CN104003681B - 一种海上风电导管架灌浆材料及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海上风电导管架灌浆材料，包括干料和水，所述干料按质量百分比计，包括如下组分：硅酸盐水泥：25.0-40.0%；硫铝酸盐水泥：1.0-5.0%；石英砂：45.0-55.0%；外加剂：5.0-15.0%；所述水的加入量为适量。本发明还进一步提供该海上风电导管架灌浆材料的施工方法。本发明提供一种海上风电导管架灌浆材料及其施工方法，该材料具有大流动性、可泵送性好、超早强、超高强、高耐久性、良好的抗水分散性能、无收缩和高抗疲劳等特点，可以采用泵送压浆的施工方式通过橡胶管线进行输送，适用于水下灌浆，适用于海上风电导管架与钢管桩基础之间灌浆连接。
Description
技术领域
本发明属于水泥基材料技术领域，涉及一种超高性能水泥基灌浆材料的配制及其施工方法，具体涉及一种海上风电导管架灌浆材料及其施工方法。
背景技术
海上风能作为一种清洁能源，具有广阔的应用前景。发达国家从上世纪90年代开始发展海上风电，目前海上风电场的建设运行已进入规模化发展阶段。海上风电场建设复杂，技术要求高，施工难度大，目前我国还处于起步和探索阶段，尚处于产业发展初期。目前，海上风场的基础结构主要重力式、单桩式、吸力式、三桩(多桩)导管架式和浮体式等。根据国外发展海上风电项目的成熟经验，导管架基础结构形式具有结构简单、施工速度快和成本低等技术优势，在海上风电场建设中被广泛采用。迄今我国在海上风电导管架结构的设计、施工均无成熟经验，其中尚有一系列的关键技术需要解决，其中风机与桩基础的灌浆材料及其连接技术是其中的关键技术问题之一。
灌浆连接是海上风机支撑结构与桩基础连接的典型方法。根据DNV-OS-J101《DesignofOffshoreWindTurbineStructures》的定义：灌浆连接是由两个同心管状部分组成的结构连接件，外部和内部管之间的环形区域被填充灌浆。在海上风电项目中，导管架灌浆连接通常采用泵送压浆的方式将灌浆料灌注到海平面以下的连接段。在风机使用和安装过程中，灌浆连接承受由风或海浪的振动和动叶片的转动引起的数以百万计的动荷载。除此之外，作用在风机结构的轴向荷载、振动、旋转、弯矩、扭矩需要通过把塔架连接到基础结构的灌浆来传递和吸收。
在灌浆施工中，要求在海上恶劣施工条件下较短时间内完成水下灌浆，对材料的工作性、可泵送性和早期强度提出较为苛刻的技术要求。在实际使用过程中，硬化灌浆材料承受压力、拉力的交变荷载，对灌浆料力学性能和抗疲劳性能要求极高，并且填充在导管架腿柱与钢管桩之间的环形空间的灌浆料不能收缩，否则影响灌浆连接效果。风机灌浆材料长期工作在海洋环境，氯盐、硫酸盐、镁盐等对材料危害较大的腐蚀介质比较多，对灌浆材料的抗渗透和耐腐蚀性也有较高要求。综上所述，就灌浆材料本身的安全性、可靠性和耐久性而言，极具挑战性的导管架灌浆连接对灌浆材料极为苛刻的技术要求主要体现在：高流动性、高早强、高抗压和抗拉强度、高抗渗、无收缩和高抗疲劳性等综合性能。
目前，在导管架灌浆材料方面，国外少数公司有风电灌浆材料产品和海上风电导管架灌浆施工经验。国内现有灌浆料产品的技术性能指标与风电灌浆连接对材料的技术需求存在较大的差距。与风电灌浆苛刻的技术要求相比，目前国内灌浆的高端产品一般能解决针对单一指标的特殊需求，如高铁专用支座砂浆主要解决高流动性和高小时强度，住宅产业化项目中用于预制构件节点连接灌浆料需要大流动性、高填充性和高强度，预应力结构中孔道灌浆料主要解决孔道压浆的问题。但国内目前还没有可以满足风电导管架灌浆连接需求的特种灌浆材料。本发明针对海上风电导管架灌浆连接技术需求特点，研发兼顾大流动性、高早强、超高强、微膨胀和高抗疲劳等技术特点的灌浆料，具有抗水分散特性和较长可工作时间，满足水下灌浆特殊需求。不仅在技术指标上超出常规灌浆料产品，而且具备水下灌浆和适合泵送施工的特点，材料技术指标性能超出国内现有灌浆料产品，接近进口灌浆产品，有望填补国内空白，对于推动我国海上风电建设具有重要意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种海上风电导管架灌浆材料及其施工方法，用于解决现有技术中缺乏具有大流动性、可泵送性好、高抗压和抗拉强度、超早强、高抗渗、高耐久性和高抗疲劳等技术特点的海上风电导管架灌浆料的问题，以克服普通灌浆料技术的不足，解决海上风电导管架与钢管桩之间灌浆连接的问题，弥补目前国产灌浆料在这一特殊领域的空白。
为实现上述目的，本发明提供一种海上风电导管架灌浆材料，包括干料和水，所述干料按质量百分比计，包括如下组分：
硅酸盐水泥：25.0-40.0％；
硫铝酸盐水泥：1.0-5.0％；
石英砂：45.0-55.0％；
外加剂：5.0-15.0％；
所述水的加入量为适量。
较佳的，一种海上风电导管架灌浆材料，包括干料和水，所述干料按质量百分比计，包括如下组分：
硅酸盐水泥：25.0-40.0％；
硫铝酸盐水泥：1.0-5.0％；
石英砂：45.0-55.0％；
