海上风电基础用高强灌浆料的制备

曾 辉，计 晔，彭 静，尹项勇

（北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京 100039）

0 前言

我国风力发电的技术成熟，在清洁能源中使用成本较低，同时风力发电技术可灵活运用，与其他能源技术组成互补发电系统。因此，发展风力发电，具有广阔的前景[1-2]。随着海上风电发展，未来几年我国广东、福建30~50m 水深将建设大量的导管架基础结构型式的海上风电场。在多种海上风电基础结构形式中，大量海上升压站基础和海上风电风机基础采用导管架结构。导管架作为一种重量轻、海床地质条件适应性好、稳定性好、适合较深海域的海上风电基础，在欧洲海上风电场得到了广泛应用。导管架基础和钢管桩连接主要通过灌浆方式进行，灌浆质量直接影响到导管架的整体稳定性能和安全性。在海上风电项目中，导管架灌浆连接通常采用泵送压浆的方式将灌浆料灌注到海平面以下的灌浆连接段。在灌浆施工中，要求在海上恶劣施工条件下较短时间内完成水下灌浆，对材料的工作性、可泵送性和早期强度提出较为苛刻的技术要求[3-5]。

本文采用硅酸盐水泥，通过对细骨料、添加剂等材料的优选来制备大流动性、可泵送性好、超早强、超高强、无收缩的水泥基灌浆料[6-7]。该灌浆料适用于风电锚栓基础灌浆、使用预应力技术安装的风力涡轮机装置的基础灌浆、锚固风力发电机塔架锚栓灌浆、同时也适用于关键设备底座、底板和柱脚灌浆等。在施工方面现场加水搅拌，具有质量可靠，降低成本，缩短工期和使用方便等优点。

1 试验

1.1 材料

水泥：金隅P·Ⅱ52.5R 水泥；硅灰：山东博肯硅材料有限公司；石英砂1# 砂（1.25~0.63mm）、2# 砂（0.630~0.315mm）和3# 砂（0.315~0.160mm）；膨胀剂：UEA 型干粉膨胀剂；减水剂：北京市建筑工程研究院有限公司粉状聚羧酸减水剂；纳米二氧化硅：北京德科岛金科技有限公司；消泡剂：北京筑宝新技术有限公司，粉末消泡剂PD-2000D。

1.2 试验方法

称取一定量的水泥、微硅粉、砂、减水剂、膨胀剂、消泡剂等干粉料，混合均匀，按照一定的水胶比称取水，用胶砂搅拌机自动程序进行搅拌，即得到水泥基灌浆料。

1.3 测试方法

灌浆料流动度、抗压强度和竖向膨胀率试验参照《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T 50448—2015）进行，泌水率参照《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GB/T 50080—2016）。

2 试验结果与分析

2.1 砂的级配对灌浆料流动度和强度的影响

砂的级配是进行灌浆料配合比设计的一个重要因素。试验时固定胶凝材料与砂的质量比为1:1、水胶比为0.28、粉体减水剂、膨胀剂掺量（均按占胶凝材料的总量计，下同）分别为0.40%、0.2%，消泡剂0.025%，研究砂的级配对灌浆料性能的影响（表1）。

表1 砂的级配对灌浆料流动度和强度的影响

石英砂的颗粒级配越好，灌浆料的结构越密实，强度越高[8]。从表中可以看出，随着石英砂的级配变化，灌浆料的流动度和强度的变化不一致。相同质量下，石英砂的砂越细，颗粒总表面积越大，需水量越大，流动度越差；较粗的砂的流动度更好。强度上，细砂的比例越大，易形成紧密堆积，1d 和3d 强度较高。主要在于细砂能够在早期形成骨料间的黏结。因此，综合流动度和强度，石英砂的颗粒级配固定在m（3#）:m（2#）:m（1#）=2:4:4。

2.2 水胶比对灌浆料性能的影响研究

通过固定砂级配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、胶凝材料与砂的质量比为1:1、粉体减水剂、膨胀剂掺量分别为0.4%、0.2%，消泡剂0.025%，研究水胶比对灌浆料性能的影响（表2）。

