圓臺式鋼筋混凝土基礎承臺溫度控制與配合比研究

李 斌 杜建勝 溫 宇 趙志濤

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

1 工程概況

龍源陳平風電項目位于廣西省南寧市賓陽縣陳平鄉南部山區，總共需要安裝16 臺風機。風電項目風機基礎底部直徑為21m，頂部直徑為6.6m，墊層厚為0.1m。采用的是2 個圓形組合而成的圓臺式風機基礎，基礎頂高4.7m。澆筑該大型結構物需要多方措施的配合實施。為了進行對基礎承臺的溫度控制和配合比的研究，需要細致分析混凝土材料的絕熱溫升問題。

2 溫度控制措施

2.1 模擬絕熱溫升試驗

在實際澆筑過程中，很難精準把控圓臺式鋼筋混凝土基礎承臺的溫度。因此需要通過同條件下的試件模擬試驗來驗證實際中混凝土澆筑過后其內部溫度升高的變化趨勢[2]。現場混凝土澆筑所取得的同條件試塊如圖1 所示。該試驗采用的是一個尺寸為800mm×600mm×100mm 的平板型試件。

圖1 圓臺式混凝土澆筑試塊

該溫升試驗的目的是研究在不同干燥狀態下混凝土所受的開裂影響，采用4 種干燥養護條件，即覆膜密封養護0d、1d、2d 和3d，觀察其后的表現情況。具體試驗方法如下：通過設置熱電偶與保溫泡沫箱，取得較好的保溫效果。將熱電偶一端用于測試混凝土溫度，另一端與數據采集裝置連接，對混凝土試件的中心溫度、邊緣溫度進行細致采集[3]。

溫升試驗將通過溫升試驗儀來確定采集辦法。該儀器需要符合混凝土熱物理參數測定儀的相關規定，儀器主要情況由2 個部分組成，分別是絕熱養護箱和控制記錄儀，溫度控制記錄儀的測量范圍在0℃～100℃，分刻度值是0.5℃。對圓臺式混凝土試塊的澆筑按照《水工混凝土試驗規程》（DL/T5150—2001）進行即可，對現場施工的混凝土試塊溫升試驗進行分析的主要依據是指數型模型和雙曲指數型模型，具體如公式（1）、公式（2）所示。

式中：θ（τ）為圓臺式混凝土的絕熱溫升變量；θ0為圓臺式混凝土的最終絕熱溫升變量；τ為其養護時間的自變量；m為一控制常數。

為了更為準確地利用上述2 個模型，該文將實測數據帶入模型公式，進而得到后續第2.2 節的絕熱溫升試驗曲線，以便于進行直觀分析。

2.2 溫升數據分析

試塊選取6 種配合比，以測試不同配合比下的溫度變化情況。詳細配比見表1。其中選取混凝土的標號為C30，摻入不同數量的粉煤灰以區分混凝土的不同配合比，并對不同的配合比組別下的溫升數據進行代號區分。當粉煤灰摻量為30%、35%、40%和50%時，用YC30、YC35、YC40和YC50 表示；同時加入摻量為20%、25%的礦渣，用代號YC3020、YC3025 表示。通過這6 種不同方式制成混凝土配合比后，利用第2.1 節中的公式（1）、公式（2），用最小二乘法原理對試驗數據做數據擬合，求出有關參數和擬合公式。該文對某大壩所采用的幾種碾軋、常態混凝土在齡期內進行絕熱溫升試驗，獲得混凝土絕熱溫升數據，分別使用公式（1）、公式（2）對所有數據進行數學擬和，分析2 種表達式的擬和優劣，得出最佳擬和數學模型，并對其進行分析。