外加剂：5.0-15.0％；
所述干料与水的质量比为：1：0.078-0.082。
优选的，所述硅酸盐水泥选自P.O52.5硅酸盐水泥。具体的，所述P.O52.5硅酸盐水泥是指性能达到标准GB175-2007《通用硅酸盐水泥》要求的强度等级为52.5的硅酸盐水泥。
优选的，所述硫铝酸盐水泥选自52.5级硫铝酸盐水泥。具体的，所述52.5级硫铝酸盐水泥是指性能达到标准GB20472-2006《硫铝酸盐水泥》要求的强度等级为52.5级硫铝酸盐水泥。
优选的，所述石英砂为由多种不同细度的石英砂复配而成的连续级配石英砂。具体的，所述石英砂性能指标达到标准GBT14684-2011《建设用砂》和JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求。
更优的，所述石英砂由细度为10-20目、20-40目、40-80目和80-120目的四种石英砂组成，所述各组分质量百分比为：
10-20目石英砂：10.0-20.0％；
20-40目石英砂：25.0-35.0％；
40-80目石英砂：30.0-45.0％；
80-120目石英砂：20.0-35.0％。
更优的，所述连续级配石英砂的细度模数为2.8-3.5。
所述使用多种不同细度石英砂的原理为：由于风电灌浆对材料的粘聚性和抗离析、泌水性要求较高，因此骨料的级配要非常合理，石英砂骨料大小颗粒混合而成级配连续，降低灌浆料分层离析的几率，提高灌浆料流动性。
优选的，所述水为自来水。
优选的，所述外加剂，包括复合矿物超细粉、减水剂、聚合物、复合膨胀剂、消泡剂、早强剂、缓凝剂。
具体的，所述外加剂，以质量百分比计，包括如下组分：
复合矿物超细粉：60.0～85.0％；
减水剂：2.0～5.0％；
聚合物：1.0～4.0％；
复合膨胀剂：8.0～25.0％；
消泡剂：1.0～3.0％；
早强剂：1.5～5.0％；
缓凝剂：0.10～0.20％。
更优的，所述复合矿物超细粉包括硅粉、超细粉煤灰和超细矿渣粉。
具体的，所述复合矿物超细粉以质量百分比计，包括如下组分：
硅粉：30.0～45.0％；
超细粉煤灰：40.0～50.0％；
超细矿渣粉：5.0-25.0％；
最优的，所述复合矿物超细粉为比表面积700-3000m2/kg的复合矿物超细粉。
具体的，所述硅粉是指性能达到标准GB/T18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》要求的硅粉。所述硅粉的细度为15000-20000m2/kg。
具体的，所述超细粉煤灰是指性能达到标准GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求的Ⅰ级粉煤灰。所述超细粉煤灰的细度为625m2/kg。
具体的，所述超细矿渣粉是指性能达到标准GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》要求的S105矿渣粉。所述超细矿渣粉的细度为780m2/kg。
更优的，所述减水剂选自粉体聚羧酸系高性能减水剂。具体的，所述粉体聚羧酸系高性能减水剂的性能要达到标准GB8076-2008《混凝土外加剂》的要求。
更优的，所述聚合物为醋酸乙烯－乙烯共聚物。具体的，所述醋酸乙烯－乙烯共聚物为陶氏化学公司公产的DLP212可再分散聚合物乳胶粉。
更优的，所述复合膨胀剂为同时具有早期膨胀和硬化后膨胀的复合膨胀剂，由塑性膨胀剂和硬化膨胀剂复配而成。具体的，所述复合膨胀剂是指性能指标达到标准GB23439-2009《混凝土膨胀剂》的要求的复合膨胀剂。
更优的，所述消泡剂为粉末状高效消泡剂。
更优的，所述早强剂为适用于硅酸盐水泥的速凝早强剂。
更优的，所述缓凝剂为柠檬酸三钠。
具体的，所述消泡剂、早强剂、缓凝剂的性能指标要达到标准GB8076-2008《混凝土外加剂》的要求。
本发明进一步提供一种海上风电导管架灌浆材料的施工方法，包括如下步骤：
1)灌浆材料的制备：先将灌浆干料预先混合、封装后加入拌合水充分搅拌；
较佳的，所述灌浆干料预先混合采用二次搅拌工艺。具体的，所述二次搅拌工艺分两次进行。第一次搅拌是指先将各种石英砂混合、将各种外加剂混合搅拌；第二次搅拌是指将石英砂、外加剂与硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥混合搅拌。所述二次搅拌工艺能够确保微量组分均化和灌浆料质量稳定。
较佳的，所述干料混合时间为15-20分钟。
较佳的，所述干料加入拌合水充分搅拌时间为300-500秒。
2)灌浆材料的施工：再将搅拌好的灌浆材料进行水下灌浆施工，利用灌浆泵将灌浆料通过预制灌浆管灌入钢管桩与钢套筒之间环形空间，并从下向上顶推灌注、填满环形空间。
较佳的，所述环形空间的底部密封。具体的，所述环形空间底部采用橡胶片、钢板通过螺栓连接或焊接等方式固定和封闭。所述环形空间的封闭底部确保灌浆时浆料不泄露。
较佳的，所述环形空间靠近底部侧面设有灌浆口，所述灌浆口与预制灌浆管连接。
