风电高桩承台混凝土施工裂缝控制技术研究

聂亚楠 王成启 陈克伟 钟赛 谷坤鹏

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032）

摘要：针对海上风电高桩承台混凝土裂缝控制难度大的问题，以上海临港海上风电II期工程为依托，优选原材料，开展室内配合比优化试验研究，采用ANSYS软件分别对布置冷却水管和未布置冷却水管的施工工况进行模拟研究，并进行混凝土现场施工质量控制研究。结果表明：掺加适量矿粉、粉煤灰能有效降低混凝土的绝热温升，在混凝土内部布置冷却水管能有效降低混凝土内部的最高温度和内表温差，从而显著降低混凝土的开裂风险；通过采取现场严格的混凝土原材料、坍落度、振捣工艺控制和保温、保湿养护等技术措施，基本消除了风电高桩承台混凝土的裂缝；形成了海上风电高桩承台混凝土配合比设计、混凝土内部布设冷却水管、温度场分布模拟和现场施工质量控制等裂缝控制成套技术，有效控制了海上风电高桩承台混凝土裂缝。

关键词：高桩承台；混凝土；控裂；施工

中图分类号：TU528        文献标志码：A        文章编号：

Research on crack control technology of high voltage pile cap concrete in wind power station

NIE Ya-nan, WANG Cheng-qi, CHEN Ke-wei, ZHONG Sai , GU Kun-peng

（1 CCCC Shanghai Third Harbour Engineering Academy of Science Co., Ltd, Shanghai 200032,China）

Abstract: Due to the difficulty in controlling concrete cracks in high pile caps for offshore wind power, the research of the optimum mix ratio experiment, the simulation used ANSYS software with the construction conditions of arranged and unarranged cooling pipe inside the concrete and the concrete site construction quality control were conducted based on the II project of Shanghai port offshore wind power. Results showed that adding proper amount of mineral powder and fly ash can effectively reduce the adiabatic temperature rise of concrete and reduce the temperature difference of the inner surface of concrete. The arrangement of cooling water pipe inside the concrete could effectively reduce the maximum temperature and the internal and external temperature difference of the concrete, thus significantly reducing the risk of concrete cracking. Cooperating with the strict raw material control, slump, vibration technology control and heat preservation, moisturizing maintenance after construction completed, concrete cracks has almost eliminated. Complete set technology of concrete mix ratio design, arrangement of cooling water pipe and simulation of the distribution of temperature field inside the concrete, and site construction quality controlled is formed. The technology has effectively controlled the generation of concrete cracks in high pile caps of offshore wind farms.

Key word: High pile caps; Concrete; Crack control; Construction

1.       工程概况

我国沿海海上风力发电资源十分丰富，海上风电发展潜能巨大。作为可再生能源发展的“潜力股”，海上风电将成为促进风电技术进步、推动能源结构优化的重要发展方向。“十三五”期间，国家大力推动海上风电发展，从政策、质量、技术等方面均实现飞跃式进步^[1-2]。海上风电承台结构是风电工程重要的结构形式，然而，海上风电承台大体积混凝土结构具有尺寸大、质量要求高、海上施工、质量控制难度大等特点^[3]，同时，风电承台混凝土强度等级高，胶凝材料用量大，水化热散热条件差，大量的水化热聚集在混凝土内部，混凝土结构极易因为温度应力产生开裂，给工程造成极大的危害^[4]。

上海临港海上风电II期工程位于南汇海滩以东的近海海域，共28台单机容量3.6MW风机机组，工程总装机容量为100.8MW。风机基础为高桩混凝土承台，承台上部结构为圆台形，顶面直径11m，底面直径14m，高1.5m，下部结构为圆柱形，直径14m，高3m，8根基桩为直径1.70m、壁厚30mm的钢管桩。8根基桩均布在承台底部沿10m直径的圆周上，钢管桩倾斜度5.5：1。承台结构见图1.1所示。

承台混凝土总高度为4.5m，直径14m，浇筑体积为647m³，一次浇筑成型，是典型的高桩承台大体积混凝土结构。浇筑后混凝土散热条件不利，胶凝材料水化热将大量集聚在承台内部导致承台内部温度快速推升，内表温差大，混凝土内约束导致温度应力过大，承台混凝土存在较大开裂风险。大体积混凝土浇筑结束后，由于温度升高，混凝土早期各向变形均表现为膨胀变形，混凝土内部应力表现为压应力，表面应力表现为拉应力，承台早期温度应力主要集中于上表面；而温度峰值过后，混凝土处于降温期时，混凝土开始收缩变形，混凝土拉应力逐渐传递到内部，此时混凝土内部应力表现为拉应力，表面应力表现为压应力，混凝土内部拉应力增大。混凝土若出现早期开裂，一般裂缝较浅；而后期开裂则很可能是深层裂缝，危害性很大，如何减少混凝土温度应力，是控制承台质量的关键，承台海上特殊的施工环境给大体积混凝土裂缝控制带来巨大挑战，加之施工期为4月底至10月初，环境温度较高，导致混凝土的入模温度较高，因此，必须从混凝土原材料、配合比和施工控制等方面采取综合措施克服不利因素，确保大体积混凝土承台的施工质量^[5]。

