风力发电机基础混凝土结构裂缝控制研究

姜金平

（国华（江苏）风电有限公司，江苏 东台 224200）

混凝土（砼）是建筑结构中运用最广泛的材料之一，凭借其优势在不同的工程建设项目中发挥出独特价值。但是，混凝土抗拉能力差、易开裂是工程建设中需要面对的“多发病”。大体积混凝土浇筑会释放水化热，易发生温度变化并收缩，继而造成裂缝；此外，结构设计、施工技术等也可能导致裂缝。裂缝出现后会明显削弱混凝土的刚度和强度，降低耐久性，甚至影响工程项目的安全性。因此，深入分析风力发电机超大型混凝土基础结构裂缝控制，对于践行“碳达峰、碳中和”目标具有重要现实意义和技术参考价值。

1 工程概况

A 工程为风力发电机基础工程，风机基础承台采用重力式现浇钢筋混凝土基础，圆盘形布置，直径19.0m，埋深约3.3m，厚0.9～2.1m，圆墩直径6.8m，高3.1m。单个基础的混凝土量约480m3、钢筋量约45.0t。影响A 工程施工的影响因素有气温温差、降雨量、空气湿度、风速等。该工程项目所处地区为冬寒夏热地区，夏季降雨较多，春秋昼夜温差相对较大。年度每日最大温差值在26.7℃，春夏季多风，风大。经气象站资料统计，该地区近4 年来的极大风速超20～50m/s。工程项目施工难点：基础钢筋含量高、密度大，风机基础环布置难度大，无论混凝土浇筑、模板制作吊装，还是混凝土养护、人员作业范围、工程质量等，都面临较大考验。由于工期紧张，冬季必须施工，因此，施工过程中要考虑满足原材料温度和混凝土的拌和、运输、浇筑、振捣等方面的要求。A 工程具备的施工条件如下：材料与机具设备可经国道、省道和县级道路运输，合同段所处地区有溪沟和河流，河流水量充足，可就近设置集水井取水施工使用，生活用水使用运水车从临近村镇运水至现场；施工区域电力充足，通讯便捷。

2 大体积混凝土结构特点

大体积混凝土指结构体积较大，能就地浇筑、成型、养护的混凝土。该类混凝土常出现在风力发电项目中的混凝土基础、水利工程混凝土大坝、港口建筑物、高层建筑、大型设备等施工项目中。国内外学术界对于大体积混凝土的定义不同，如美国混凝土学会（ACI）、日本建筑学会标准（JASS5）对其定义有明显差异。我国相关规范中提出：大体积混凝土指基础边长大于20m、厚度大于1m、体积大于400m3的混凝土。工程建设还要明确规定大体积混凝土的最小断面、内外温度、平面尺寸。以平面尺寸的参数为例，尺寸过大，约束作用下的温度力更大。若施工中技术人员对温度的把控不到位，会导致温度应力超出混凝土拉力极限值外开裂，亟需围绕该问题加大重视程度。

3 超大型混凝土裂缝产生原因

因大体积混凝土结构的截面尺寸相对较大，单纯地因外部作用力导致的裂缝概率较小。裂缝的出现往往会给工程项目造成一定影响甚至是危害，如何预防控制一直都是大体积混凝土结构施工中的重要研究课题。超大型混凝土结构裂缝产生的原因，总结如下：

（1）水泥水化热影响。水泥水化热会释放热量，A 工程中的混凝土结构体积较大，断面较厚，热量不易散出。混凝土龄期增长下弹性模量提升，会加大对散温收缩的约束，导致出现较大的拉应力，最终导致温度裂缝。

（2）外界温度变化。A 工程项目所处地区昼夜温差大，年度的极端天气较多，容易对工程中的大体积混凝土造成影响，产生裂缝。究其原因：温差过大会导致气温迅速下降或上升，出现温度应力，增加开裂的风险。

（3）混凝土收缩影响。当混凝土受到外部约束力的作用，会对本身的结构产生应拉力，加大混凝土的开裂。细化该情况，又可分为塑性收缩、干燥收缩、温度收缩等类型，且出现裂缝阶段包括初期、后期，前者与水泥石凝结体积变化有关，后者则与混凝土内水分蒸发的干缩、变形有关。