较佳的，所述预制灌浆管为钢管，预制灌浆管上端露出水面并与灌浆泵的橡胶管线连接。所述顶推灌注的原理为：灌浆材料在压力作用下沿预制灌浆管从灌浆口灌入，在环形空间内从下向上顶推灌注，填满环形空间。
较佳的，所述环形空间中钢管桩与钢套筒表面设有剪切键。所述剪切键的原理为：增大灌浆料与钢表面之间的剪切粘结强度。
较佳的，所述灌浆材料在施工现场采用专业设备进行制备并进行施工。具体的，所述专业设备为由两台搅拌机、一个灌浆泵组成的海上风电导管架灌浆作业装置，同时采用另外一台灌浆泵作为备用，确保灌浆施工过程的连续性，一个环形空间的灌浆需一次性完成，灌浆过程不得中断。
本发明通过系统研究了海上风电导管架灌浆材料的试验方法、配制技术、工作性、力学性能、耐久性能、体积稳定性以及工程应用试验等方面，提供了一种可满足海上风电导管架基础灌浆连接的风电灌浆材料及其施工方法。本发明提供的海上风电导管架灌浆材料，经过工作性、力学性能、耐久性和体积稳定性等试验，其材料各项指标均可满足海上风电导管架灌浆的指标要求，具有以下技术效果。
(1)低用水量：1吨灌浆干料用水量仅为78kg～82kg，水固比仅为0.078～0.082：1。
(2)良好的可工作性：大流动性、可泵送性好，灌浆材料初始流动度≥290mm、0.5小时流动度≥260mm、1小时流动度≥230mm，具有2-4h可工作时间，灌浆材料的含气量小于2.5％。
(3)优异的力学性能：灌浆材料1天抗压强度≥50MPa、3天抗压强度≥85MPa、7天抗压强度≥100MPa、28天抗压强度≥120MPa，长期抗压强度(≥56天)≥130MPa。
(4)优异的耐久性：该灌浆材料还具有优异的抗氯盐腐蚀耐久性、抗冻性和良好的热学性能，灌浆材料的抗氯离子渗透性等级为Q-Ⅴ、RCM-Ⅴ，28天硬化浆体电通量小于500C，28天氯离子扩散系数小于0.5×10-12m2/s；28天硬化浆体抗冻等级≥F800。
(5)良好的微膨胀特性：竖向膨胀率指标满足GB/T50448-2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》的要求，其3h竖向膨胀率0.1-0.8％之间，24h竖向膨胀率0.02-1.0％之间，3h与24h竖向膨胀率之差为0.02％～0.5％，28d竖向膨胀率0.01-0.1％之间，可确保灌浆连接环形灌浆体与钢管和套筒之间的有效连接。
附图说明
图1显示为本发明的海上风电导管架灌浆连接示意图
图2显示为本发明的海上风电导管架灌浆材料制备工艺流程图
图3显示为本发明的海上风电导管架灌浆材料中采用三种不同矿物掺合料的密实填充效果示意图
图4显示为本发明的海上风电导管架灌浆材料中采用两种不同复合复合矿物超细粉的激光粒度分布示意图
图5显示为本发明的海上风电导管架灌浆材料在不同温度条件下0-90天抗压强度发展曲线示意图
图6显示为本发明的海上风电导管架灌浆材料在不同温度条件下0-72小时抗压强度发展曲线示意图
图7显示为本发明的海上风电导管架灌浆材料与钢管之间的粘结强度试验示意图
图8显示为本发明的海上风电导管架灌浆材料疲劳试验结果示意图，其中，Smax为疲劳试验的应力比，logN 10表示疲劳试验次数N的对数，1#、2#、3#表示本发明中三种不同配方灌浆料的疲劳试验点
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
以下实施例中使用的设备如下：
THZ750盘式搅拌机(江苏太仓泰卡机械有限公司)；HBTS40-12-55细石混凝土输送灌浆泵(徐州赛通重工机械有限公司)
实施例1灌浆材料中组分原料的选取
1、水泥
1.1水泥1：采用宁波海螺水泥股份有限公司生产的52.5级普通硅酸盐水泥。
水泥1的性能指标要达到了标准GB175-2007《通用硅酸盐水泥》规定的强度等级为52.5的普通硅酸盐水泥的质量要求。对水泥1的胶砂强度、安定性、细度、凝结时间等性能指标进行了试验，其性能指标测试结果如表1所示。由表1可知，材料安定性合格。此外，测定水泥的密度为3.15g/cm3。
1.2水泥2：采用唐山六九水泥有限公司生产的52.5级硫铝酸盐水泥。
水泥2的性能指标要达到标准GB20472-2006《硫铝酸盐水泥》规定的强度等级为52.5级硫铝酸盐水泥的质量要求。对水泥2的胶砂强度、安定性、细度、凝结时间等性能指标进行了试验，其性能指标测试结果如表1所示。由表1可知，材料安定性合格。此外，测定水泥的密度为3.10g/cm3。
表1水泥的物理力学性能指标测试结果
2、石英砂：采用上海中油企发粉体材料有限公司生产的石英砂。
石英砂要符合标准GBT14684-2011《建设用砂》和JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的质量要求。具体的，采用4种不同细度的石英砂复配成连续级配石英砂骨料。其中，石英砂由细度为10-20目、20-40目、40-80目和80-120目石英砂组成，按重量百分比计，10-20目石英砂为10.0-20.0％；20-40目石英砂为25.0-35.0％；40-80目石英砂为30.0-45.0％；80-120目石英砂为20.0-35.0％。石英砂细度模数为2.8-3.5，级配良好。石英砂中粒径小于0.16mm的石粉含量为1.4％。