地礦信用體系主要包括信用監督管理制度、信用等級評價標準、信用信息系統三個部分。據統計，自2014年實施以來，原浙江省國土資源廳已公開發布了2015年、2016年、2017年三個年度的采礦權人信用等級名單，其中C級共73個（次）、D級共17個（次）；公開發布了2016年和2017年探礦權人信用等級名單，其中C級共11個（次）；公開發布了2017年度地礦中介服務機構信用等級名單，其中C級11家、D級16家；公開發布了2017年度全省地礦專家人員信用考核結果，其中10位評審類專家被公開移出省地礦專家庫。通過地礦信用監管，各類從業主體誠信意識、自律意識明顯增強，地礦市場秩序更加規范，成效初步顯現。

表1 溫升試塊混凝土配合比（kg/m3）

通過前述模擬絕熱溫升的試驗方法進行數據采集，并合并拉出曲線進行分析，得到的最終曲線如圖2 所示。

圖2 圓臺式混凝土試塊絕熱模擬試驗曲線

圖2 中對6 種配合比下的混凝土溫升進行了整理，可以發現所有情況趨勢均類似，從起始溫度27℃開始緩慢上升，維持在30℃后，又開始出現短暫的下降，而后迅速攀升到峰值溫度，從第3d 左右開始出現連續下降的趨勢，從第7d 左右開始呈現緩慢下降的趨勢。最終所有6 種配合比下的圓臺式混凝土的材料溫度保持在17℃～20℃附近。從絕熱溫升模擬試驗可以得出：圓臺式混凝土的溫控主要把握中后程，在齡期3d 左右會達到峰值，如果不進行妥當處理，將會對結構件造成破壞。

2.3 溫控措施

從施工角度來看，在圓臺式混凝土溫控過程中主要應做好切片[4]，分區域及時進行放熱，有足夠的熱交換就能夠進行準確的溫度控制，保持溫度的一致性，也就不會產生較大的混凝土開裂問題。常規的溫控措施非常多，該文采取的主要措施是對配合比進行優化并對混凝土結構的澆筑進行細分，以達到溫度控制的目的，并且依次配置不同的配合比混凝土以進行施工[5]。實踐證明，該模式能夠最大限度地處理好圓盤式混凝土基礎承臺澆筑的一系列問題。

3 配合比研究

3.1 主要技術指標

圓臺式鋼筋混凝土基礎承臺的澆筑涉及在圓形的邊界范圍內進行混凝土的澆筑施工。由于幾何尺寸和常規的結構形狀有所不同，因此更需要在混凝土自身的配合比問題上進行研究，以適應風電基礎的耐久性要求。

為了透徹地分析圓臺式重力鋼筋混凝土基礎承臺的耐久性問題，需要重點考慮單位用水量、砂率、水灰比這3 個關鍵性指標[6]。其中單位用水量將主要影響圓臺式混凝土的流動性，砂率將影響結構的聚合性和一定的保水性能，而水灰比是影響圓臺式重力混凝土承臺的耐久性和穩定性的控制指標。

3.1.1 水灰比影響

對混凝土的配合比進行研究，需要首要考慮的是水灰比的影響[7]。水灰比的配置方案直接決定了圓臺式混凝土基礎承臺的澆筑效果和整體質量。通常標號為C60 的混凝土，即除了高強混凝土以外的普通混凝土的水灰比的計算應如公式（3）所示。

式中：W為用水量；C為水泥用量；αa、αb為回歸系數，根據不同集料采取不同的回歸系數，最大取為1；fce為28d水泥抗壓強度實測值，單位為MPa；fcu，o為水泥極限強度標準值，單位為MPa。

公式（3）能夠定性地分析出水泥和水的摻加比例，對圓臺式混凝土而言，應當將水泥與水的比例保持在0.25 以下較為合適。

3.1.2 砂率影響

砂率是指整個混凝土集料中砂子的含量占比。顯然，砂子在集料中的占比應該保持在一定的范圍內，砂率選取方法主要包括如下方面：1）砂率與水灰比的關系成正比，一般設置為1 ∶0.3 為宜。2）碎石用量應顯著多于卵石，二者相差應當為0.02 左右。3）當配比中粗集料的粒徑成4mm 的等差數列依次遞增時，相應地，砂率也應按照公差為0.02 左右向下遞減。