表2 水胶比对灌浆料性能的影响

从表2 可以看出，水胶比对灌浆料的流动性影响较明显，随着水胶比的增加，流动度呈增加的趋势，但是会出现泌水现象，反而会影响强度。原因在于水胶比较大时，初期水泥水化产物便会被分解，形成不了较高强度。因此综合考虑流动度和强度，水胶比固定为0.30。

2.3 胶砂比对灌浆料性能的影响

胶砂比对灌浆料的流动性和强度有较大影响。通过固定砂级配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、水胶比为0.30、粉体减水剂、膨胀剂掺量分别为0.4%、0.2%，消泡剂0.025%，研究胶砂比对灌浆料性能的影响（表3）。

表3 胶砂比对灌浆料性能的影响

由表3 可得，随着胶砂比的降低，灌浆料的流动性不断降低。主要原因是水泥基材料内部砂的比例增加，骨料增加，相对浆体厚度减少，摩擦增加，从而影响灌浆料的流动度。1d 强度随着胶砂比的降低有所降低，28d 强度随着砂胶比的增加而增加。主要原因在于胶砂比的降低，在早期参与水泥水化的胶凝材料有所降低，不利于强度的发展，水化后期水化反应已基本完成，强度较高的骨料反而能增强宏观力学强度，骨料越多，强度越大。因此将胶砂比固定在1:1.2。

2.4 膨胀剂的掺量对灌浆料竖向膨胀率的影响

灌浆料要达到一定无收缩甚至微膨胀的效果，必须引入膨胀剂。本文通过固定砂级配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、胶凝材料与砂的质量比为1:1.2、水胶比为0.30、粉体减水剂0.40%，消泡剂0.025%，通过调整膨胀剂的掺量，进行竖向膨胀率试验，研究膨胀剂的加入对灌浆料竖向膨胀率的影响（表4）。

表4 膨胀剂对灌浆料性能的影响

采用硅酸盐水泥胶凝体系制备灌浆料，在硬化过程中会产生较大的塑性收缩。因此在配合比设计中必须引入膨胀剂，补偿浆体的早期收缩。本文采用UEA膨胀剂，随着膨胀剂掺量的增加，灌浆料的3h 竖向膨胀率及24h 与3h 膨胀率之差呈现规律增长的趋势。主要原因在于膨胀剂在水泥石内部生成钙矾石晶体，吸水膨胀，填充了孔隙[9]。掺量为0.3%时，灌浆料的3h 和24h 竖向膨胀率即可满足标准要求，即3h 竖向膨胀率不低于0.1%，24h 与3h 竖向膨胀率差在0.02%~0.5%。再增加膨胀剂的用量，灌浆料的各龄期的强度会有明显的下降。因此UEA 膨胀剂的掺量为0.3%。

2.5 纳米二氧化硅对灌浆料性能的研究

前文通过调整水胶比、胶砂比以及颗粒级配能够不同程度提高灌浆料的抗压强度，但最终抗压强度在100MPa 左右，没有达到120MPa。研究表明少量的纳米材料良好分散在水泥中时能够使水泥石更加致密，强度更高。通过固定砂级配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、胶凝材料与砂的质量比为1:1.2、水胶比为0.30、膨胀剂、粉体减水剂分别为0.3%、0.40%，消泡剂0.025%，采用纳米二氧化硅，研究其对灌浆料强度的影响（表5）。

表5 纳米二氧化硅对灌浆料性能的影响

纳米二氧化硅掺入到配合比设计中，不仅能起到颗粒填充的作用，而且其本身具有火山灰效应，能够参与到水泥水化过程中，提高水泥强度的发展和耐久性。从表中可以看出随着纳米二氧化硅掺量的增加，流动度较空白样有所降低，各龄期抗压强度均有所提高，且28d 强度达到120MPa 以上。掺量在0.8%时，流动度损失较大，已不能满足灌浆料的工作要求。原因在于纳米二氧化硅掺量过大时，颗粒之间容易团聚形成薄弱区域，影响强度。因此纳米二氧化挂的掺量为0.4%，28d抗压强度为128MPa。

