CN116693262A - 一种海上风电导管架用灌浆料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种海上风电导管架用灌浆料及其使用方法，通过采用致密刚玉微粉作为超细骨料，借助调整矿物组成的复配水泥实现良好的早后期强度，通过外加剂保证灌浆料施工性能，不需额外调整骨料来源即可实现高弹性模量高早强的目的。

Description

一种海上风电导管架用灌浆料及其使用方法

技术领域

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种海上风电导管架用灌浆料及其使用方法。

背景技术

海上风能作为一种清洁、稳定的可再生能源，是缓解当前能源短缺、解决环境污染问题的战略选择。随着风电日益大型化、涉水深度的不断加深，风机基础的建造难度越来越大。通过采用桩基与风机塔筒连接的方式为目前主流方式，根据适用水深及基础承载力要求，风机基础形式包括单桩型、三桩型、导管架型等等，灌浆连接段将风电塔筒与下部基桩连城整体在风机基础中起到过渡连接的作用，而灌浆连接段又是整个基础结构的关键与薄弱环节，灌浆连接段的可靠性决定了整个风机基础的安全可靠性。

海上风机结构受到的力极为复杂，包括风机运转载荷、海浪海流冲刷、船舶撞击等，此外特殊的外海施工条件、特殊的搅拌工艺、泵送灌浆工艺及水下施工技术，都对灌浆连接段的设计及材料性能提出了极高的要求，目前国内海上风电灌浆料的性能指标主要参考国外DNV-GL等第三方机构的要求，并引入国外产品Densit、Masterflow等，国内仅有少数几家如中交三航局、中建材中岩科技、苏博特等企业具有开发生产能力。相比于其他高性能灌浆料产品，海上风电用灌浆料具有如下几大特点：

1.极低的用水量，通常产品的用水量在7.5%-9.0%，以确保浆体的致密性，提高灌浆料抗海水侵蚀的性能。

2.极高的力学性能，通常的技术指标要求28d自然养护强度≥120MPa，CN113968698 A所述导管架用水泥基灌浆料可达150MPa，CN 104003681 A中实施例28d强度最高可达134.5MPa。

3.极高的弹性模量，提高灌浆料的弹性模量，可提高材料受到荷载而抵抗变形的能力，使灌浆连接段具有更高的刚度、更小的变形量，从而提高风机基础的可靠性。

目前针对高性能灌浆料的技术研究已较多，但更多的是关注流动度及抗压强度，如CN 104003681A中力学性能及流动性能均可满足海上风电灌浆需求，但未提出弹性模量技术指标，其应用存在长期服役风险。CN114031349A公布了一种风电高强灌浆料及其制备方法，但其描述的应用场景为基础底座安装加固，判断是应用于陆上风电的基础环灌浆，此外，该专利也未提到弹性模量技术指标，CN 113968698A公布的导管架用水泥基灌浆料，与本案近似并对静弹性模量指标进行控制，其通过多种不同密度骨料配合使用，实现了静弹性模量与容重可调的目的，但在实际应用生产时具有原料来源复杂、加工难度大、性能波动大的缺点，此外未进行动弹性模量性能及早期强度进行测试评价。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种海上风电导管架用灌浆料，通过采用致密刚玉微粉作为超细骨料，借助调整矿物组成的复配水泥实现良好的早后期强度，通过外加剂保证灌浆料施工性能，不需额外调整骨料来源即可实现高弹性模量高早强的目的。

具体的，本发明海上风电导管架用灌浆料，由如下重量份原料组成：

水泥33-38份，

矿物掺合料10-15份，

砂43-48份，

致密刚玉微粉1-5份，

膨胀剂0.9-1.4份，

消泡剂0.04-0.06份，

减水剂0.3-0.6份，

羟甲基化聚丙烯酰胺0.2-0.3份，

润湿降粘剂0.05-0.15份。

优选的，所述水泥由45-80%白色硅酸盐水泥与20-55%的硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥至少一种组成。

优选的，所述白色硅酸盐水泥为P•W-1 42.5或P•W-1 52.5级，其中白色硅酸盐水泥中C₃S矿物含量不低于65%。

优选的，所述硅酸盐水泥为P•Ⅰ 52.5或P•Ⅱ 52.5级。

优选的，所述低热硅酸盐水泥为P•LH 42.5级，其中低热硅酸盐水泥中C₂S矿物含量不低于50%且C₃A矿物含量不超过5%，90天水泥胶砂抗压强度大于60MPa。

