風機基礎灌漿料變形性能及開裂敏感性研究

張勇，薛永宏，沙建芳，郭飛，吳洲

（1.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京211100）

0 引言

風電是資源潛力大、技術基本成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應對氣候變化的新形勢下，越來越受到世界各國的重視，并已在全球大規模開發利用。 中國風能儲量大、分布廣，開發利用潛力大。據估算，全國平均風功率密度為100 W/m2，風能資源總儲量約32.26 億kW， 可開發和利用的陸地風能和近海風能儲量共計約10 億kW。

風力發電機組作為一種新型高聳構筑物，其荷載和動力特性復雜。 風機基礎是結構的重要組成部分， 它承擔著將上部結構所承受的全部荷載和作用安全可靠地傳遞到地基， 并保持結構整體穩定的作用[1-4]。 預應力錨栓基礎是一種新型的風機基礎，采用預應力錨桿連接塔筒和基礎，法蘭和基礎間通過灌漿連接成為整體， 預應力錨栓從張拉完畢直至使用的整個過程中，其疲勞應力幅小，抗疲勞性能優異[5-8]。

預應力錨桿基礎用灌漿料強度要求極高，28 d抗壓強度超過80 MPa， 遠超過GB/T50448—2015《水泥基灌漿材料應用技術規范》要求范圍。意味著套筒灌漿料的水膠比將急劇減小， 一般在0.25 左右，自收縮顯著增大，灌漿料受到錨桿和基礎混凝土的約束，內部產生拉應力，當拉應力超過其抗拉強度時，結構出現開裂現象，如圖1 所示，進而影響結構安全及使用壽命。

圖1 裂縫產生原理

基于此，實驗從灌漿料自身變形性能優化及養護方式兩方面出發，考察了風機基礎灌漿料的變形發展規律及抗裂性能。

1 實驗

1.1 原材料

（1）灌漿料：采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的JGM-SP 風機基礎灌漿料。

（2）膨脹劑：采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供的HME 系列膨脹劑（CaO 類）。

（3）養護劑：采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供的有機型養護劑和有機無機復合型養護劑。

1.2 試驗方法

灌漿料干燥收縮試驗參照JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》進行，自生體積收縮試驗參照干燥收縮試驗成型、拆模后，用聚乙烯薄膜、鋁箔對試件的所有表面進行密封，以避免水分損失。

目前，圓環法是各國研究者們研究水泥基材料早期開裂敏感性時較普遍采用的一種方法。 在內、外鋼環之間澆注環形混凝土、 砂漿或凈漿試件，拆除外模后，自生收縮、干燥收縮隨著水化和干燥過程而增長，收縮受到中間鋼芯的約束，在試件環周的切線方向產生拉應力。由于水泥基材料的粘彈性性質，收縮作用因徐變的產生而部分抵消，當經徐變后的殘余收縮產生的主拉應力達到臨界值時，試件開裂[9]。 模具由外環和內環組成，中間填料，成型后拆除外模，試件拆模后放入恒溫恒濕室。 本實驗圓環尺寸為：混凝土內徑250 mm，外徑300 mm，高150 mm，如圖2 所示。

圖2 圓環模具設計（單位：cm）

2 結果與討論

2.1 膨脹劑對灌漿料變形性能的影響

利用膨脹組分在水化過程中產生的體積膨脹補償水泥基材料的收縮是防止材料收縮開裂的有效措施之一。 CaO 類膨脹劑是近年來出現的一種新型膨脹劑[10]，其具有以下突出優點：膨脹速度快，膨脹效能大；濕度敏感性能優異，對水養護的依賴程度低，更適用于低水膠比水泥基材料。

選取3 組不同膨脹性能的膨脹劑，水中7 d 限制膨脹率如表1 所示。三組膨脹劑的水中7 d 限制膨脹率均超過0.025%，滿足GB 23439—2017《混凝土膨脹劑》規定的I 型膨脹劑要求，1# 膨脹劑的水中7 d 限制膨脹率為0.03%，2#膨脹劑的水中7 d限制膨脹率為0.038%，3#膨脹劑的水中7 d 限制膨脹率為0.043%。