图1.1 临港风电承台结构图

2.       原材料及配合比设计

2.1原材料组成

水泥：采用上海海螺水泥厂生产的P·O 42.5水泥，主要化学成分见表2-1。

粉煤灰：采用华电潍坊发电公司提供F类Ⅰ级粉煤灰，其化学成分见表2-1，该粉煤灰各性能指标均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）的要求。

矿粉：采用朱家桥S95水淬高炉矿渣粉，矿粉的主要化学成分见表2-1。

砂：采用安徽芜湖天然河砂，细度模数为2.7，属于Ⅱ区中砂。

石子：采用浙江舟山的5-25mm连续粒级碎石。

减水剂：采用上海巴斯夫生产的RP25高效减水剂。

表2-1 原材料化学组成/wt%

2.2混凝土配合比设计

表2-2为临港风电项目承台混凝土设计指标。根据承台施工工艺，采用C45泵送混凝土施工，对混凝土拌合物工作性和可泵性要求较高，坍落度要求为180~220mm。

表2-2 临港风电项目承台混凝土设计指标

根据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》以及设计要求，计算得到C45混凝土基准配合比，水泥：粉煤灰：矿粉：砂：碎石：水=207:115:138:764:1056:150。

通过调整胶凝材料用量、砂率、粉煤灰掺量等参数进行混凝土的试配，使混凝土满足泵送施工的要求，试验配合比如表2-3所示。混凝土拌合物性能试验按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，力学性能试验按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，耐久性试验按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

表2-3 承台C45混凝土试验配合比

混凝土拌合物状态见图2.1，拌合物性能、试件各特征龄期强度和耐久性指标见表2-4。试验结果显示，四组混凝土拌合物工作性能均满足设计要求。从抗压强度结果可以看出，基准配合比整体强度最高，随着水泥用量的降低，混凝土强度不断降低，说明在胶凝材料体系中，水泥水化占主导作用。从1d抗压强度结果可以看出，粉煤灰掺量比重增加，水泥用量比重降低，混凝土1d强度随之下降，说明使用粉煤灰代替水泥有明显的降低水化反应速率、降低早期强度的作用。

（a）基准                            （b）LW1

（c）LW2                     （d）LW3

图2.1混凝土状态

表2-4 混凝土性能测试结果

根据《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》规定，大体混凝土1d抗压强度不宜大于12MPa，从试验结果来看，LW2和LW3满足上述规程的要求；由28d电通量结果可见，四组试件的电通量均满足不大于1000C的要求。随着矿物掺合料掺量的增加，混凝土电通量呈下降趋势，混凝土耐久性能进一步改善，可见矿物掺合料对提高混凝土耐久性作用明显。从28d抗压强度结果可以看出，除LW3外，另外三组混凝土均满足混凝土配制强度要求。为保证现场施工质量，考虑到原材料波动情况，在综合考虑混凝土拌合物性能、早期强度、绝热温升和28d抗压强度以及耐久性的情况下，最终选用LW2配合比，其拌合物状态较好，1d抗压强度不大于12MPa，28d抗压强度大于配制强度54MPa，电通量小于1000C。混凝土施工配合比见表2-5，混凝土各项性能指标见表2-6，试验结果均符合规范要求。

表2-5 临港风电承台C45混凝土施工配合比（kg/m³）

表2-6 临港风电承台C45混凝土各项性能指标

3.     混凝土施工质量控制

大体积混凝土施工过程中的原材料质量、拌合物状态、入模温度、施工及振捣工艺控制等一直以来是大体积混凝土施工质量控制重要环节，也是影响混凝土开裂的重要因素，因此，必须对大体积混凝土在施工过程中进行严格的质量控制。

3.1原材料质量控制

砂石料等原材料上料时需要严格控制上料的质量。水泥、粉煤灰和矿粉等胶凝材料要控制每一批次原料的质量。各原材料控制具体如下：

（1）水泥：水泥应分批检验，质量应稳定，存放期超过3个月时应重新检验，避免使用刚出厂的水泥，水泥使用温度不大于50℃；

（2）粉煤灰：粉煤灰入储料仓后应分批检验，质量应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）^[6]的规定；