3、外加剂
3.1复合矿物超细粉
本发明采用的复合矿物超细粉由硅粉、超细粉煤灰和超细矿渣粉组成。复合矿物超细粉能改善灌浆料浆体粘性，利于充分包裹石英砂骨料颗粒，使骨料悬浮于粉体浆体中，形成灌浆料优越的大流动性能。复合矿超细物粉体在灌浆料中充分发挥“微集料密实填充”效应和“复合胶凝效应”，改善水泥水化产物微观结构，提高灌浆料的工作性、力学性能和耐久性能。
3.1.1硅粉：采用上海天恺硅粉材料有限公司生产的天恺微硅粉。
本发明中采用的硅粉性能指标要达到标准GB/T18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》的要求。硅粉的主要性能指标为：SiO2含量为88-97％，平均粒径为0.15-0.20μm，比表面积为15000-20000m2/kg。其化学组成见表2。
表2硅粉的化学组成
| SiO2(％) | Al2O3(％) | Fe2O3(％) | CaO(％) | MgO(％) | SO3(％) | Loss(％) |
| 90.10 | 1.37 | 1.32 | 0.42 | 1.51 | 0.56 | 2.40 |
3.1.2超细粉煤灰：采用镇江谏壁发电厂生产的苏源牌Ⅰ级粉煤灰。
超细粉煤灰要达到了标准GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的质量要求。对比表面积、细度、需水量比、含水量、烧失量等性能指标进行测试，结果如表3所示。由表3可知，材料安定性合格。此外，测定该超细粉煤灰的密度为2.23g/cm3，细度为625m2/kg。
表3超细粉煤灰的技术指标测试结果
3.1.3超细矿渣粉：采用宝山钢铁有限公司宝田S105矿渣粉。
超细矿渣粉要达到了标准GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的质量要求。对流动度比、比表面积、含水量、烧失量、三氧化硫、需水量比、活性指数等性能指标进行测试，结果如表4所示。此外，测定超细矿渣粉的密度为2.79g/cm3，细度为780m2/kg。
表4超细矿渣粉的技术指标测试结果
3.2减水剂：苏州弗克新型建材有限公司生产的FOXTalon-102聚羧酸系高性能减水剂。
减水剂的性能指标要达到标准GB8076-2008《混凝土外加剂》的质量要求，结果如4所示。
表5FOXTalon-102聚羧酸系高性能减水剂性能指标
3.3聚合物：采用陶氏化学公司公产的DLP212可再分散聚合物乳胶粉。
醋酸乙烯－乙烯共聚物可改善产品的工作性能和其他重要的机械性能如拉伸强度、抗折强度以及耐磨性能，其中，DLP212可分散乳胶粉在很光滑的表面也有优异的粘结强度，并可增强韧性，具有优异的抗冲击性能，并可减少裂纹的生成。其具体性能指标见表6。
表6DLP212可再分散聚合物乳胶粉指标参数
| 聚合物类型 | 醋酸乙烯－乙烯共聚物 |
| 外观 | 白色，自由流动粉末 |
| 水分 | 小于2％ |
| 容积密度 | 0.400-0.550克/毫升 |
| 灰分 | 10-14％ |
3.4复合膨胀剂：采用北京新中岩建材科技有限公司生产的ZYG-S2高性能无收缩灌浆料专用复合膨胀剂。
复合膨胀剂为同时具有早期膨胀和硬化后膨胀的复合膨胀剂，由塑性膨胀剂和硬化膨胀剂复配而成。本发明采用的复合膨胀剂的性能指标达到标准GB23439-2009《混凝土膨胀剂》的质量要求。复合膨胀剂的具体性能指标见表7。
表7ZYG-S2型膨胀剂的性能指标
3.5化学添加剂
3.5.1消泡剂：采用北京荣信泰科技有限公司生产的PD-201粉末消泡剂。
消泡剂的性能指标要达到标准GB8076-2008《混凝土外加剂》的质量要求。本发明中使用的消泡剂用于水泥及混凝土制品，能够有效的对水泥基浆体中微泡进行脱泡和抑泡，同时具有极佳的持久性和剪切稳定性。该消泡剂的具体性能指标见表8。
表8PD-201粉末消泡剂指标参数
| 颜色/外观 | 白色粉末 |
| 堆积密度，g/l | 300-400 |
| PH值(1％水溶液) | 7.0-9.0 |
| 水溶性 | 水中易分散 |
3.5.2早强剂：采用深圳诚功建材有限公司生产的PCS-2型速凝早强剂。
早强剂的性能指标要达到标准JCT477-2005《喷射混凝土用速凝剂》和GB8076-2008《混凝土外加剂》质量要求。本发明中使用的早强剂能促使硅酸盐系列水泥及混凝土快速凝结、硬化、早强的专用外加剂，能有效改善硅酸盐水泥性能。PCS-2型速凝早强剂的具体性能指标见表9。
表9PCS-2型速凝早强剂指标参数
3.5.3缓凝剂：采用上海之臻化工有限公司生产的(分析纯)柠檬酸三钠。
缓凝剂的性能指标要达到标准GB8076-2008《混凝土外加剂》的质量要求。本发明中使用的缓凝剂为柠檬酸三钠。柠檬酸三钠(SodiumCitrate)的分子式：Na3C6H5O7·2H2O。分子量：294.10。