为满足灌浆料在海上风电导管架中的施工要求，本发明采用复合使用的硅酸盐水泥，通过调整其矿物组成含量，保证了灌浆料的早期性能和后期性能，为保证在超低水胶比下灌浆料的施工性能，并保证与致密刚玉微粉的超细骨料具有很好的适应性，经大量实验研究，本发明在外加剂中添加羟甲基化聚丙烯酰胺和润湿降粘剂，其中润湿降粘剂为起始剂、环氧乙烷、环氧丙烷及催化剂反应合成的聚醚类润湿剂，采用市售产品，两者配合减水剂可保证灌浆料在大流动性的同时保证流动度保持性能与和易性，在灌浆料泵送施工过程中也不会出现离析泌水和骨料下沉。

优选的，所述致密刚玉微粉为致密刚玉破碎粉磨过程中采用收尘浮选工艺制备的超细微粉，粒径为10μm-200μm。氧化铝含量≥98.5%，体积密度≥3.8g/cm³。本发明采用致密刚玉微粉作为超细骨料，致密刚玉不同于白刚玉、棕刚玉，其在制备过程中烧结温度更高，其真密度高于另外两种，因此具有更好的硬度及刚度，研究表明，采用其可优于现有技术中采用白刚玉、棕刚玉、碳化硅等原料，且致密刚玉微粉的利用解决了致密刚玉生产过程中粉尘的处理问题，也扩大了致密刚玉的应用领域。

优选的，所述矿物掺合料为超细粉煤灰、硅灰、矿粉的混合物。

优选的，所述砂为玄武岩细骨料，由70-120目、40-70目、20-40目、10-20目四级粒径范围内连续级配组成。

优选的，所述膨胀剂为塑性膨胀剂与UEA矿物类膨胀剂的至少一种，更优选的，膨胀剂为塑性膨胀剂与UEA矿物类膨胀剂的混合物，质量比为1-2:100。

优选的，所述消泡剂为有机硅类消泡剂。

优选的，所述减水剂为聚醚类聚羧酸系高性能减水剂与聚酯类聚羧酸系高性能减水剂的至少一种，更优选的，减水剂为聚醚类聚羧酸系高性能减水剂与聚酯类聚羧酸系高性能减水剂的混合物，质量比为0.5-1.3:1，减水剂混合物减水率不低于38%。

本发明还涉及上述海上风电导管架用灌浆料的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按质量比例称取各原料，混合均匀，

2）按灌浆料质量比1:0.070-0.085加入拌合水进行拌合，

3）拌合结束后静置使浆体气泡排出，输送至灌浆机进行泵送施工。

优选的，步骤2）拌合时间为5-10min。

优选的，步骤3）静置时间为1-3min。

本发明通过采用多种硅酸盐类水泥的复合应用，针对性提高C₃S与C₂S矿物的含量，降低C₃A及C₄AF矿物的含量，实现了超长工作时间与超高早期强度及高后期强度的平衡。采用了致密刚玉超细微粉，大幅提高了海上风电灌浆料中浆体的弹模性能的同时利用了致密刚玉生产粉尘，解决了固废处理问题，降低了超高弹模海上风电导管架用灌浆料的制造成本。本发明的海上风电导管架用灌浆料在应用时仅需加入拌合水即可，具有使用方便高效的特点。

本发明海上风电导管架用灌浆料，可实现初始流动度≥300mm，4h流动度≥260mm；100mm³试块尺寸下1d抗压强度≥80MPa，28d抗压强度≥150MPa；随致密刚玉微粉的掺量调整，静弹性模量在45GPa-60GPa范围可调，动弹性模量在50GPa-88GPa范围可调。

具体实施方式

为表征本发明技术效果，实施例中制备灌浆料并进行性能测试，实施例灌浆料制备过程中采用8%用水量进行拌合，砂采用玄武岩细骨料，膨胀剂为塑性膨胀剂与UEA矿物类膨胀剂质量比1.5:100的混合物，消泡剂采用有机硅类消泡剂，减水剂采用聚醚类聚羧酸系高性能减水剂与聚酯类聚羧酸系高性能减水剂质量比1:1的混合物。

