风力发电机基础混凝土结构裂缝控制研究.pdf

134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）2023 年第 5 期（总第 226 期）散 装 水 泥Bulk Cement作者简介：姜金平（1983-），男，江苏东台人，本科，工程师，研究方向：项目管理。摘 要：裂缝产生与水泥水化热、外界温度变化、混凝土收缩、沉降、施工、结构设计等因素有关。为从根源上控制裂缝的产生，实践中可从混凝土原材料选用、配合比、混凝土浇筑与养护、工程温度监测等维度来落实。文章以风力发电机混凝土基础工程 A 为案例分析，阐述了大体积混凝土的概念和特点，并围绕 A 工程为中心论述了超大型混凝土结构裂缝产生原因及控制措施。关键词：超大型；混凝土结构；裂缝控制中图分类号：TU375文献标识码：B文章编号：1007-3922（2023）-05-0134-04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 0.92.1m，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 2050m/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，No.5,2023Serial.No.226135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37d 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 2050m/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 2.62.9，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（142cm）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136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535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 25d，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。（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。图 1 数字化温度传感器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。参考文献：1 黄建伟,王宁龙,王远航.超长混凝土结构裂缝控（下转第 139 页）1393.2 预应力筋铺设保证预应力施工质量的关键工序是铺设预应力筋。如果构件是单向板，钢筋铺设和普通钢筋铺设是一样的，施工比较简单。双向板预应力筋的两个方向要相互穿插，使其在两个方向上形成悬垂形状的曲线。铺设双向板预应力，需要先绘制铺设顺序图，可根据双向钢丝束交点的标高差进行绘制。一般先铺设处在钢丝束波峰低的底层钢丝束，再依次铺设处在波峰高的上层钢丝束。根据设计图，先计算出各点标高、位置、反弯点位置、波峰位置，并做好记录，将马凳就位，根据规范要求控制马凳间距为 l2m，最后铺设钢丝束，调整波峰高度及水平位置，检查无误后，用铅丝绑牢。3.3 张拉设备安装安装无粘结预应力筋张拉设备时，无粘结预应力筋分两种情况：第一种情况，如果无粘结预应力筋是直线型的，无粘结预应力筋中心线和张拉力的作用线必须在一条直线上；第二种情况，如果无粘结预应力筋是曲线型的，无粘结预应力筋中心线末端的切线和张拉力的作用线必须在一条直线上。施工时，首先，应按设计要求位置固定端锚板，锚板必须与钢丝镦头贴紧，放置锚板时，不能相互重叠。张拉机具的长度应与夹片锚具系统张拉端预应力筋的外露长度保持一致，还要保证预应力构件端部的承压板和曲线筋末端的切线、折线筋末端的切线成垂直状态。3.4 预应力筋张拉张拉顺序为先张拉板后张拉梁。规范要求，当预应力筋长度 25m 时，可采用一端张拉的方法；当预应力筋长度 25m 时，可采用两端张拉的方法；预应力筋长度 60m 时，应分段张拉。摩阻力大时，宜先松动 1 次再张拉。两端张拉时，可在构件两端同时张拉，也可先在构件一端进行张拉后，进行锚固，在构件另一端补足张力后，再进行锚固。3.5 预应力筋端部处理预应力筋张拉锚固完毕，必须用砂轮切割机切掉外露多余的预应力筋，不得采用电弧焊切割。处理预应力筋端部时，必须严格采取密封措施，保护锚固区。另外，为了防止预应力筋腐蚀，可在端部预设孔道，将油脂注入孔道内，再封闭孔道口，也可注入抗压强度不小于 35MPa 的环氧水泥砂浆进行封闭保护。4 结语综上所述，为了保证预应力构件的施工质量，必须严格按照规范、设计和施工方案进行施工。预应力构件施工工序繁琐，技术要求高，在整个施工过程中必须严格管理，尤其是施工技术人员管理、作业人员的专业技术培训和职业道德培训，做到无证不上岗。后张法无粘结预应力构件施工过程中，不需要预留孔道，施工方便，但需靠锚具将构件中的预应力传递给混凝土，对锚具的耐久性要求很高。房屋建筑中，预应力构件或结构大多数需要承受外界环境和活动荷载两种因素影响，也就是说，要求构件中的预应力在这两种因素的长期作用下不能有任何松动，以保证施工质量。参考文献：1 祁义辉.大跨径 T 形钢构桥长束预应力沿程损失及影响效应分析锈蚀钢绞线力学性能的试验研究 D:重庆交通大学,2018.2陈锦华.浅析无粘结预应力楼板施工技术要点 J.福建建材,2019(8):84-85.3李广利.试论无粘结预应力混凝土结构工程施工技术 J.中外企业家,2019(25):85.4菅永博.建筑工程预应力混凝土施工关键技术研究 J.建筑技术开发,2019,46(15):59-60.5曾沛淑.浅议建筑工程中结构构件后张法施工工艺 J.建材与装饰,2017(37):22-23.6邢学军.使用无粘结预应力改进高层建筑设计 J.价值工程,2016,35(17):108-110.制施工技术研究 J.工程建设与设计,2022(16):191-193.2 王文奎.工民建混凝土结构裂缝控制研究 J.绿色环保建材,2021(04):7-8.3 李明,谢彪,徐文,等.现浇隧道结构混凝土不同裂缝控制技术效果比较 J.混凝土,2021(03):137-140+144.4 舒宏博,金泽乾.某高铁站房超长混凝土结构裂缝控制 J.工程质量,2021,39(02):10-13.5 孙艳红.钢筋混凝土结构构件裂缝成因剖析 J.山西建筑,2010,36(04):166-167.（上接第 136 页）