4、水
水为自来水。
实施例2灌浆材料的复合矿物超细粉密实填充试验
本发明采用复合矿物超细粉由硅粉、超细粉煤灰、超细矿渣粉组成。为探讨复合矿物超细粉对水泥的密实填充效应，将不同复合矿物超细粉按照设计比例混合，分别设计纯水泥、掺复合矿物超细粉的复合胶凝材料和掺复合矿物超细粉的复合胶凝材料2三种胶凝材料(见表10)。表11是三种不同胶凝材料灌浆料用水量与工作性对比，表12是三种不同胶凝材料灌浆料力学性能与耐久性对比。流动度试验按照《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T50448-2008)进行；抗压强度测试参考《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270-1998)采用100mm×100mm×100mm立方体试块，测试结果不乘折合系数；灌浆料电通量、氯离子扩散系数和抗冻试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)。
表10纯水泥与两种掺复合矿物超细粉的复合胶凝材料组成
| 编号 | 胶凝材料 | 水泥(％) | 硅粉(％) | 超细粉煤灰(％) | 超细矿渣粉(％) |
| J-0 | 纯水泥 | 100 | / | / | / |
| J-1 | 复合胶凝材料1 | 70 | 10 | 15 | 5 |
| J-2 | 复合胶凝材料2 | 75 | 10 | 15 | / |
表11三种不同胶凝材料灌浆料用水量与工作性对比
表12三种不同胶凝材料灌浆料力学性能与耐久性对比
由表11可知，为使灌浆料达到初始流动度大于290mm、半小时流动度大于260mm、1小时流动度大于230mm的工作性，编号J-0采用纯水泥胶凝材料配制灌浆料的需水量9.5％，而采用掺复合矿物超细粉的复合胶凝材料1和复合胶凝材料1的J-1和J-2灌浆料用水量分别为8.2％和7.5％。并且J-1和J-2含气量降低、表观密度增加、灌浆料拌合物和易性更好更加利于泵送施工。可见掺复合矿物超细粉大大改善灌浆料的工作性。
根据表12试验结果，编号J-0采用纯水泥胶凝材料配制灌浆料早期强度高、后期强度低，而采用掺复合矿物超细粉的复合胶凝材料1和复合胶凝材料1配制J-1和J-2灌浆料早期强度下降，后期强度大大提高。从耐久性指标看，采用掺复合矿物超细粉的复合胶凝材料1和复合胶凝材料1配制J-1和J-2灌浆料电通量和扩散系数测试结果较采用纯水泥配制J-0灌浆料更小，耐久性指标更优。
由于硅粉、超细粉煤灰、超细矿渣粉三种矿物超细粉粒径比水泥低一个数量级。根据粉体材料的紧密堆积理论，在水泥体系中掺入复合矿物超细粉材料，可以减小孔径，降低孔隙率，还可以大幅度地提高水泥石的强度。由图3可知，三种矿物超细粉单独掺加到水泥中，在掺量20％～30％可以使体系孔隙率由纯水泥的40％降低到15.0％～20.0％，复合矿物超细粉的密实填充效果明显。根据图4中三种不同胶凝材料颗粒体系的粒度曲线可以看出，掺复合矿物超细粉的复合胶凝材料1和复合胶凝材料2在0.1μm～5μm范围内的颗粒含量大大增加。掺复合矿物超细粉的复合胶凝材料微级配比纯水泥有一定改善，微级配更趋于合理，减小硬化灌浆料孔隙率，密实硬化浆体界面结构，增大新拌浆体密实度，提高硬化后浆体强度。优化颗粒体系充分发挥不同粒径颗粒的形态效应和微集料效应，起到减少用水量、降低水泥用量、提高密实性、减少泌水和改善孔结构的作用，对改善灌浆料性能有重要意义。
由此可见，根据上述试验结果，采用掺矿物复合矿物超细粉的复合胶凝材料配制灌浆料使用水量降低、工作性提高、可泵性改善、早期强度下降、后期强度提高、耐久性指标改善，灌浆料的综合性能大大改善。
实施例3灌浆材料1的制备
制备一种超高性能海上风电导管架灌浆材料1，该灌浆干料的组成及质量百分比为：硅酸盐水泥25.0％，硫铝酸盐水泥5.0％，外加剂15.0％，石英砂55.0％。石英砂细度模数为3.4，组成为：10-20目石英砂18.0％、20-40目石英砂27.0％、40-80目石英砂32.0％、80-120目石英砂23.0％。外加剂组成为：复合矿物超细粉84.52％(包含超细粉煤灰50.0％、硅粉30.0％、超细矿渣粉20.0％)、减水剂2.00％、聚合物1.50％、复合膨胀剂8.50％、消泡剂1.80％、早强剂1.50％、缓凝剂0.18％。
如图1-2所示，将灌浆干料预先混合、封装后在施工现场直接加入拌合水充分搅拌后，利用灌浆泵将灌浆料沿橡胶灌浆管线压入到钢管桩与钢套筒之间的环形空间，从下向上顶推灌注，进行水下灌浆施工。其中，拌合水为干料重量的7.80％。并根据GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50448-2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》和规程JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》，测定灌浆材料的性能指标，如凝结时间和抗压强度等，具体数据见表13～15。
