风力发电机基础大体积混凝土裂缝产生的原因及预防控制措施

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangcongzhi
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  摘要:针对近年来风力发电的快速发展,风力发电单机容量不断增大,其基础混凝土结构也随之增大,即变成了大体积混凝土,由于受现场施工条件的制约,混凝土的保温抗裂必需采取相应措施,以确保风机基础的结构稳定和使用寿命。因此对风机基础混凝土施工中产生裂缝的原因进行分析,通过对施工配合比的优化、原材料进行优选、新材料的使用及施工工艺的改进并采取了相应的预防控制措施,对减少和避免风机基础大体积混凝土裂缝的产生有一定的参考意义。
  关键词:大体积混凝土裂缝产生原因预控措施
  1概述
  水泥水热化是大体积混凝土中主要的升温因素。大体积混凝土浇筑后温度迅速上升,是由于混凝土在硬化过程中水泥水化作用在最初几天产生大量的水化热。混凝土内部的最高温度大多发生在浇筑后的3~5天,水化热升温高达30~50℃。由于混凝土导热不良形成热量的累积从而引起混凝土温度升高和体积膨胀。大体积混凝土中心的水化热升温随墙(或板)厚增加而增加,在升温时混凝土强度比较低,部分弹性模量很小,因而升温时墙(或板)内累积的压应力数值不大。降温时其降温收缩与干燥收缩叠加在一起时,弹性模量很大,施工期间混凝土的最高温度冷却到稳定温度,往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。这种收缩引起的拉应力,往往导致处于约束条件下的混凝土产生裂缝,起初的细微裂缝会引起应力集中,裂缝可逐渐加宽加长,最终破坏混凝土的结构稳定和使用寿命。因此,如果不采取适当方法控制绝热温升和表里温差,不加强保温措施以减少内外温差或不改善约束条件以减少温度应力,势必导致结构出现温度裂缝,严重时可形成贯穿性裂缝。
  2 风机基础大体积混凝土产生裂缝的原因
  2.1配合比不合理引起混凝土产生裂缝的原因
  (1)用水量过大。混凝土拌和物用水量过大或施工时采用较大的坍落度,浇筑后混凝土硬化前易沉降与泌水,拌和物中骨料下沉并在粗骨料下方形成水囊,混凝土硬化后抗弯、压、拉强度明显下降,尤其是在浇筑大流动性的高强度钢筋混凝土时此现象更加突出。如某风电场风机基础施工做缺陷修补时发现骨料分层,上层是砂浆、中间小石集聚,下层中石集聚较多,在一些大骨料、钢筋的下方有很微小的缝隙。
  (2)水胶比过小及水泥用量过大。在相同用水量情况下,水胶比过小,混凝土拌合物体内自由水过少,拌合物较粘稠而不利于施工且不易振捣密实,同时,混凝土表面易出现塑性收缩开裂。混凝土中自由水量越少,同时,混凝土结构致密度增加导致由混凝土内部向外迁移用以补充表面蒸发散失的自由水量就越缺乏,从而使混凝土表面開裂越严重。
  (3)骨料级配及砂率影响。骨料最大粒径较大时,容易造成拌和物中骨料的离析,降低混凝土的均匀性,而且粗骨料与水泥石在界面粘连是混凝土的薄弱环节,在一定荷载作用下,界面裂缝首先在较大粒径骨料的界面产生,从而诱发混凝土的破坏。
  2.2原材料引起混凝土产生裂缝的原因
  (1)高热水泥的使用。近年来,各施工单位在做配合比时不注意大体积混凝土的因素,直接做配合比设计,结果使用了高水化热水泥,并在使用该类水泥拌制混凝土时用水量较大,水化反应过快,从而造成混凝土早期水化热过高,温升过快,早期强度过高,弹性模量增加,同时自生变形、干缩变形、温度变形的速度、程度也大为提高,叠加产生的拉应力超过抗拉强度,最终导致混凝土产生温度裂缝。
  (2)骨料自身的缺陷。由于近年来建筑业的大发展及施工现场料源条件限制,大部分混凝土使用的都是由施工现场开采的岩石加工的人工骨料,有的骨料是具有潜在危害性反应的活性骨料,有的骨料强度过高,对水泥石的膨胀和收缩产生比较强的抑制作用,有些岩石加工的骨料粒形不好,针片状骨料含量高,而且表面岩粉较多,骨料吸水率较大,有些岩石加工的细骨料岩粉含量高,细度模数偏小。