（3）细骨料：砂含泥量应小于2%，其它指标应符合规范规定，砂入储料仓后应分批检验。细骨料应尽量堆高，以降低混凝土出机温度；

（4）粗骨料：石子级配必须优良，来源应稳定。分批检验，使用前应用水冲洗，其各项指标必须符合规范要求。粗骨料应尽量堆高，以降低混凝土出机温度；

（5）外加剂：掺加性能优良的缓凝型高性能减水剂，外加剂入场后应进行遮阳储存；

（6）水：拌合用水应采用淡水，并降低拌合水温度。

3.2施工质量控制

影响混凝土开裂的原因很复杂，往往不是单一因素造成的，施工的各个环节对于控制混凝土早期裂缝、减小后期开裂倾向、实现设计耐久性都至关重要。各施工过程质量控制具体如下：

（1）入模坍落度控制：①承台底部1~2m：入模坍落度控制在200~220mm；②承台中部2~3m：入模坍落度控制在180~200mm；③承台顶面靠近上表面0.5m：入模坍落度控制在160~180mm。浇筑到上层时收水2～3kg，减少浮浆。混凝土入模坍落度按照上述方式控制的原因如下：承台底部混凝土浇筑时，混凝土下料高度较大，需要混凝土具有较好的流淌性，以易于布料；随着混凝土浇筑和振捣的进行，混凝土上表面会产生较多浆体，因此入模混凝土坍落度要适当降低，在靠近承台上表面收面前混凝土坍落度进一步降低，以易于收面，防止承台上表面浮浆过厚；

（2）浇筑和振捣：混凝土浇筑采用分层浇筑和斜面推进法施工。混凝土浇筑按照从一个方向（中间）向另外一个方向（两端）推进进行，并严格控制分层厚度，加强斜角部位混凝土振捣，保证振捣充分。为提高保护层范围内的混凝土的质量，布料时单边推进，首先保证模板侧壁的布料。浇筑推进方式如图3.1所示。

图3.1混凝土浇筑推进示意图

混凝土施工方法如下：每层浇筑厚度按照30cm控制，振捣间距按50～60cm进行控制。振捣时，振捣棒插入混凝土内，上层混凝土振捣时将振捣棒插入下层混凝土内5～10cm，每一处振捣快插慢拔，必须振捣至该处混凝土不再下降，气泡不再冒出，表面出现泛浆为止。保护层范围内采用直径更小的振捣棒进行振捣。采用插入式高频振捣器振捣混凝土时，宜采用垂直点振方式振捣，每点的振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡为准，振捣时间一般控制在30s以内，避免过振。混凝土较粘稠时，应加密振点分布。振捣时插点均匀，成行或交错式前进，以免过振或漏振，避免用振捣棒横拖赶动混凝土拌和物，以免造成离下料口远处砂浆过多而开裂。在振捣混凝土过程中，加强检查模板支撑的稳定性和接缝的密合情况，以防漏浆。振捣时不得碰撞模板、钢筋、冷却水管及预埋件。

（4）浮浆处理：由于承台较厚，并且浇筑速度较快，容易产生浮浆，浇筑过程中，将浮浆赶至低洼处，采用泵或人工的方式将浮浆去除，防止顶部浮浆过厚，影响混凝土强度，并且较厚的浮浆容易产生表层开裂；

（5）拆模时间控制：合理安排拆模时间，为减少内表温差，拆模时间拟选择在一天中气温较高时进行。大体积混凝土的拆模时间，应满足现行国家标准对混凝土的强度要求。模板作为保温养护措施的一部分时，其拆模时间应根据温控要求确定，混凝土内部开始降温前不得拆模。拆模时混凝土表层与环境之间的温差不得大于15℃。

3.3养护控制

混凝土养护包括湿度和温度两个方面，结构表层混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取决于施工养护过程中的温度和湿度养护，因为水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土强度和耐久性的微结构。为保证养护质量，对混凝土表面进行潮湿养护。为防止承台出现表面裂缝，要特别注意施工时的表面保温。在保温期间，由专人对各保温部位进行检查，并根据气象预报在寒潮来临前加强保温检查。

承台浇筑完毕后，永久暴露面待混凝土初凝后先进行多次抹面，至抹不动后洒水（采用冷却水出水口热水）并覆盖带膜土工布进行养护。拆模后采用土工布加帆布包裹养护，养护时间根据温度监测结果进行适当调整，保证混凝土内表温差及气温与混凝土表面的温差在控制范围内，养护时间不宜少于14d。

4.       冷却水管与效果分析

4.1承台大体积混凝土仿真分析

通过仿真建模的方式对混凝土内部温度场的分布情况进行模拟，从而指导大体积混凝土的温度控制，一直是国内的重点研究内容。上海交通大学黄善衡教授提出了求解混凝土温度场和温度应力的物理模型和数学模型，首次在大体积混凝土温控中使用了DO960数模混合仿真系统^[7]，模拟结果与现场实测结果基本相符。梁复刚、马涛^[8-11]等都对仿真模拟进行了深入研究，并用于实践指导大体积混凝土温度裂缝控制，有效地解决了温度裂缝控制的难题。