实施例4灌浆材料2的制备
制备一种超高性能海上风电导管架灌浆材料2，该灌浆干料的组成及质量百分比为：硅酸盐水泥32.0％，硫铝酸盐水泥3.0％，外加剂10.0％，石英砂55.0％。石英砂细度模数为3.2，组成为：10-20目石英砂15.0％、20-40目石英砂23.0％、40-80目石英砂35.0％、80-120目石英砂27.0％。外加剂组成为：复合矿物超细粉77.17％(包含超细粉煤灰40.0％、硅粉35.0％、超细矿渣粉25.0％)、减水剂3.00％、聚合物2.50％、复合膨胀剂12.50％、消泡剂2.40％、早强剂2.25％、缓凝剂0.18％。
如图1-2所示，将灌浆干料预先混合、封装后在施工现场直接加入拌合水充分搅拌后，利用灌浆泵将灌浆料沿橡胶灌浆管线压入到钢管桩与钢套筒之间的环形空间，从下向上顶推灌注，进行水下灌浆施工。其中，拌合水为干料重量的8.10％。并根据GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50448-2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》和规程JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》，测定灌浆材料的性能指标，如凝结时间和抗压强度等，具体数据见表13～15。
实施例5灌浆材料3的制备
制备一种超高性能海上风电导管架灌浆材料3，该灌浆干料的组成及质量百分比为：硅酸盐水泥39.0％，硫铝酸盐水泥1.0％，外加剂5.0％，石英砂55.0％。石英砂细度模数为3.0，组成为：10-20目石英砂13.0％、20-40目石英砂25.0％、40-80目石英砂38.0％、80-120目石英砂24.0％。外加剂组成为：复合矿物超细粉64.02％(包含超细粉煤灰45.0％、硅粉35.0％、超细矿渣粉20.0％)、减水剂4.00％、聚合物4.00％、复合膨胀剂20.50％、消泡剂2.80％、早强剂4.50％、缓凝剂0.18％。
如图1-2所示，将灌浆干料预先混合、封装后在施工现场直接加入拌合水充分搅拌后，利用灌浆泵将灌浆料沿橡胶灌浆管线压入到钢管桩与钢套筒之间的环形空间，从下向上顶推灌注，进行水下灌浆施工。其中，拌合水为干料重量的8.20％。并根据GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50448-2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》和规程JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》，测定灌浆材料的性能指标，如凝结时间和抗压强度等，具体数据见表13～15。
实施例6灌浆材料4的制备
制备一种超高性能海上风电导管架灌浆材料4，该灌浆干料的组成及质量百分比为：硅酸盐水泥40.0％，硫铝酸盐水泥1.0％，外加剂14.0％，石英砂45.0％。石英砂细度模数为2.8，组成为：10-20目石英砂10.0％、20-40目石英砂25.0％、40-80目石英砂45.0％、80-120目石英砂20.0％。外加剂组成为：复合矿物超细粉60.00％(包含超细粉煤灰45.00％、硅粉40.00％、超细矿渣粉15.00％)、减水剂5.00％、聚合物2.00％、复合膨胀剂25.00％、消泡剂3.00％、早强剂4.90％、缓凝剂0.10％。
如图1-2所示，将灌浆干料预先混合、封装后在施工现场直接加入拌合水充分搅拌后，利用灌浆泵将灌浆料沿橡胶灌浆管线压入到钢管桩与钢套筒之间的环形空间，从下向上顶推灌注，进行水下灌浆施工。其中，拌合水为干料重量的8.00％。并根据GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50448-2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》和规程JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》，测定灌浆材料的性能指标，如凝结时间和抗压强度等，具体数据见表13～15。
实施例7灌浆材料5的制备
制备一种超高性能海上风电导管架灌浆材料5，该灌浆干料的组成及质量百分比为：硅酸盐水泥25.0％，硫铝酸盐水泥5.0％，外加剂15.0％，石英砂55.0％。石英砂细度模数为3.5，组成为：10-20目石英砂20.0％、20-40目石英砂30.0％、40-80目石英砂30.0％、80-120目石英砂20.0％。外加剂组成为：复合矿物超细粉85.00％(包含超细粉煤灰50.00％、硅粉45.00％、超细矿渣粉5.00％)、减水剂2.00％、聚合物1.00％、复合膨胀剂8.00％、消泡剂1.00％、早强剂2.80％、缓凝剂0.20％。