  (3)新型高效缓凝减水剂的使用。混凝土大流动性和泵送混凝土施工是在使用新型高效缓凝减水剂的前提下实现的,此类混凝土的用水量少、水灰比小,因此,当混凝土表面水分蒸发速率大于泌水速率时,会发生局部的塑性收缩开裂。近几年使用的968NS高效缓凝减水剂有更高的减水率,掺量1%-1.5%,减水率可达20%以上,存在造成混凝土更大的早期收缩开裂倾向。
  2.3施工过程控制不当引起混凝土产生裂缝的原因
  (1)混凝土自身的影响。配合比中各种材料称量精度低、拌合时间过短而使混凝土拌和物不均匀,运输时间过长及运输过程中发生漏浆、失水、过多温升、含气量减少、坍落度损失等均会使拌和物的温度、含气量、坍落度不能满足设计要求,出现拌和物流动性差或离析和泌水现象而使易性变差,造成已浇筑混凝土密实度及强度、各种变形产生的拉应力不均匀,裂缝总是从密实度小、强度低及所受拉应力大的薄弱处形成,根据工程调查,裂缝的出现与混凝土的不均匀存在重要关系,不均匀系数值越大,裂缝就越多。
  (2)混凝土浇筑过程的施工工艺控制不当。混凝土入仓手段不当造成骨料分离、平仓振捣不均匀(漏振、过振、欠振)或入仓时混凝土拌和物已初凝及高温、低温季节仓面保温、保湿措施不当都会造成混凝土的开裂。
  (3)混凝土浇筑后的养护及表面保护。混凝土浇筑完成时没有及时覆盖进行隔热保湿、保温或低温、气温骤降及气温日变幅较大、雨季、有风季节养护及表面保护不及时、不到位及混凝土处于干湿、冷然(热)交替的环境中都易导致混凝土的开裂。
  3风机基础大体积混凝土产生裂缝的主要预防措施
  3.1根据工程特点及现场骨料的情况优化设计
  (1)利用混凝土的后期强度。风机基础大体积混凝土一般从浇筑混凝土到开始承受荷载时间较长,如把强度设计龄期由28天改为60天或90天,从而使配合比有了更大的优化空间,可进一步改善混凝土抗裂性能,特别是对钢筋较密的高标号泵送混凝土,水泥用量多,一般温控很难过关,若强度设计龄期延长,可减少水泥用量,以便降低混凝土的绝热温升,对温控十分有利,同时减少温度裂缝的发生。
  (2)出机口拌和物的性能。在施工条件允许的情况下,尽量减小混凝土拌和物出机口的坍落度,在保持水灰比不变的情况下减小用水量及水泥用量,控制混凝土中的总碱量;对混凝土的含气量提出适当要求,减少混凝土脆性,增加韧性;对出机口温度提出严格的要求,降低水化温峰、抑制温度裂缝的发生。
  (3)强化混凝土的各项性能。对于体积大和抗裂要求较高的混凝土,要求对强度等级、弹性模量、极限拉伸、自生体积变形、抗冻等级等提出设计要求,以提高混凝土的综合抗裂能力。
  (4)钢筋。在结构设计时,对于表层抗裂钢筋应进行充分考虑。
  (5)施工工艺。对于体积大和抗裂要求较高的混凝土,要对浇筑分层厚度、间隙时间、降温梯度等提出设计要求。
  3.2根据工程特点及技术要求优选原材料并采用新材料
  (1)水泥。对水泥的比表面积提出上限要求,对水泥的碱含量、强度波动范围、水化热、矿物成分、水泥到工地的温度提出严格的技术要求。对于风机基础大体积混凝土,要严格采用中低热水泥,水泥的水化热控制按3天不大于240KJ/KG,7天不大于270KJ/KG,对中热水泥中的C3A(铝酸三钙)提出上限限制要求,因该成分发热量大,特别是在早期,需水量大,干缩大,体积稳定性差,对混凝土的抗裂十分不利;对中热水泥中的C4AF(铁铝酸四钙)成分提出下限限制要求,因该成分对混凝土的抗折强度和抗冲磨性能有利并可增加水泥韧性,有利于混凝土的抗裂。
  (2)粉煤灰、矿粉及外加剂。对粉煤灰和矿粉的等级、碱含量、氧化钙含量等提出要求;对减水剂减水率、泌水率、含气量、凝结时间、总碱量等提出要求。配制高强度等级的大体积混凝土宜优先选用低收缩的聚羟酸盐等高效缓凝减水剂。
