风机基础灌浆料变形性能及开裂敏感性研究

张勇，薛永宏，沙建芳，郭飞，吴洲

（1.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京210008；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京211100）

0 引言

风电是资源潜力大、技术基本成熟的可再生能源，在减排温室气体、应对气候变化的新形势下，越来越受到世界各国的重视，并已在全球大规模开发利用。 中国风能储量大、分布广，开发利用潜力大。据估算，全国平均风功率密度为100 W/m2，风能资源总储量约32.26 亿kW， 可开发和利用的陆地风能和近海风能储量共计约10 亿kW。

风力发电机组作为一种新型高耸构筑物，其荷载和动力特性复杂。 风机基础是结构的重要组成部分， 它承担着将上部结构所承受的全部荷载和作用安全可靠地传递到地基， 并保持结构整体稳定的作用[1-4]。 预应力锚栓基础是一种新型的风机基础，采用预应力锚杆连接塔筒和基础，法兰和基础间通过灌浆连接成为整体， 预应力锚栓从张拉完毕直至使用的整个过程中，其疲劳应力幅小，抗疲劳性能优异[5-8]。

预应力锚杆基础用灌浆料强度要求极高，28 d抗压强度超过80 MPa， 远超过GB/T50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》要求范围。意味着套筒灌浆料的水胶比将急剧减小， 一般在0.25 左右，自收缩显著增大，灌浆料受到锚杆和基础混凝土的约束，内部产生拉应力，当拉应力超过其抗拉强度时，结构出现开裂现象，如图1 所示，进而影响结构安全及使用寿命。

图1 裂缝产生原理

基于此，实验从灌浆料自身变形性能优化及养护方式两方面出发，考察了风机基础灌浆料的变形发展规律及抗裂性能。

1 实验

1.1 原材料

（1）灌浆料：采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的JGM-SP 风机基础灌浆料。

（2）膨胀剂：采用江苏苏博特新材料股份有限公司提供的HME 系列膨胀剂（CaO 类）。

（3）养护剂：采用江苏苏博特新材料股份有限公司提供的有机型养护剂和有机无机复合型养护剂。

1.2 试验方法

灌浆料干燥收缩试验参照JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行，自生体积收缩试验参照干燥收缩试验成型、拆模后，用聚乙烯薄膜、铝箔对试件的所有表面进行密封，以避免水分损失。

目前，圆环法是各国研究者们研究水泥基材料早期开裂敏感性时较普遍采用的一种方法。 在内、外钢环之间浇注环形混凝土、 砂浆或净浆试件，拆除外模后，自生收缩、干燥收缩随着水化和干燥过程而增长，收缩受到中间钢芯的约束，在试件环周的切线方向产生拉应力。由于水泥基材料的粘弹性性质，收缩作用因徐变的产生而部分抵消，当经徐变后的残余收缩产生的主拉应力达到临界值时，试件开裂[9]。 模具由外环和内环组成，中间填料，成型后拆除外模，试件拆模后放入恒温恒湿室。 本实验圆环尺寸为：混凝土内径250 mm，外径300 mm，高150 mm，如图2 所示。

图2 圆环模具设计（单位：cm）

2 结果与讨论

2.1 膨胀剂对灌浆料变形性能的影响

利用膨胀组分在水化过程中产生的体积膨胀补偿水泥基材料的收缩是防止材料收缩开裂的有效措施之一。 CaO 类膨胀剂是近年来出现的一种新型膨胀剂[10]，其具有以下突出优点：膨胀速度快，膨胀效能大；湿度敏感性能优异，对水养护的依赖程度低，更适用于低水胶比水泥基材料。

选取3 组不同膨胀性能的膨胀剂，水中7 d 限制膨胀率如表1 所示。三组膨胀剂的水中7 d 限制膨胀率均超过0.025%，满足GB 23439—2017《混凝土膨胀剂》规定的I 型膨胀剂要求，1# 膨胀剂的水中7 d 限制膨胀率为0.03%，2#膨胀剂的水中7 d限制膨胀率为0.038%，3#膨胀剂的水中7 d 限制膨胀率为0.043%。