表13灌浆材料1-3拌合物工作性与竖向膨胀率
表14灌浆材料1-3的力学性能
表15灌浆材料1-3的耐久性指标
如图1-2所示，将灌浆干料预先混合、封装后在施工现场直接加入拌合水充分搅拌后，利用灌浆泵将灌浆料沿橡胶灌浆管线压入到钢管桩与钢套筒之间的环形空间，从下向上顶推灌注，进行水下灌浆施工。其中，拌合水为干料重量的8.15％。并根据GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50448-2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》和规程JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》，测定灌浆材料的性能指标，如凝结时间和抗压强度等，具体数据见表13～15。
根据上述实施例3-7，由表13-15可知，本发明中制备的一种超高性能海上风电导管架灌浆材料，在一定的组分范围，通过调整水泥组成、复合矿物超细粉组成、外加剂比例等，竖向膨胀率、流动度、凝结时间、抗压强度、抗折强度、弹性模量、电通量、氯离子扩散系数和抗冻等级等性能指标良好。
实施例8灌浆材料的技术性能指标
如上述实施例3-7所示，按照本发明中原材料和灌浆料配制方法制备的海上风电导管架灌浆料性能指标可达到表16所列的技术指标。本发明中灌浆材料的表观密度、初凝时间和含气量根据标准GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中规定的方法测定；本发明中灌浆材料的流动度和竖向膨胀率根据标准GB/T50448-2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》中规定的方法测定；本发明中灌浆材料的力学性能指标测试根据规程JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》中规定的方法测定，其中，抗压强度测试采用100mm×100mm×100mm立方体测试块，测试结果不乘折合系数；本发明中灌浆材料的电通量、氯离子扩散系数和抗冻性指标根据标准GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的方法测定。
表16海上风电导管架灌浆材料的技术性能指标
由表16中数据，结合表13～15可知，本发明制备的灌浆材料具有以下技术特点：
(1)由表13可知，本发明中灌浆材料的用水量低，1吨灌浆干料用水量仅为78kg-82kg，水固比仅为0.078～0.082：1。
(2)由表13、16可知，本发明中灌浆材料具有良好的可工作性，流动性大、无泌水和分层、抗离析性和稳定性良好，具有优异的粘聚性和抗水分散性，并且材料可通过橡胶管线压力泵送施工。其中，灌浆材料初始流动度≥290mm、0.5小时流动度≥260mm、1.0小时流动度≥230mm，具有2-4h可工作时间，灌浆材料的含气量小于2.5％。
(3)由表14、16可知，本发明中灌浆材料还具有超早强和超高强的特点，在20度条件下，灌浆材料1天抗压强度≥50MPa，3天抗压强度≥85MPa，7天抗压强度≥100MPa，28天抗压强度≥120MPa，长期抗压强度(≥56天)≥130MPa。不同温度条件下灌浆材料的抗压强度趋势如图5-6所示。并且，由图7所示，自行设计的由大小钢管组成的环形空间形成灌浆连接构件测试灌浆料与钢管之间的粘结强度，测试结果表明，灌浆材料与钢管之间的剪切粘结强度可以大于8MPa，灌浆材料与钢管之间的粘结强度较大。另外，根据标准GB/T50082-2009规定的疲劳试验方法，采用￠60×120mm小试块进行疲劳试验，如图8所示的试验结果，灌浆材料的疲劳试验点落在DNV规范规定的SN曲线的右上方，满足DNV规范设计要求，灌浆材料具有较好的抗疲劳荷载性能。并且，灌浆材料可以在0.45应力比条件下经受200万次以上疲劳试验荷载。由此可见，本发明中制备的灌浆材料具有优异的力学性能。
(4)由表15、16可知，灌浆材料具有优异的耐久性指标，根据标准GB/T50082-2009方法测试，按照JGJ/T193-2009规定的评定标准，灌浆材料的抗氯离子渗透性等级为Q-Ⅴ、RCM-Ⅴ，28天硬化浆体电通量小于500C，28天氯离子扩散系数小于0.5×10-12m2/s，具有高抗氯离子渗透性；28天硬化浆体抗冻等级大于F800，具有高抗冻性；并具有良好的抗硫酸盐和抗海水、污水侵蚀性能，有较强的抗冲刷性。
(5)由表13、16可知，灌浆材料具有良好的微膨胀特性。根据标准GB/T50448-2008中规定的方法测定，灌浆材料3h竖向膨胀率0.1-0.8％之间，24h竖向膨胀率0.02-1.0％之间，3h与24h竖向膨胀率之差0.02％～0.5％，28d竖向膨胀率0.01-0.1％之间。由此可见，采用复合膨胀剂的双重膨胀设计能够确保灌浆料在塑性阶段和硬化阶段均不产生收缩，并且具有微膨胀特性，可确保灌浆连接环形灌浆体与钢管和套筒之间的有效连接。