  (3)骨料。混凝土的强度是由水泥石的强度、水泥石与骨料的界面粘结强度和骨料强度所决定的。在同等条件下,一般碎石混凝土比卵石混凝土的强度高,但选择碎石骨料的强度不易太高(要求为混凝土设计强度的2.5倍),要改进砂石生产系统的工艺,使生产的粗骨料粒形方正,级配合理,粗骨料宜选用5-31.5mm连续级配,含泥量不大于1%,中径筛筛余满足要求。砂的细度模数应大于2.3,含泥量不大于3%,严控砂的含水率,施工现场对砂子含水率的控制是影响混凝土质量的重要一环,含水率稳定是关键,应努力控制砂子中的含水率≤6%。
  (4)微膨胀水泥。对于风机基础大体积混凝土使用微膨胀水泥(水泥生产过程中内掺或外掺氧化镁等),赋予其适度的膨胀,钢筋约束膨胀产生压应力,主要用于补偿干缩与冷缩。
  3.3根据工程特点及技术要求优化施工配合比
  (1)提高混凝土中粉煤灰和矿粉的掺量。很多国家标准或规程都将粉煤灰掺量40%作为上限,矿粉掺量50%作为上限,粉煤灰和矿粉的总掺量不宜超过混凝土胶凝材料的50%。如广东某风电场的风机基础混凝土所用Ⅱ级粉煤灰的掺量已达32%,矿粉掺量达到25%。粉煤灰和礦粉掺量是影响混凝土早期收缩变形的一个重要因素,大掺量粉煤灰和矿粉的混凝土早期收缩较小且具有良好的抗裂性。由于混凝土的收缩主要受水胶比或水量的影响,加入粉煤灰后,优质粉煤灰由于其“滚珠轴承”的作用,可以改善混凝土拌和物的和易性并减少混凝土单位体积用水量,抑制混凝土的收缩,其收缩因粉煤灰含量的增加而减小。
  (2)采用适当的水胶比和较低的用水量。在满足施工要求的前提下,宜选用较小的用水量和较小的坍落度,在水胶比不变时,较小的用水量使得水泥用量也较小。在满足强度、耐久性及其它要求的前提下,应选用合适的水胶比,配置高标号大体积混凝土的水胶比应小于0.55,宜优先选用低收缩的聚羧酸盐等高效缓凝减水剂来减少混凝土的用水量。
  3.4 混凝土施工工艺及施工过程中的质量控制
  (1)用微膨胀剂补偿混凝土收缩。补偿收缩混凝土拌合物粘稠,无离析和泌水现象,宜于泵送施工。微膨胀剂在水泥水化过程中需要较多的水分,膨胀剂只有与水泥均匀混合,通过充分水化才能实现要求达到的膨胀率。在补偿收缩混凝土浇筑后,立即开始保湿养护,养护时间不少于14小时,以充分供应膨胀过程中需要的水分,否则,混凝土中的水分将很快蒸发,水泥不能充分水化,微膨胀剂的作用也就不能充分发挥,微膨胀剂中未反应的成分在混凝土使用期间,在合适的条件下会产生二次钙巩石而造成破坏。
  (2)施工过程中的质量控制
   ①施工过程中,严格按照混凝土施工配合比搅拌混凝土,确保混凝土的合易性。要严格控制混凝土的单位用水量;泵送混凝土在满足泵送和浇筑要求时,宜尽可能减少坍落度,掺加适量、质量良好的泵送剂和掺合料;混凝土搅拌时间要适当,保证拌和物的均匀性。
  ② 混凝土浇筑时,下料不宜过快,防止堆积或振捣不充分;严格按照操作规程进行混凝土振捣,必要时,可以在混凝土浇筑1-1.5小时后、混凝土尚未凝结之前对混凝土进行二次振捣,表面要压实抹光,对低水胶比的高强与高性能混凝土浇筑2小时后再次抹面可以很好的改善其抗裂性能。
  (3)混凝土的养护措施
  防止风机基础大体积混凝土裂缝的产生,要加强对混凝土的养护和表面保护。为了保证水泥的水化过程能正常进行,获得质量良好的混凝土,混凝土在成型后必须在适宜的温、湿环境中进行养护,早期养护的温、湿度适宜对混凝土强度的发展、抑制混凝土收缩非常有利。
  4结语
  引起风机基础大体积混凝土产生裂缝的因素较多,原因较复杂,往往是多种原因综合产生叠加效应导致混凝土结构物产生裂缝,因此,在风机基础大体积混凝土施工过程中,应从结构物设计、原材料、配合比、施工过程全方位、全过程的采取防裂措施,以确保风机基础的使用寿命和结构安全稳定。
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