海上風電基礎用高強灌漿料的制備

曾 輝，計 曄，彭 靜，尹項勇

（北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京 100039）

0 前言

我國風力發電的技術成熟，在清潔能源中使用成本較低，同時風力發電技術可靈活運用，與其他能源技術組成互補發電系統。因此，發展風力發電，具有廣闊的前景[1-2]。隨著海上風電發展，未來幾年我國廣東、福建30~50m 水深將建設大量的導管架基礎結構型式的海上風電場。在多種海上風電基礎結構形式中，大量海上升壓站基礎和海上風電風機基礎采用導管架結構。導管架作為一種重量輕、海床地質條件適應性好、穩定性好、適合較深海域的海上風電基礎，在歐洲海上風電場得到了廣泛應用。導管架基礎和鋼管樁連接主要通過灌漿方式進行，灌漿質量直接影響到導管架的整體穩定性能和安全性。在海上風電項目中，導管架灌漿連接通常采用泵送壓漿的方式將灌漿料灌注到海平面以下的灌漿連接段。在灌漿施工中，要求在海上惡劣施工條件下較短時間內完成水下灌漿，對材料的工作性、可泵送性和早期強度提出較為苛刻的技術要求[3-5]。

本文采用硅酸鹽水泥，通過對細骨料、添加劑等材料的優選來制備大流動性、可泵送性好、超早強、超高強、無收縮的水泥基灌漿料[6-7]。該灌漿料適用于風電錨栓基礎灌漿、使用預應力技術安裝的風力渦輪機裝置的基礎灌漿、錨固風力發電機塔架錨栓灌漿、同時也適用于關鍵設備底座、底板和柱腳灌漿等。在施工方面現場加水攪拌，具有質量可靠，降低成本，縮短工期和使用方便等優點。

1 試驗

1.1 材料

水泥：金隅P·Ⅱ52.5R 水泥；硅灰：山東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）；膨脹劑：UEA 型干粉膨脹劑；減水劑：北京市建筑工程研究院有限公司粉狀聚羧酸減水劑；納米二氧化硅：北京德科島金科技有限公司；消泡劑：北京筑寶新技術有限公司，粉末消泡劑PD-2000D。

1.2 試驗方法

稱取一定量的水泥、微硅粉、砂、減水劑、膨脹劑、消泡劑等干粉料，混合均勻，按照一定的水膠比稱取水，用膠砂攪拌機自動程序進行攪拌，即得到水泥基灌漿料。

1.3 測試方法

灌漿料流動度、抗壓強度和豎向膨脹率試驗參照《水泥基灌漿材料應用技術規范》（GB/T 50448—2015）進行，泌水率參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》（GB/T 50080—2016）。

2 試驗結果與分析

2.1 砂的級配對灌漿料流動度和強度的影響

砂的級配是進行灌漿料配合比設計的一個重要因素。試驗時固定膠凝材料與砂的質量比為1:1、水膠比為0.28、粉體減水劑、膨脹劑摻量（均按占膠凝材料的總量計，下同）分別為0.40%、0.2%，消泡劑0.025%，研究砂的級配對灌漿料性能的影響（表1）。

表1 砂的級配對灌漿料流動度和強度的影響

石英砂的顆粒級配越好，灌漿料的結構越密實，強度越高[8]。從表中可以看出，隨著石英砂的級配變化，灌漿料的流動度和強度的變化不一致。相同質量下，石英砂的砂越細，顆粒總表面積越大，需水量越大，流動度越差；較粗的砂的流動度更好。強度上，細砂的比例越大，易形成緊密堆積，1d 和3d 強度較高。主要在于細砂能夠在早期形成骨料間的黏結。因此，綜合流動度和強度，石英砂的顆粒級配固定在m（3#）:m（2#）:m（1#）=2:4:4。

2.2 水膠比對灌漿料性能的影響研究

通過固定砂級配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質量比為1:1、粉體減水劑、膨脹劑摻量分別為0.4%、0.2%，消泡劑0.025%，研究水膠比對灌漿料性能的影響（表2）。

