大体积风机基础抗裂施工研究及应用

文/阿布拉江、陈斌、代海龙、外力　中国能源建设集团新疆电力建设有限公司　乌鲁木齐　830000

大体积风机基础抗裂施工研究及应用

文/阿布拉江、陈斌、代海龙、外力中国能源建设集团新疆电力建设有限公司乌鲁木齐830000

通过新疆哈密淖毛湖戈壁地区某风电风机基础大体积混凝土裂缝控制施工，结合当地环境详细分析了在戈壁地区特殊气候下造成大体积混凝土产生温度裂缝的影响因素，并依据温度控制标准，从施工角度出发自大体积混凝土的配合比设计、施工和温控等方面提出了控制温度裂缝的切实可行的措施要求及相关应用。

大体积混凝土；戈壁地区施工；温度裂缝；

前言：

天润伊吾淖毛湖风电场一、二期工程规划容量为99MW，位于规划中的淖毛湖风区第六风电场，新疆维吾尔自治区哈密地区伊吾县淖毛湖镇以南25km 处，风电场距离伊吾县城约90km，距哈密市距离约245km，距乌鲁木齐市约760km，风电场区域的海拔高度约在480～603m，拟建的风电场区域，场地开阔，地形较平坦，地势北部高、南部低，主风向和主风能的方向一致，盛行风向稳定。风速春、夏季较大，秋冬季较小；白天小，晚上较大。70m高度风速主要集中在3m/s～25m /s，所占比例为73.65％，风能所占比例为93.54％；根据淖毛湖气象站近48年资料推算风电场65m高度处50年一遇极大风速为56.57m/s。天润伊吾淖毛湖 风电项目风功率等级为3级，风电场风力资源较好，综合考虑本期拟安装6 6台单机容量为1.5MW 的风力发电机组，总装机49.5MW。通过4回集电线路接入升压站。配套工程包括110kV 升压站、综合楼、综合泵房、生产辅助用房、柴油发电机房、35kV配电房、SVG无功补偿房、66台风机基础、66 台箱变基础、场内输变电线路及检修道路等。根据当地电网结构和电网批复，本风电场接入到220kV 国投淖毛湖变电站。

为了提高项目施工质量整体水平，针对项目所处环境条件，有针对性的成立了风机基础大体积混凝土抗裂技术攻关小组，对混凝土浇筑工艺质量进行现场科学研究；最终形成一套有效科学的施工技术论述，指导现场施工人员进行施工，保证了大体积混凝土风机基础抗裂的效果。与国内外同类同期技术相比，主要技术指标处于领先水平，其总体技术水平有实质性的创新，关键技术上有重大突破，绿色环保，节能减排合规性强，有突出的经济、社会效益，具有广泛的推广价值。对类似工程具有一定的参考价值和借鉴作用。

工程概况：

哈密淖毛湖天润风电项目共66台风机基础。基础设计直径15.5m，最厚处3.3m，最薄处1.0m；单个基础混凝土用料约300m3，强度为C40，基础施工时间为2014年07月至09月。项目位于新疆北部戈壁深处，气候干燥、昼夜温差极大，根据历史气象资料显示，7-9月份白天平均气温为41℃，夜间平均气温为13℃，属特殊气候下大体积混凝土施工。

裂缝分类及成因：

大体积混凝土裂缝按其深度分为：贯穿裂缝、深层裂缝、表层裂缝；按照成因又分为：结构性裂缝、变形裂缝。而变形裂缝是由于温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素而引起的裂缝；故如何避免出现贯穿性变形裂缝是大体积混凝土工程施工中的主要工作。

混凝土作为一种非均质脆性材料，抗压强、抗拉弱且不均匀。在钢筋混凝土中由钢筋承担拉应力，但是在大体积混凝土的边缘和内部素混凝土区域，拉应力由混凝土本身承担，这是大体积混凝土裂缝形成的直接原因。

混凝土浇注施工后，内部集聚水泥水化热，温度急剧升高，由于混凝土内部散热慢于外部， 致使混凝土内、外部形成温差，进而导致不均匀膨胀，混凝土表面即产生拉应力，当应力大于混凝土的抗拉强度时，便产生表面裂缝；当混凝土水化完成后开始收缩，收缩受基地及周边约束，内外温差越大，约束程度越高。约束力超过混凝土的抗拉强度时，便会自底部向上产生危害极大的贯穿裂缝。因此在基地稳定、几何尺寸相同的前提下，混凝土内外温差是裂缝产生的主要原因。而西部戈壁地区昼夜大气温差极大，降低混凝土内外温差、抵抗内外拉应力是裂缝控制的有效措施。

裂缝控制措施：

措施一：配比措施

水灰比是混凝土强度等级的重要决定因素，强度等级越高，水泥含量越大，所产生的水化热越多，因此大体积混凝土的强度等级，应避免强度越高越好的误区，在满足设计要求的前提下宜控制在C40以下。在混凝土配比设计时应提前试配，应选择低热值原料。普通硅酸盐水泥由于铝酸三钙和硅酸三钙含量较高水化热大应杜绝使用，宜采用混合材掺量多的中热硅酸盐水泥及低热矿渣水泥。

骨料应选用粒径较大连续级配的碎石，确保混凝土的和易性以增加混凝土的自身抗裂能力。同时骨料的高含泥量会增加混凝上的不可控收缩，易产生应力集中现象，极大削弱混凝土抗裂性，因此需确保骨料含泥量小于1％。