采用ANSYS软件对承台有无冷却水管的工况分别进行温度场分布及温差的数值模拟研究，冷却水管布设方案及有限元模型如图4.1所示。混凝土温度参数选取见表4-1，承台施工期主要集中在夏季，入模温度取28℃。塔筒内部布设多边形冷却水管，外部布设莲花型水管，冷却水管为钢管，管径为50mm，均竖向布设3层冷却水管，距承台底部标高分别为3.8m、2.4m、1.0m。三层水管均成环形布设，以承台中心为圆心，环形外接圆半径分别为4m和6m，水管间距为1.4m。

表4-1 混凝土温度场参数选取表

图4.1 冷却水管布设及有限元模型

4.2 冷却水管对承台温度的影响

ANSYS软件模拟的有无冷却水管工况下承台混凝土内部温度随时间的变化如图4.2所示，承台浇筑55h后2.8m处温度场分布模拟图如图4.3所示。

图4.2 承台温峰值随龄期变化图

（a）无冷却水管工况                                      （b）有冷却水管工况

图4.3 承台浇筑55h后2.8m处温度场分布模拟图

未布设冷却水管时承台的温峰出现在浇筑后的第96h，峰值为73.3℃，高温区域分布广，布设冷却水管时温峰出现在浇筑后的第60h，峰值为66.3℃，高温区域分布大大减小。显然，布设冷却水管后，混凝土的温峰提前了36h，峰值降低了7.0℃，采用布设冷却水管的方式能显著降低混凝土内部的最高温度并提早温峰出现的时间，对混凝土内部的散热十分有利。未布设冷却水管时，混凝土的温峰值超过水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程（JTS 202-1-2010）规定的混凝土内部最高温度不得大于70℃的要求，出现温度裂缝的概率较大，布设冷却水管时，混凝土的温峰值降至70℃以下，符合规范的控制要求。

未布设冷却水管时，混凝土内表温差的最大值为30.5℃，出现在浇筑后的第144h，温差超过25℃的时间持续较长。因为，未布设冷却水管时，承台表面散热快，较早进入降温阶段，而承台内部的热量积聚不易散发，升温阶段持续时间较长，导致内表温差持续增大，温差持续超过标准规定的25℃以上，混凝土的开裂风险急剧增加。布设冷却水管时，承台内部温差的最大值为20.1℃，出现在承台浇筑后第72h。由此可见，布设了冷却水管后，混凝土的内表温差有了明显的改善，对于控制混凝土的温度裂缝十分有利。冷却水管能提前混凝土内部的降温阶段，缩短与上表层降温阶段的时间间隔，从而显著降低混凝土的内表温差，降低混凝土开裂风险。

布设冷却水管后，承台混凝土内部温峰出现在51h，温峰为68.46℃，较软件模拟结果提早9h出现，温峰较软件模拟结果高2.16℃；混凝土内表温差的最大值为21.65℃，出现在浇筑后的第63h，较软件模拟结果高1.55℃，最大内表温差较软件模拟结果提早9h。综合考虑实际入模温度较模拟入模温度稍高，温度和温差实际测量结果与软件模拟结果基本相符，准确度较高。因此，采用软件模拟对指导大体积混凝土的温度裂缝控制具有重要实用价值。

进行混凝土温度监控，掌握混凝土内部温度场分布的实时情况，用以指导冷却水的通水时间及流量控制，指导混凝土拆模及拆模后的养护工作，降温阶段进行拆模，拆模后及时采取保温措施。临港海上风电II期工程施工的28个高桩承台中混凝土均未出现有害的温度裂缝，实践应用效果良好，温度监控起到了重要作用，对海上风电高桩承台大体积混凝土温度裂缝控制具有显著的指导作用。

5.       结论

（1）优选原材料进行配合比优化设计，降低胶凝材料用量，采用掺加粉煤灰和矿粉的方式能显著降低混凝土的绝热温升，从而降低混凝土的最高温度和内表温差，降低混凝土开裂风险。

（2）在混凝土内部布置冷却水管对混凝土内部的散热十分有利，能有效降低混凝土内部的最高温度并提早温峰出现的时间，缩短与上表层降温阶段的时间间隔，从而显著降低混凝土的内表温差，降低混凝土开裂风险。

（3）通过采用现场严格的原材料、坍落度、振捣工艺控制和保温、保湿养护等综合技术措施，基本消除了上风电高桩承台混凝土的裂缝；形成了海上风电高桩承台混凝土配合比设计、混凝土内部布设冷却水管、温度场分布模拟和现场施工质量控制等裂缝控制成套技术，有效控制了海上风电高桩承台混凝土裂缝的产生，推广应用前景广阔。

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