表2 水膠比對灌漿料性能的影響

從表2 可以看出，水膠比對灌漿料的流動性影響較明顯，隨著水膠比的增加，流動度呈增加的趨勢，但是會出現泌水現象，反而會影響強度。原因在于水膠比較大時，初期水泥水化產物便會被分解，形成不了較高強度。因此綜合考慮流動度和強度，水膠比固定為0.30。

2.3 膠砂比對灌漿料性能的影響

膠砂比對灌漿料的流動性和強度有較大影響。通過固定砂級配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、水膠比為0.30、粉體減水劑、膨脹劑摻量分別為0.4%、0.2%，消泡劑0.025%，研究膠砂比對灌漿料性能的影響（表3）。

表3 膠砂比對灌漿料性能的影響

由表3 可得，隨著膠砂比的降低，灌漿料的流動性不斷降低。主要原因是水泥基材料內部砂的比例增加，骨料增加，相對漿體厚度減少，摩擦增加，從而影響灌漿料的流動度。1d 強度隨著膠砂比的降低有所降低，28d 強度隨著砂膠比的增加而增加。主要原因在于膠砂比的降低，在早期參與水泥水化的膠凝材料有所降低，不利于強度的發展，水化后期水化反應已基本完成，強度較高的骨料反而能增強宏觀力學強度，骨料越多，強度越大。因此將膠砂比固定在1:1.2。

2.4 膨脹劑的摻量對灌漿料豎向膨脹率的影響

灌漿料要達到一定無收縮甚至微膨脹的效果，必須引入膨脹劑。本文通過固定砂級配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質量比為1:1.2、水膠比為0.30、粉體減水劑0.40%，消泡劑0.025%，通過調整膨脹劑的摻量，進行豎向膨脹率試驗，研究膨脹劑的加入對灌漿料豎向膨脹率的影響（表4）。

表4 膨脹劑對灌漿料性能的影響

采用硅酸鹽水泥膠凝體系制備灌漿料，在硬化過程中會產生較大的塑性收縮。因此在配合比設計中必須引入膨脹劑，補償漿體的早期收縮。本文采用UEA膨脹劑，隨著膨脹劑摻量的增加，灌漿料的3h 豎向膨脹率及24h 與3h 膨脹率之差呈現規律增長的趨勢。主要原因在于膨脹劑在水泥石內部生成鈣礬石晶體，吸水膨脹，填充了孔隙[9]。摻量為0.3%時，灌漿料的3h 和24h 豎向膨脹率即可滿足標準要求，即3h 豎向膨脹率不低于0.1%，24h 與3h 豎向膨脹率差在0.02%~0.5%。再增加膨脹劑的用量，灌漿料的各齡期的強度會有明顯的下降。因此UEA 膨脹劑的摻量為0.3%。

2.5 納米二氧化硅對灌漿料性能的研究

前文通過調整水膠比、膠砂比以及顆粒級配能夠不同程度提高灌漿料的抗壓強度，但最終抗壓強度在100MPa 左右，沒有達到120MPa。研究表明少量的納米材料良好分散在水泥中時能夠使水泥石更加致密，強度更高。通過固定砂級配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質量比為1:1.2、水膠比為0.30、膨脹劑、粉體減水劑分別為0.3%、0.40%，消泡劑0.025%，采用納米二氧化硅，研究其對灌漿料強度的影響（表5）。

表5 納米二氧化硅對灌漿料性能的影響

納米二氧化硅摻入到配合比設計中，不僅能起到顆粒填充的作用，而且其本身具有火山灰效應，能夠參與到水泥水化過程中，提高水泥強度的發展和耐久性。從表中可以看出隨著納米二氧化硅摻量的增加，流動度較空白樣有所降低，各齡期抗壓強度均有所提高，且28d 強度達到120MPa 以上。摻量在0.8%時，流動度損失較大，已不能滿足灌漿料的工作要求。原因在于納米二氧化硅摻量過大時，顆粒之間容易團聚形成薄弱區域，影響強度。因此納米二氧化掛的摻量為0.4%，28d抗壓強度為128MPa。