（4）沉降、施工影响。工程项目拆模后的3～7d 内，混凝土结构很可能出现沉降现象，与混凝土的浇捣有关，加之有钢筋的阻拦作用，均会产生裂缝。施工影响则主要指在工程项目完成后未对混凝土落实全方位的养护，如未及时覆盖混凝土表面，导致其受到外界温湿度、风速的影响，从而导致受到干缩、水分蒸发影响，最终导致裂缝。A 工程项目所处地区风速较大，近4 年来的极大风速在20～50m/s 之间。

（5）结构设计影响。该因素指在进行A 工程项目设计时，在假定超大型混凝土结构能承受的受力体系数据与实际并不符合，也易加大混凝土结构裂缝。

4 超大型混凝土结构裂缝的控制措施

4.1 混凝土原材料选用

超大型混凝土结构裂缝控制中，关于混凝土原材料的选用是基础所在。以下围绕原材料选用的几个核心内容来分析：

（1）水泥。大体积混凝土结构的温度变化，本质上与水泥水化热有密切关联。为此，要通过水泥用量分析如何降低大体积混凝土的温度应力。选择材料时要尽量偏向于水化热参数低的，如大坝水泥、矿渣水泥，且含碱量≤0.6%；必要时可结合A 工程项目实际情况进行水化热参数的测定。

（2）粗细骨料。在A 工程项目的施工中，粗细骨料的运用较广泛。选用该材料时也要注意，如可通过加大粗骨料最大粒径调整砂石颗粒级配等减少水能量，遂能减少水化热。研究证实，将带棱角、有麻面的碎石作为原材料，可提高混凝土的抗拉伸性，可适当运用。选择粗骨料时要分析其级配、膨胀系数，观察表面是否洁净，保障整体的含泥量按质量计算在1%内；选择细骨料时，以中、粗砂为首选，且含泥量按质量计≤2%，细度模数2.6～2.9，确保级配。

（3）拌和水量、水灰比和坍落度。对A 工程项目而言，所列举出的几项因素都与混凝土的性质变化有关，可能影响其干缩或是发热。其中，以拌和的含水量的变化产生的影响最大。施工中拌和水量调整较少或是降低水灰比、降低坍落度（14±2cm）都能很大程度地避免混凝土干缩。原材料中还可添加泵送剂，它具有减水、缓凝效果，能改善混凝土拌和物流动性。同时，由于它具有减水效果，还能降低混凝土的水化热，进一步减少产生温度裂缝的风险。

（4）外加剂。外加剂能影响混凝土的干缩性，适当添加后可改善结构性能。它又可分为化学外加剂、矿物外加剂等不同类型，在实际选用时要围绕A 工程项目的实际情况做好试验，确保其品种、类型都与水泥原材料相契合。适当添加外加剂改善混凝土结构的均匀性，同时减少拌和水量，以防混凝土结构发生泌水或收缩变形。此外，可增加粉煤灰提升结构抗渗性，确保其经久耐用。

4.2 混凝土配合比

超大型混凝土结构裂缝控制中要严格控制混凝土配合比，提前进行严密的计算和试配，确保比例最优化。在该过程中要遵循的原则是：第一，最小水泥用量原则。在配比中可增加矿物外加剂、化学外加剂等，能有效改善混凝土本身的性能，提升其紧密性的同时节省用量，充分发挥出其价值。第二，合理水胶比原则。选择适当的水胶比，强化结构抗裂性。第三，最大堆积密实度原则。尽可能减少混凝土中的骨料空隙，采取连续级配，减少水泥用量，有效提升混凝土结构的质量。此外，要配备钢筋加固结构。考虑到A 工程项目的特殊性，要增设加固结构。选用小直径的钢筋材料，将其紧密间隔加固，配筋率要控制到横截面的0.3%～0.5%。尤其是针对超大型混凝土结构的集中受拉区，更要设置加强筋，以提高结构的抗拉极限强度，防止其出现混凝土结构开裂。