实施例9陆上大型灌浆试验验证海上导管架灌浆试验
通过陆上大型试验验证灌浆料的水下泵送性能。试验采用水下灌浆方式进行，试验采用吨包灌浆材料通过专用灌浆搅拌机、压浆泵施工，成功实现远距离、导管架实际高度灌浆试验，试验条件模拟海上导管架灌浆施工工况。试验模具设计灌浆厚度25～125mm、高度7m，灌浆料通过100m长、直径50mm橡胶管线泵送压浆。灌浆采用水下灌浆方式，灌浆顶部无泌水，拆模后硬化浆体外观良好。通过结合实际工程开展海上导管架灌浆试验，成功实现灌浆料的水下压浆和溢浆，灌浆料的可泵送性良好。
综上所述，本发明提供的一种海上风电导管架灌浆材料及其施工方法，经过工作性、力学性能、耐久性和体积稳定性等试验，其材料各项指标均可满足海上风电导管架灌浆的指标要求，具有低用水量、良好的可工作性、优异的力学性能和耐久性、良好的微膨胀特性等特点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种海上风电导管架灌浆材料，包括干料和水，所述干料按质量百分比计，包括如下组分：
硅酸盐水泥：25.0-40.0％；
硫铝酸盐水泥：1.0-5.0％；
石英砂：45.0-55.0％；
外加剂：5.0-15.0％；
所述水的加入量为适量；
所述干料与水的质量比为：1：0.078-0.082；
所述外加剂以质量百分比计，包括如下组分：
复合矿物超细粉：60.0～85.0％；
减水剂：2.0～5.0％；
聚合物：1.0～4.0％；
复合膨胀剂：8.0～25.0％；
消泡剂：1.0～3.0％；
早强剂：1.5～5.0％；
缓凝剂：0.10～0.20％。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电导管架灌浆材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥选自P.O52.5硅酸盐水泥；所述硫铝酸盐水泥选自52.5级硫铝酸盐水泥；所述石英砂为由多种不同细度石英砂复配而成的连续级配石英砂；所述水为自来水。
3.根据权利要求2所述的一种海上风电导管架灌浆材料，其特征在于，所述石英砂由细度为10-20目、20-40目、40-80目和80-120目的四种石英砂组成，所述各组分质量百分比为：
10-20目石英砂：10.0-20.0％；
20-40目石英砂：25.0-35.0％；
40-80目石英砂：30.0-45.0％；
80-120目石英砂：20.0-35.0％。
4.根据权利要求2所述的一种海上风电导管架灌浆材料，其特征在于，所述连续级配石英砂的细度模数为2.8-3.5。
5.根据权利要求1所述的一种海上风电导管架灌浆材料，其特征在于，所述复合矿物超细粉以质量百分比计，包括如下组分：
硅粉：30.0～45.0％；
超细粉煤灰：40.0～50.0％；
超细矿渣粉：5.0-25.0％。
6.根据权利要求1所述的一种海上风电导管架灌浆材料，其特征在于，所述减水剂选自粉体聚羧酸系高性能减水剂；所述聚合物为醋酸乙烯－乙烯共聚物；所述复合膨胀剂为由塑性膨胀剂和硬化膨胀剂复配而成的复合膨胀剂；所述消泡剂为粉末状高效消泡剂；所述早强剂为适用于硅酸盐水泥的速凝早强剂；所述缓凝剂为柠檬酸三钠。
7.根据权利要求5所述的一种海上风电导管架灌浆材料，其特征在于，所述硅粉是指性能达到标准GB/T18736-2002高强高性能混凝土用矿物外加剂要求的硅粉；所述超细粉煤灰是指性能达到标准GB/T1596-2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰要求的Ⅰ级粉煤灰；所述超细矿渣粉是指性能达到标准GB/T18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉要求的S105矿渣粉。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种海上风电导管架灌浆材料的施工方法，包括如下步骤：
1)灌浆材料的制备：先将灌浆干料预先混合、封装后加入拌合水充分搅拌；
2)灌浆材料的施工：再将搅拌好的灌浆材料进行水下灌浆施工，利用灌浆泵将灌浆料通过预制灌浆管灌入钢管桩与钢套筒之间环形空间，并从下向上顶推灌注、填满环形空间。
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| CN103539412A (zh) * | 2013-09-27 | 2014-01-29 | 江苏兆佳建材科技有限公司 | 一种早强型水泥基灌浆料及其使用方法 |
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2014
- 2014-06-03 CN CN201410242676.1A patent/CN104003681B/zh active Active
Patent Citations (3)
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