2.6 減水劑對灌漿料性能的研究

加入納米二氧化硅后，對灌漿料的流動度有所影響。本文固定砂級配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質量比為1:1.2、水膠比為0.30、膨脹劑、納米二氧化硅分別為0.3%、0.4%，消泡劑0.025%，研究聚羧酸減水劑的摻量對灌漿料性能的影響（表6）。

表6 減水劑對灌漿料性能的影響

聚羧酸減水劑對灌漿料的流動度影響比較明顯。從表6 可得，隨著減水劑摻量的增加，流動度呈規律性增加，當摻量在0.8%時，泌水率比較大，影響凝結時間和強度。故減水劑摻量在0.6%時，灌漿料的流動度和強度達到最優。

2.7 緩凝劑摻量對灌漿料流動性的影響

不同摻量葡萄糖酸鈉緩凝劑對灌漿料工作性影響如圖1 所示，當不摻緩凝劑時，初始流動度小，30min 流動度損失超過30mm。而隨著緩凝劑摻量的增大，初始流動度略有增加，30min 流動度變化明顯，當緩凝劑摻量加為1%時，30min 后的流動度明顯增加，當緩凝劑摻量加為3%時，30min 后流動度幾乎和初始流動度相同，經時變化量幾乎為0，出現緩凝現象，但是會影響1d 強度。聚羧酸高性能減水劑能顯著增大水泥顆粒的分散度，使參與反應的水泥顆粒增多，可大幅增加漿體的初始流動度，但加速了水泥的中后期水化，所以需要選擇適當的緩凝劑，使灌漿料保持良好的流動度和早期強度。因此，葡萄糖酸鈉緩凝劑的加量為2%，灌漿料的流動度保持較好。

圖1 不同摻量葡萄糖酸鈉緩凝劑對灌漿料工作性影響

綜上，通過研究灌漿料配合比設計的砂級配、水膠比、砂膠比、膨脹劑、納米材料這幾個因素，確定的灌漿料的配比為，砂級配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質量比為1:1.2、水膠比為0.30%、膨脹劑、減水劑、納米二氧化硅分別為0.30%、0.6%、0.4%、緩凝劑摻量2%、消泡劑0.025%。高強灌漿料的性能參數如表7 所示。

表7 高強灌漿料的性能參數

3 海上風電基礎高強灌漿料施工效果

海上風電基礎高強灌漿料施工效果如圖2 所示。

圖2 海上風電基礎高強灌漿料施工效果

4 結語

（1）在高強水泥基灌漿料中，當砂級配合理時，灌漿料的結構較密實，強度較高。水膠比和膠砂比對灌漿料的流動度、抗壓強度都有較大影響，應用時根據原材料的差異確定最優水膠比和膠砂比。膨脹劑的加入能夠使灌漿料實現微膨脹、彌補水泥石硬化產生的收縮。減水劑能夠顯著提高灌漿料的流動度，合適的摻量也有利于強度的發展，因此應根據試驗確定最佳摻量。

（2）納米二氧化硅因其自身的納米效應，能夠提高灌漿料的強度，使灌漿料實現高強。

（3）不同緩凝劑摻量對水泥基灌漿料的工作性影響不同.隨著緩凝劑摻量的增加，初始流動度略有增加，30min 后的經時損失明顯減小，最佳摻量為2%。使得灌漿料工作性能顯著提高。

（4）本文確定的灌漿料的配比為砂級配m（1#）:m（2#）:m（3#）=2:4:4、膠凝材料與砂的質量比為1:1.2、水膠比為0.30、膨脹劑、減水劑、納米二氧化硅、緩凝劑分別為0.30%、0.6%、0.4%、2%、消泡劑0.025%，初始流動度達到388mm，30min 流動度為360mm，28d 抗折強度達到15.99MPa，抗壓強度達到131MPa。其具有大流動性、可泵送性好、超早強、超高強、無收縮的特點，適合海上風電基礎用水泥基灌漿料。