表1 限制膨胀率

图3 为三种膨胀剂掺量为10%时风机基础灌浆料的自收缩试验结果，由图3 可以看出，掺加膨胀剂后风机基础灌浆料的自收缩显著降低，并与膨胀剂的限制膨胀率具有较好的对应关系，膨胀剂的限制膨胀率越高，补偿收缩的效果越好，风机基础灌浆料的自收缩值越小，掺加10%的3# 膨胀剂的灌浆料自收缩值最小，28 d 时仅为159 με，较不掺加膨胀剂时的自收缩降低34.5%。

图3 自收缩

图4 干燥收缩

图4 为三种膨胀剂掺量为10%时风机基础灌浆料的干燥收缩试验结果，由图4 可以看出，掺加膨胀剂后风机基础灌浆料的干燥收缩值有不同程度的降低，但膨胀剂对灌浆料干燥收缩的补偿效果显著低于对灌浆料自收缩的补偿效果， 掺加2# 和3# 膨胀剂的灌浆料干燥收缩值最小，28 d 时为585 με， 较不掺加膨胀剂时的自收缩降低12.2%。可见干燥条件下灌浆料内部水分的流失对膨胀剂的水化反应具有削弱作用，进而影响灌浆料干燥收缩的补偿效率。

2.2 养护对灌浆料变形性能的影响

养护对水泥基材料性能的发展至关重要。 养护剂是一种具有成膜性和渗透性的有机物，可以在水泥基材料表面形成一层均匀连续的致密薄膜，抑制水泥基材料内部水分蒸发，降低其干燥收缩，提升其抗裂性能。 近年来随着科技的不断进步，有机-无机复合型养护剂诞生，其原理为有机组分粘附于水泥基材料表面形成连续薄膜阻水，无机组分渗透入水泥基材料内部毛细孔中同碱性物质反应形成胶体物质而阻塞毛细孔。

选取一种有机养护剂和一种有机-无机复合型养护剂，考察其对风机基础灌浆料干燥收缩的影响，实验结果见图5。 养护剂显著减小了风机基础灌浆料的干燥收缩，28 d 时采用有机型养护剂干燥收缩值为554 με， 减缩率为16.9%， 而采用有机—无机复合型养护剂干燥收缩值为476 με，减缩率为28.6%，减缩效果更优。

图5 干燥收缩

2.3 灌浆料开裂敏感性研究

试验采用圆环法对比了膨胀剂及膨胀剂+复合型养护剂对风机基础灌浆料开裂敏感性能的影响。表2 为开裂敏感性试验结果， 从表2 可以看出，掺加膨胀剂后灌浆料的开裂时间从2 d 延迟至4 d，裂缝宽度从0.025 mm 降低至0.016 mm， 裂缝宽度降低了36%；在掺加膨胀剂的基础上，采用复合型养护剂养护， 灌浆料的开裂时间从2 d 延迟至7 d，裂缝宽度从0.025 mm 降低至0.010 mm， 裂缝宽度降低了60%，灌浆料的抗裂性能大幅提升，开裂风险显著降低。

3 结论

（1）掺加膨胀剂后风机基础灌浆料的自收缩和干燥收缩显著降低， 膨胀剂的限制膨胀率越高，补偿收缩的效果越好，但膨胀剂对灌浆料干燥收缩的补偿效果显著低于对灌浆料自收缩的补偿效果。

表2 开裂敏感性试验结果

（2）采用有机—无机复合型养护剂干燥收缩减缩率为28.6%，减缩效果显著优于有机型养护剂。

（3）在掺加膨胀剂的基础上，采用复合型养护剂养护，灌浆料的开裂时间从2 d 延迟至7 d，裂缝宽度降低了60%，灌浆料的抗裂性能大幅提升。