实施例1

海上风电导管架用灌浆料，由如下重量份原料组成：

P•W-1 52.5 白色硅酸盐水泥25.8份，

P•Ⅱ 52.5 硅酸盐水泥9.7份，

超细粉煤灰1.3份，

硅灰8.4份，

矿粉5.2份，

砂48份，

致密刚玉微粉2份，

膨胀剂1.1份，

消泡剂0.05份，

减水剂0.42份，

羟甲基化聚丙烯酰胺0.2份，

润湿降粘剂0.07份。

经检测，灌浆料和易性良好，泌水率0%，流动度初始值328mm，120min流动度302mm，240min流动度246mm，28d抗折强度21.7MPa，1d抗压强度108.1MPa，3d抗压强度132.2MPa，28d抗压强度155.4MPa，3h竖向膨胀率0.07%，24h与3h膨胀值之差0.05%，28d静弹性模量48.7GPa，28d动弹性模量72.3GPa，28d自干燥收缩0.037%。

实施例2

海上风电导管架用灌浆料，由如下重量份原料组成：

P•W-1 52.5 白色硅酸盐水泥 24.5份，

P•II 52.5 硅酸盐水泥 4.6份，

P•LH 425 低热硅酸盐水泥 4.6份，

超细粉煤灰 1.8份，

硅灰 7.9份，

矿粉 4.9份，

砂 46.9份，

致密刚玉微粉4份，

膨胀剂1.2份，

消泡剂0.05份，

减水剂0.49份，

羟甲基化聚丙烯酰胺0.3份，

润湿降粘剂0.12份。

经检测，灌浆料和易性良好，泌水率0%，流动度初始值325mm，120min流动度300mm，240min流动度255mm，28d抗折强度23.2MPa，1d抗压强度110.4MPa，3d抗压强度135.3MPa，28d抗压强度157.9MPa，3h竖向膨胀率0.10%，24h与3h膨胀值之差0.08%，28d静弹性模量52.1GPa，28d动弹性模量80.2GPa，28d自干燥收缩0.028%。

对比例1

灌浆料，由如下重量份原料组成：

P•II 52.5 硅酸盐水泥33.7份，

超细粉煤灰 1.8份，

硅灰 7.9份，

矿粉 4.9份，

砂 46.9份，

致密刚玉微粉4份，

膨胀剂1.2份，

消泡剂0.05份，

减水剂0.49份，

羟甲基化聚丙烯酰胺0.3份，

润湿降粘剂0.12份。

经检测，灌浆料和易性良好，泌水率0%，流动度初始值302mm，120min流动度240mm，240min无流动性，28d抗折强度16.9MPa，1d抗压强度83.5MPa，3d抗压强度98.8MPa，28d抗压强度133.7MPa，3h竖向膨胀率0.08%，24h与3h膨胀值之差0.04%，28d静弹性模量42.3GPa，28d动弹性模量63.4GPa，28d自干燥收缩0.034%。

对比例2

灌浆料，由如下重量份原料组成：

P•W-1 52.5 白色硅酸盐水泥 24.5份，

P•II 52.5 硅酸盐水泥 4.6份，

P•LH 425 低热硅酸盐水泥 4.6份，

超细粉煤灰 1.8份，

硅灰 7.9份，

矿粉 4.9份，

砂 46.9份，

碳化硅4份，

膨胀剂1.2份，

消泡剂0.05份，

减水剂0.49份，

羟甲基化聚丙烯酰胺0.3份，

润湿降粘剂0.12份。

经检测，灌浆料和易性良好，泌水率0%，流动度初始值295mm，120min流动度240mm，240min流动度205mm，28d抗折强度21.0MPa，1d抗压强度92.6MPa，3d抗压强度121.5MPa，28d抗压强度132.2MPa，3h竖向膨胀率0.06%，24h与3h膨胀值之差0.04%，28d静弹性模量39.1GPa，28d动弹性模量49.8GPa，28d自干燥收缩0.033%。