表1 限制膨脹率

圖3 為三種膨脹劑摻量為10%時風機基礎灌漿料的自收縮試驗結果，由圖3 可以看出，摻加膨脹劑后風機基礎灌漿料的自收縮顯著降低，并與膨脹劑的限制膨脹率具有較好的對應關系，膨脹劑的限制膨脹率越高，補償收縮的效果越好，風機基礎灌漿料的自收縮值越小，摻加10%的3# 膨脹劑的灌漿料自收縮值最小，28 d 時僅為159 με，較不摻加膨脹劑時的自收縮降低34.5%。

圖3 自收縮

圖4 干燥收縮

圖4 為三種膨脹劑摻量為10%時風機基礎灌漿料的干燥收縮試驗結果，由圖4 可以看出，摻加膨脹劑后風機基礎灌漿料的干燥收縮值有不同程度的降低，但膨脹劑對灌漿料干燥收縮的補償效果顯著低于對灌漿料自收縮的補償效果， 摻加2# 和3# 膨脹劑的灌漿料干燥收縮值最小，28 d 時為585 με， 較不摻加膨脹劑時的自收縮降低12.2%?？梢姼稍飾l件下灌漿料內部水分的流失對膨脹劑的水化反應具有削弱作用，進而影響灌漿料干燥收縮的補償效率。

2.2 養護對灌漿料變形性能的影響

養護對水泥基材料性能的發展至關重要。 養護劑是一種具有成膜性和滲透性的有機物，可以在水泥基材料表面形成一層均勻連續的致密薄膜，抑制水泥基材料內部水分蒸發，降低其干燥收縮，提升其抗裂性能。 近年來隨著科技的不斷進步，有機-無機復合型養護劑誕生，其原理為有機組分粘附于水泥基材料表面形成連續薄膜阻水，無機組分滲透入水泥基材料內部毛細孔中同堿性物質反應形成膠體物質而阻塞毛細孔。

選取一種有機養護劑和一種有機-無機復合型養護劑，考察其對風機基礎灌漿料干燥收縮的影響，實驗結果見圖5。 養護劑顯著減小了風機基礎灌漿料的干燥收縮，28 d 時采用有機型養護劑干燥收縮值為554 με， 減縮率為16.9%， 而采用有機—無機復合型養護劑干燥收縮值為476 με，減縮率為28.6%，減縮效果更優。

圖5 干燥收縮

2.3 灌漿料開裂敏感性研究

試驗采用圓環法對比了膨脹劑及膨脹劑+復合型養護劑對風機基礎灌漿料開裂敏感性能的影響。表2 為開裂敏感性試驗結果， 從表2 可以看出，摻加膨脹劑后灌漿料的開裂時間從2 d 延遲至4 d，裂縫寬度從0.025 mm 降低至0.016 mm， 裂縫寬度降低了36%；在摻加膨脹劑的基礎上，采用復合型養護劑養護， 灌漿料的開裂時間從2 d 延遲至7 d，裂縫寬度從0.025 mm 降低至0.010 mm， 裂縫寬度降低了60%，灌漿料的抗裂性能大幅提升，開裂風險顯著降低。

3 結論

（1）摻加膨脹劑后風機基礎灌漿料的自收縮和干燥收縮顯著降低， 膨脹劑的限制膨脹率越高，補償收縮的效果越好，但膨脹劑對灌漿料干燥收縮的補償效果顯著低于對灌漿料自收縮的補償效果。

表2 開裂敏感性試驗結果

（2）采用有機—無機復合型養護劑干燥收縮減縮率為28.6%，減縮效果顯著優于有機型養護劑。

（3）在摻加膨脹劑的基礎上，采用復合型養護劑養護，灌漿料的開裂時間從2 d 延遲至7 d，裂縫寬度降低了60%，灌漿料的抗裂性能大幅提升。