由快逐渐变缓，且完全固结并干燥的混凝土在初期的上升速率最快。
图3 不同固结阶段的混凝土直流作用下温度变化
Fig.3 Temperature variation of concrete in different curing period under DC
2.2 不同含水状态的影响
完全固结的混凝土在干燥、浸渍条件下电阻率和温度变化如图4—5所示。由图4可知，干燥的混凝土在被水重新浸渍过后，其初始电阻率由干燥状态时的35 Ω·m下降至20～23 Ω·m，且在直流作用下会重新呈现随通电时间延长电阻率升高的趋势。在1 h内，加水当天的混凝土试样电阻率从22.0 Ω·m增加至28.0 Ω·m，上升了27.3%；加水3 d的试样电阻率从23 Ω·m增加至26.5 Ω·m，上升了15.2%；加水6 d的试样电阻率从20.5 Ω·m增加至23 Ω·m，上升了12.2%。可见，不同含水状态下，通电1 h后电阻率升高约10%～30%。由图5可知，各组混凝土温度随通电时间的增加而升高。
图4 完全固结的混凝土在干燥、浸渍条件下电阻率变化
Fig.4 Electrical resistivity variation of cured concrete under dry and wet conditions
图5 完全固结的混凝土在干燥、浸渍条件下温度变化
Fig.5 Temperature variation of cured concrete under dry and wet conditions
3.1 不同固结程度下混凝土的初始电阻率
混凝土组分复杂，其骨料主要包括CaSiO3、CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3以及CaSO4·2H2O和少量掺杂成分，其孔溶液中存在大量的
(1)
式中：ρ0为砂岩电阻率；ρW为砂岩孔隙水的电阻率；a为岩性系数，通常取0.5；Φ为孔隙度；m为岩石曲折度，取值1.3～2。
式(1)表明了岩石电阻率与孔隙度之间的关系。将式(1)应用于混凝土中时，F代表混凝土实测电阻率与孔隙水电阻率之比，Φ为混凝土的孔隙度，随固结期的推进，孔隙度减小，电阻率将变高。因此，不同固结期内电阻率的差别主要取决于孔隙度的不同。
根据Archie公式可估算混凝土试块不同固结期的初始电阻率，并与图4中的实测值进行比对。由于普通水泥净浆只按水灰比进行掺和，不含砂石；而水泥砂浆除按一定水灰比掺和外，还添加了大量砂石，通常含砂量大于等于水灰质量总和。本文混凝土试块水灰比为0.5，虽然掺有砂石，但只占水灰比总和的0.1，远低于普通混凝土砂浆，因此在确定孔隙度时，可看作水泥净浆。根据文献[15]可知，当水灰比为0.5时，水泥净浆固结90 d后孔隙度约为0.4。根据文献[16]可知，水泥砂浆固结7 d和固结28 d的孔隙率差别已经不大，而对于固结3 d、5 d孔隙率的研究则较为缺乏，综合考虑以上因素，本文对固结期3 d、5 d、7 d及完全固结混凝土孔隙度Φ取值分别为0.75、0.6、0.5、0.48，m取值1.3，岩性系数a取值0.5，可以得到估算电阻率与实测混凝土初始电阻率的曲线如图6所示。
图6 混凝土初始电阻率及使用Archie公式估算值
Fig.6 Measured value and calculation value using Archie equation of concrete initial electrical resistivity
由图6知，除固结3 d的电阻率实测值小于估算值，固结5 d、7 d及28 d后，混凝土电阻率与Archie公式估算值均有较好对应。这是由于混凝土的骨料多为强电解质，因此在固结初期孔隙度大、含水量大的情况下，混凝土电阻率远小于使用Archie公式估算出的同种孔隙度对应的含水砂岩电阻；而在固结中后期，混凝土逐渐凝结，含水量降低，其初始电阻率的实测值与使用Archie公式估算的砂岩电阻值差别不大。
3.2 不同浸渍状态混凝土电阻率变化趋势分析
综合图2和图4可知，完全固结的混凝土在干燥条件下，与未完全固结及完全固结但处于浸渍条件下的混凝土电阻率呈现相反的变化趋势。下面分别针对这两组实验结果进行分析。
3.2.1 温度对混凝土电阻率的影响
完全固结并干燥的混凝土不属于电解质，此时的混凝土可看作温变电阻，根据文献[6，17 - 18]的研究，干燥混凝土电阻率随温度升高而降低。图7为文献[6]中当保持环境湿度一定时，不同水灰比的混凝土的电阻率随温度变化的示意图。
由图7可知，在特定水灰比及一定的环境湿度下，混凝土可看作一个随温度升高电阻率逐步降低的温变电阻[5]。因此在图2、图4中，由于干燥混凝土的含水率不再变化，在同样的环境湿度下，其电阻率随温度升高而降低，而温度随通电时间延长而平稳上升，因此干燥混凝土电阻率会出现随通电时间延长而下降的趋势。
图7 不同水灰比的混凝土电阻率随温度变化示意图
Fig.7 Electrical resistivity of concrete varies with temperature in different W/C ratios
3.2.2 直流极化作用
对于未完全固结及完全固结但处于浸渍条件下的混凝土，由图3、图5可知，混凝土温度平稳上升，所含的水分逐步蒸发，环境湿度不再是稳定的，因此图7的温变电阻模型不适用于该趋势的解释。且由于电阻率随通电时间延长而升高，故也进一步排除了温度的原因。金属/混凝土电极系统的直流极化作用将可能是导致该趋势的主要因素。
当金属浸入电解质溶液中，表面金属离子容易与溶液中极性水分子作用而发生水化。如果金属离子的水化能高于金属表面晶格的键能，一些表面金属离子将脱离金属晶格进入溶液，形成水化离子。金属表面晶格的电子由于被水分子电子壳层中的同名电荷排斥，不能随水化反应转入溶液，因此会有相当数量的过剩电子在金属表面积累。由于静电力的作用，使金属和溶液相中符号相反的剩余电荷只能滞留在金属表面附近，而不能向溶液深处扩散，这就阻碍了其他金属离子继续溶解[19 - 21]。溶液中的部分水化金属离子也可能再沉积到金属表面。当溶解与沉积速度相等时，在该处形成一种动态平衡的电荷分布。金属与电解质溶液界面处形成的这种荷电的界面层即为双电层，其示意图如图8所示。
图8 双电层示意图
Fig.8 Diagram of double electric layer
未固结混凝土及固结浸渍混凝土均属于强电解质，金属/混凝土界面上形成双电层，其两端电位差即为电极电位。当电极上只发生1种电极反应时，如Fe的沉积与溶解Fe↔Fe2++2e，一旦反应达到平衡，电荷与物质均能达到平衡，此时的电极电位为平衡电位E0。如果电极上同时有2个及以上电极反应发生，或有外加电场作用，使可逆反应平衡被破坏，电极反应向一个方向进行以达到新的稳定，其电极电位为E，E将偏离E0。定义η为过电位，代表非平衡电位E偏离平衡电位E0的差值。