因粉煤灰能降低混凝土拌合物中的空隙率，改善其保水性、和易性、抑制碱骨料反应，且水化热低至水泥的1/2，配比设计中应适量增加粉煤灰含量。

此外应重视外加剂在混凝土配比设计中的作用。本项目中混凝土中掺用了WC 引气缓凝减水剂，在保证混凝强度及其工作性能的前提下，最大限度的减少水泥用量，延长混凝土的初凝时间，达到缓释水化热、规避热峰值的目的；同时掺用HEA 抗裂膨胀剂，可使混凝土获得微量膨胀值，抵消混凝土因不均匀收缩而产生的拉应力，从而达到高效的控裂目标。

措施二：施工措施

在极端温差气候下，合理的配比设计仍无法避免裂缝产生时，在转角、结构突变及应力集中处增加构造筋，可以帮助混凝土抵消因收缩、膨胀而产生的自身无法抵抗的拉应力；配筋的选择应尽量选用小直径和低间距配筋形式，且全截面配筋率，应控制在0.3％-0.5％之间，不宜低于0.3％。

为了降低大体积混凝土总温升和减少结构的里表温差，需要优先控制混凝土的出机温度和浇筑入模温度。

混凝土拌合温度计算公式：

式中T0——混凝土拌合物温度（℃）；mw——水用量（kg）；mce——水泥用量（kg）；

msa——砂子用量（kg）；mg——石子用量（kg）；Tw——水的温度（℃）；

Tce——水 泥 温 度（℃）；Tsa——砂子温度（℃）；Tg——石子温度（℃）

ωsa——砂子含水率（％）；ωg——石子含水率（％）；

c1——水比热容（kJ/kg·K）；c2——冰溶解热（kJ/kg）。

当骨料温度大于0℃时，c1=4.2，c2=0；

当骨料温度小于或等于0℃时，c1=2.1，c2=335。

及凝土拌合物出机温度计算公式：

式中 T1——混凝土拌合物温度（℃）；Ti——搅拌机棚内温度（℃）；

混凝土拌合物运输至浇筑温度计算公式：

式中 T2——混凝土拌合物运输到浇筑时温度（℃）；

t1——混凝土拌合物自运输到浇筑时的时间（h）；

n——混凝土拌合物运转次数（罐车-砼泵-入模，故n=2）；

Ta——混凝土拌合物运输时环境温度（℃）；

α——温度损失系数（h-1），当用混凝土搅拌车输送时，α=0.25。

根据以上公式，对混凝土入模温度影响最大的是石子及水的温度，砂次之，水泥影响最小，由于在戈壁地区施工期间白天平均气温高达41℃，对大体积混凝土浇筑极为不理，应及时关注天气情况，选择气温较低的夜间进行混凝土的拌制及浇筑，采用温度相对较低的地下水或搅拌站地窖水进行拌制；同时应避免骨料阳光直射，亦可在砂、石堆场搭设遮阳棚，必要时进行喷雾或冲洗降温。

大体积混凝土的浇筑分为：分段分层、斜面分层及全面分层三种方法，由于风机基础截面积相对较小，在浇筑时为增加散热面，减小收缩值并弱化基础的约束作用，一般采用全面分层法浇筑。在风机基础整个模板内全面分层，浇筑时平铺基础地面面积，第一层浇筑完毕后浇筑第二层，第二层要在第一层混凝土凝结之前全部浇筑振捣完毕，逐层进行直至浇筑完成。在浇筑进度安排上，尽量做到薄层、短间歇，避免突击浇筑，然后长期停歇。

混凝土浇筑完成后的养护通常分为保温法和降温法，由于戈壁地区严重缺水，不具备排水降温施工条件，故施工中采用底层薄膜覆盖，面层双毛毯恒湿保温养护，其主要作用是保持混凝土结构表面适当的温度和湿度条件。从温度应力的角度出发，保温可以减少混凝土表面的热扩散，减少混凝土自内而外的温度梯度，防止初期产生表面裂缝；延长散热时间，充分发挥混凝土的强度特性，使平均总温差对混凝土产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度，防止中后期产生贯穿裂缝，而保湿养护可以使混凝土在尚处于凝固硬化初期阶段防止脱水而产生干缩裂缝，使水泥的水化作用顺利进行，提高混凝土极限拉伸和及早期强度。

措施三：温测措施

温测环节可以确保在大体积混凝土的凝结硬化过程中，了解混凝土不同深度温度升降，随时监测混凝土内部温度变化规律，以便采取相应的技术措施，确保混凝土不产生过大的温度应力，避免温度裂缝的发生，决定了大体积混凝土抗裂施工的最终成败。监测混凝土内部的温度，可采用在混凝土表面、底面、中间等不同部位埋设温度传感器，用混凝土温度测定记录仪进行施工全过程的跟踪监测，可全面、及时、均匀地控制大体积混凝土内部温度变化情况，大体积混凝土浇筑体里表温差、降温速率及环境温度及温度应变的测试，在混凝土浇筑后，设专人专职负责温度监测，填写测温报告表并绘制各点实际降温曲线。每昼夜不应少于4次；当混凝土表面温度与大气温度接近，大气温度与混凝土中心温度的温差小于25℃可以解除保温测温工作。

结语：

实践证明西部戈壁地区风机基础大体积混凝土施工具有普遍的共同特点，施工中掌握地域气候及混凝土自身温度变化规律、合理选材、制定科学的施工方案，完全可以在不增加施工成本的情况下避免大体积混凝土裂缝的出现。

［1］陈应波，李秀才，张雄.《大体积混凝土浇筑温度场的仿真分析》.华中科技大学学报，2004，21 （2）：36-39.

［2」朱伯芳.《大体积混凝土温度应力与温度控制》.北京：中国电力出版社，1999.

［3］彭立海，阎士勤，张春生，翟建.《大体积混凝土温控与防裂》.郑州：黄河水利出版社，2005.1-3.