4.3 混凝土拌和与运输

混凝土的拌和、运输也与结构裂缝控制有关。在拌和上，要避免受外界阳光暴晒，以免增加材料温度。新工艺的选择可采取二次投料的砂浆裹石搅拌，能增加约10%的混凝土结构强度。增强结构强度后能减少收缩，预防裂缝发生。施工中注意协调搅拌机速度与混凝土施工速度，检查混凝土坍落情况。在运输方面，A 工程项目的管理人员要安排专属人员进行材料运输，用搅拌车运送，且选择平坦大路，尽可能缩短运输时间。运输过程要快速且安全，防止该过程中出现混凝土离析、沁水等现象。注意该过程中也不可盲目加水。

4.4 混凝土浇筑与养护

（1）混凝土浇筑。通常浇筑温度在5℃～35℃之间，且结构内、外部温度间的差距应控制在25℃以内。此外，降温速率要保持在每天3℃以内。因大体积混凝土结构的特殊性，其蓄热量高，若与外界温度差异过大，出现温度裂缝的后果相对严重，浇筑时要遵循“低温低热”原则，避免开裂。在A 工程实际施工时，夏季的浇筑温度可高达30℃～35℃，此时可提前准备预冷材料，将混凝土温度降低到10℃，达到理想的裂缝控制效果。因此，在夏季进行混凝土浇筑时，施工技术人员最好选择在夜间时段。因A 工程项目中的大体积混凝土面积太大，故浇筑工作要分段（分块）、分层进行，且提前设置合理的浇筑间隔，以确保扩大混凝土结构的散热面积。缩短块体边长来减少基底对块体变形的约束作用，降低温度和收缩应力。入模后要及时且细致地进行振捣，要求实现“不漏振、不过振”。浇筑时投入不大于混凝土体积20%～30%的大骨料（粒径在15cm 左右），确保能在吸收热量的同时减少水泥用量。注意与散热有关的操作不可急于求成，盲目推进，而要结合实际循序渐进，以免突然冷却造成较大裂缝。

（2）混凝土养护。通常在浇筑后的2～5d，A工程的混凝土温度会逐渐达到峰值，随后慢慢降温。在该过程中弹性模量增高、周变系数减小，收缩拉应力会增大，加大裂缝几率。为此，要加强化对该结构的养护。初凝后及时采取保湿措施，逐渐降低其表层温度，缩小与外部环境中的距离。A 工程项目的混凝土养护共计14d，由该工程的技术人员在结构外层覆盖草袋、麻袋或是充填塑料泡沫板；保湿则是通过喷雾、喷涂养护剂、浇水等落实。若养护阶段遇高温天气，可用塑料膜或麻袋覆盖，亦或利用机械设备自动化喷水（或喷雾）；气温骤降或日平均气温低于5℃时，采取冬期施工的操作要求，严密覆盖表层进行保温。安排资深现场管理人员加强对A 工程项目的监督管理，严禁私自在现场加水。

4.5 混凝土结构温度监测

为保障超大型混凝土结构裂缝控制效果，在A 工程中除了选择上述科学化的施工工艺外，还要加强对混凝土结构的温度监测，制定全方位的监测方案。遵循真实、全面的基本原则布置测试点，确保能从不同角度反映出该混凝土结构的温度。具体操作如下：

（1）在混凝土结构内设置热电偶传感器测定温度数据；埋设数字化温度传感器（如图1），再提前在计算机上设置程序，提高监测的自动化水平。在本文论述的A 工程项目中的温度监测采取的是后者方法。

图1 数字化温度传感器

（2）在混凝土温度上升或下降的前5d 内，每2h 进行监测，而后过渡每4h 一次。结构温度与外界温度间小于25℃时（连续24h 的前提下）可停止监测。

（3）根据温度监测工作了解当前该结构的水化热情况，分析温度变化规律，以有效控制裂缝发生。

5 结语

综上所述，大体积混凝土在风电基础工程的质量控制往往是重中之重。经本次以A 工程项目为例的研究可知：对于超大型混凝土结构裂缝控制，可围绕材料选用、配合比、拌和、运输、施工工艺（浇筑、养护）、温度监测管理等方面采取措施。分析易导致裂缝的原因并进行经验总结，且实践中要基于国家施工规范和技术标准选择科学的施工技术方法，能更好地控制混凝土结构裂缝，全面保障工程的施工质量。