3.1.3 結構單位用水量影響

圓臺式混凝土承臺基礎的結構單位用水量需要通過現場試驗來確定。其基礎定在90mm 的坍落度上，每增加20mm 的坍落度，單位用水量就需要增加5kg[8]。考慮外加劑時需要進行有關計算，如公式（4）所示。

根據該結果，將圓臺式混凝土承臺基礎分為素混凝土材料和鋼筋混凝土材料2 個大類，并考慮幾種常見施工工況下的水灰比用量控制，總結得出的控制參數見表2。

表2 圓臺混凝土最大水灰比控制參數表

根據表2 的數據，可以試驗在水灰比一定的情況下，通過變換用水量來進行圓臺式混凝土的配合比優化研究。并在此基礎上進行有關操作，對提高結構物的整體性能和耐久性能起到明顯的促進作用，且效果顯著。

假設澆筑混凝土的標號為C30，初始坍落度控制在160mm±20mm，可以配置出6 種滿足要求的如表3 所示用水量的結構混凝土。

表3 單位用水量優化圓臺式混凝土澆筑配合比配置表

3.2 優化方法研究

對混凝土的施工，其結構部位、環境、原材料、工藝等因素并非獨立，而是相互作用的有機整體。為了能夠達到真正的優化效果，配合比的調整應當是分塊、分區采用不同的配合比。根據大體積的圓臺式混凝土基礎承臺的澆筑策略，擬通過多項分類的方法進行澆筑施工，對同一部位的不同層次也要采用不同配比的混凝土材料施工，才能確保結構整體性能得到提升。

基于上述邏輯，通過測算并根據混凝土材料的溫度傳導特性將現場實際澆筑施工分成3 個區（A 區、B 區和C區）共14 個小區的澆筑工區。這些區域對應了不同的配合比，能夠較好地適應澆筑時間、澆筑環境條件等，可大幅提升混凝土質量，不會發生開裂變形。其優化方法是按照圖3 所示依次進行澆筑，由下到上首先進行C 區施工，沿圓臺式混凝土基礎承臺徑向交叉分為4 個區域即C Ⅰ、C Ⅱ、C Ⅲ和C Ⅳ區依次澆筑，然后向上開始B 區澆筑。為保證材料一致性和幾何一致性，先行澆筑最里圈的工區，并按照徑向平切為2 個部分，即B Ⅰ區、B Ⅱ區，澆筑外圈兩側的工區B Ⅲ和B Ⅳ區，再澆筑基礎承臺頂部工區。為了保證整體性和耐久性，沿著與B 區里圈徑向平切相垂直的徑向方向平切為2 個部分，即A Ⅰ區、A Ⅱ區，澆筑外圈兩側的工區，再平切為2 個部分，即A Ⅲ區、A Ⅳ區和A Ⅴ區、A Ⅵ區，最終完成所有圓臺式鋼筋混凝土基礎承臺的澆筑工作。其不同區域對應的優化配合比詳見表4。

表4 按區域優化后的混凝土配合比設置對應表

圖3 圓臺式鋼筋混凝土基礎承臺不同配合比分區澆筑示意圖

綜上所述，該文所述澆筑分區及對應的分塊混凝土配合比能夠最大限度地進行承臺混凝土溫度控制和防裂縫控制，并能取得較好效果。

4 結論

圓臺式風電基礎承臺的澆筑作業涉及溫度控制和配合比的優化問題且在幾何尺寸較大的基礎中更為關鍵。該文從溫控措施開始，對溫升試驗和混凝土配合比問題進行了較為深入的研究，得出以下結論：1）該文進行了模擬現場同條件的混凝土絕熱溫升模擬試驗，選擇出6 種配合比的混凝土，結果發現混凝土溫度變化在3d 左右達到峰值，其后開始持續下降，最終穩定在17℃左右。2）該文建議溫控措施的最優方法是將溫度控制、混凝土配合比及分塊分區作業結合起來，通過在不同工區設置不同配合比的混凝土料，最大限度地提升圓臺式基礎承臺的整體質量。