η=E-E0
(2)
当有电流通过时，由于电化学反应进行的迟缓性造成电极带电程度与可逆情况时不同，从而导致电极电势偏离平衡电位的现象，为电化学极化。以阳极为例，电子通过导线从阳极传递至阴极的速度比阳极电极反应失电子变为阳离子进入溶液的速度快，这就造成了阳极表面正电荷的积累，使得阳极电位升高。
若阳极反应X-→X+e平衡电位为Ee1，阴极反应Y+e→Y-平衡电位为Ee2，则阳极、阴极反应的非平衡电位表达式分别为：
(3)
式中：η1为阳极过电位，η1gt;0；η2为阴极过电位，η2lt;0。
据此分析图2、图4混凝土电阻率的变化趋势：可认为由于未固结的混凝土，及固结但被水浸渍的混凝土属于强电解质，在直流作用下容易发生极化作用，由式(3)可知，极化作用使阳极电位升高，而阴极电位降低。对于电解池而言，混凝土的端电压为阳极电位减去阴极电位，因此其电位差将升高。在恒定直流电流作用下，换算为混凝土电阻率则会表现为电阻率的增加。
本文研究了深井接地极混凝土电阻率的变化规律，通过对混凝土试块的直流实验，得到了电阻率随通电时间的变化规律以及温升曲线，结论如下。
1)固结3 d、5 d、7 d的混凝土初始电阻率的数值呈上升趋势。固结28 d后的混凝土初始电阻率与固结7 d的初始电阻率相近。符合Archie公式所阐述的多孔介质电阻率变化规律。
2)固结期内及完全固结但被水浸渍的混凝土电阻率随通电时间的延长而升高，主要原因是含水充足的混凝土作为强电解质，与金属发生电极反应产生的直流极化作用。
3)完全固结后的干燥混凝土不含水分，不发生极化反应，其电阻率随温度升高而降低；
4)深井接地极的深度可达数百米甚至一千米且大部分位于地下水位之下，所以处于饱和浸渍条件中的混凝土在直流电流作用下的电阻率变化规律将影响接地极散流性能。
5)实际深井接地极在不同湿度下单极大地回流运行24 h其电阻率将提升10%～30%，将在一定程度上抑制接地极的散流性能。
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Foundation item: Supported by the Major Project of China Southern Power Grid (WY-KJXM-20150901).
CAI Hansheng1, TENG Yun2, JIA Lei1, ZHENG Zhihui2, HU Shangmao1, LU Hailiang2, LIU Gang1, WEN Xishan2
(1. State Key Laboratory of HVDC, Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510663, China; 2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)
Abstract： When constant direct current(DC) is impressed on DC deep well grounding electrode, electrochemical, corrosion reaction occurs between the well cementing concrete and the steel tube, and the well cementing concrete acts as electrolyte. The reaction leads to the electrical resistivity variation of the well cementing concrete. In order to study the electrical resistivity variation law of well cementing concrete in different conditions with the DC duration, experiments are carried out in this paper. According to the water cement ratio of the practical deep well grounding electrode engineering, the concrete samples are prepared. The DC experiments for concrete samples which are cured for 3～7 days and entirely cured are conducted. The results show that the concrete electrical resistivity conforms to Archie formula at the beginning of curing period, the concrete electrical resistivity during curing period increases with the DC duration and so does the entirely cured and impregnated concrete, while the electrical resistivity of entirely cured and dried concrete decreases with the DC duration. The analysis shows that DC polarization is the main reason leading to the difference of the two trends.
Key words： deep well grounding electrode; well cementing concrete; curing time; electrode reaction; DC polarization; electrical resistivity
基金项目：南方电网重大专项项目(WY-KJXM-20150901)。
文章编号：1674-0629(2017)09-0023-07
中图分类号：TM863
文献标志码：A
DOI：10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2017.09.004
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