对比例3

灌浆料，由如下重量份原料组成：

P•W-1 52.5 白色硅酸盐水泥 24.5份，

P•II 52.5 硅酸盐水泥 4.6份，

P•LH 425 低热硅酸盐水泥 4.6份，

超细粉煤灰 1.8份，

硅灰 7.9份，

矿粉 4.9份，

砂 46.9份，

致密刚玉微粉4份，

膨胀剂1.2份，

消泡剂0.05份，

减水剂0.49份，

聚丙烯酰胺0.3份，

润湿降粘剂0.12份。

经检测，灌浆料和易性差，骨料下沉，离析，流动度初始值330mm，120min无流动性，28d抗折强度16.9MPa，1d抗压强度63.2MPa，3d抗压强度89.1MPa，28d抗压强度103.3MPa，3h竖向膨胀率0.04%，24h与3h膨胀值之差0.02%，28d静弹性模量36.6GPa，28d动弹性模量39.5GPa，28d自干燥收缩0.058%。

对比例4

灌浆料，由如下重量份原料组成：

P•W-1 52.5 白色硅酸盐水泥 24.5份，

P•II 52.5 硅酸盐水泥 4.6份，

P•LH 425 低热硅酸盐水泥 4.6份，

超细粉煤灰 1.8份，

硅灰 7.9份，

矿粉 4.9份，

砂 46.9份，

致密刚玉微粉4份，

膨胀剂1.2份，

消泡剂0.05份，

减水剂0.59份，

羟甲基化聚丙烯酰胺0.5份。

经检测，灌浆料和易性差，泌浆，流动度初始值230mm，120min无流动性，28d抗折强度17.2MPa，1d抗压强度73.9MPa，3d抗压强度91.2MPa，28d抗压强度104.6MPa，3h竖向膨胀率0.07%，24h与3h膨胀值之差0.02%，28d静弹性模量34.9GPa，28d动弹性模量41.1GPa，28d自干燥收缩0.105%。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，由如下重量份原料组成：

水泥33-38份，

矿物掺合料10-15份，

砂43-48份，

致密刚玉微粉1-5份，

膨胀剂0.9-1.4份，

消泡剂0.04-0.06份，

减水剂0.3-0.6份，

羟甲基化聚丙烯酰胺0.2-0.3份，

润湿降粘剂0.05-0.15份，

所述水泥由45-80%白色硅酸盐水泥与20-55%的硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥至少一种组成，

所述致密刚玉微粉为致密刚玉破碎粉磨过程中采用收尘浮选工艺制备的超细微粉，粒径为10μm-200μm，氧化铝含量≥98.5%，体积密度≥3.8g/cm³。

2.根据权利要求1所述海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，所述白色硅酸盐水泥为P•W-1 42.5或P•W-1 52.5级，其中白色硅酸盐水泥中C₃S矿物含量不低于65%。

3.根据权利要求1所述海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为P•Ⅰ52.5或P•Ⅱ 52.5级。

4.根据权利要求1所述海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，所述低热硅酸盐水泥为P•LH 42.5级，其中低热硅酸盐水泥中C₂S矿物含量不低于50%且C₃A矿物含量不超过5%，90天水泥胶砂抗压强度大于60MPa。

5.根据权利要求1所述海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，所述矿物掺合料为超细粉煤灰、硅灰、矿粉的混合物。

6.根据权利要求1所述海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，所述砂为玄武岩细骨料，由70-120目、40-70目、20-40目、10-20目四级粒径范围内连续级配组成。

7.根据权利要求1所述海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，所述膨胀剂为塑性膨胀剂与UEA矿物类膨胀剂的混合物，质量比为1-2:100。

8.根据权利要求1所述海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，所述消泡剂为有机硅类消泡剂。

9.根据权利要求1所述海上风电导管架用灌浆料，其特征在于，所述减水剂为聚醚类聚羧酸系高性能减水剂与聚酯类聚羧酸系高性能减水剂的混合物，质量比为0.5-1.3:1，减水剂混合物减水率不低于38%。

10.根据权利要求1-9任一项所述海上风电导管架用灌浆料的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按质量比例称取各原料，混合均匀，

2）按灌浆料质量比1:0.070-0.085加入拌合水进行拌合，

3）拌合结束后静置使浆体气泡排出，输送至灌浆机进行泵送施工。