2.6 减水剂对灌浆料性能的研究

加入纳米二氧化硅后，对灌浆料的流动度有所影响。本文固定砂级配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、胶凝材料与砂的质量比为1:1.2、水胶比为0.30、膨胀剂、纳米二氧化硅分别为0.3%、0.4%，消泡剂0.025%，研究聚羧酸减水剂的掺量对灌浆料性能的影响（表6）。

表6 减水剂对灌浆料性能的影响

聚羧酸减水剂对灌浆料的流动度影响比较明显。从表6 可得，随着减水剂掺量的增加，流动度呈规律性增加，当掺量在0.8%时，泌水率比较大，影响凝结时间和强度。故减水剂掺量在0.6%时，灌浆料的流动度和强度达到最优。

2.7 缓凝剂掺量对灌浆料流动性的影响

不同掺量葡萄糖酸钠缓凝剂对灌浆料工作性影响如图1 所示，当不掺缓凝剂时，初始流动度小，30min 流动度损失超过30mm。而随着缓凝剂掺量的增大，初始流动度略有增加，30min 流动度变化明显，当缓凝剂掺量加为1%时，30min 后的流动度明显增加，当缓凝剂掺量加为3%时，30min 后流动度几乎和初始流动度相同，经时变化量几乎为0，出现缓凝现象，但是会影响1d 强度。聚羧酸高性能减水剂能显著增大水泥颗粒的分散度，使参与反应的水泥颗粒增多，可大幅增加浆体的初始流动度，但加速了水泥的中后期水化，所以需要选择适当的缓凝剂，使灌浆料保持良好的流动度和早期强度。因此，葡萄糖酸钠缓凝剂的加量为2%，灌浆料的流动度保持较好。

图1 不同掺量葡萄糖酸钠缓凝剂对灌浆料工作性影响

综上，通过研究灌浆料配合比设计的砂级配、水胶比、砂胶比、膨胀剂、纳米材料这几个因素，确定的灌浆料的配比为，砂级配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、胶凝材料与砂的质量比为1:1.2、水胶比为0.30%、膨胀剂、减水剂、纳米二氧化硅分别为0.30%、0.6%、0.4%、缓凝剂掺量2%、消泡剂0.025%。高强灌浆料的性能参数如表7 所示。

表7 高强灌浆料的性能参数

3 海上风电基础高强灌浆料施工效果

海上风电基础高强灌浆料施工效果如图2 所示。

图2 海上风电基础高强灌浆料施工效果

4 结语

（1）在高强水泥基灌浆料中，当砂级配合理时，灌浆料的结构较密实，强度较高。水胶比和胶砂比对灌浆料的流动度、抗压强度都有较大影响，应用时根据原材料的差异确定最优水胶比和胶砂比。膨胀剂的加入能够使灌浆料实现微膨胀、弥补水泥石硬化产生的收缩。减水剂能够显著提高灌浆料的流动度，合适的掺量也有利于强度的发展，因此应根据试验确定最佳掺量。

（2）纳米二氧化硅因其自身的纳米效应，能够提高灌浆料的强度，使灌浆料实现高强。

（3）不同缓凝剂掺量对水泥基灌浆料的工作性影响不同.随着缓凝剂掺量的增加，初始流动度略有增加，30min 后的经时损失明显减小，最佳掺量为2%。使得灌浆料工作性能显著提高。

（4）本文确定的灌浆料的配比为砂级配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、胶凝材料与砂的质量比为1:1.2、水胶比为0.30、膨胀剂、减水剂、纳米二氧化硅、缓凝剂分别为0.30%、0.6%、0.4%、2%、消泡剂0.025%，初始流动度达到388mm，30min 流动度为360mm，28d 抗折强度达到15.99MPa，抗压强度达到131MPa。其具有大流动性、可泵送性好、超早强、超高强、无收缩的特点，适合海上风电基础用水泥基灌浆料。