海上風電項目中大體積混凝土溫控技術的研究

張 威

北京市豐臺華電產(chǎn)業(yè)園華電重工股份有限公司 北京 100160

1 項目基本概況

本工程位于唐山市京唐港與曹妃甸港之間海域，擬安裝75 臺西門子SWT- 4.0- 130 型風力發(fā)電機組，以12回35kV 海纜匯流后接至新建220kV 海上升壓站，經(jīng)兩臺容量為160MVA 分裂繞組變壓器升壓至220kV。再經(jīng)220kV 海底電纜敷設登陸，以220kV 架空線路型式π 接至大清河風電場陸上升壓站（陸上集控中心）220kV 母線，匯集后以1 回220kV 架空線路接入國網(wǎng)冀北電力有限公司220kV 風電匯集站。其中，擬采用大體積混凝土澆筑承臺基礎型式36 臺。

2 本項目采用了自動化監(jiān)測設備

該自動監(jiān)測設備由濟南環(huán)宇通科技有限公司研發(fā)，根據(jù)大體積混凝土的特點，專門設計的智能監(jiān)測系統(tǒng)通過GPRS 將數(shù)據(jù)上傳到云端，實現(xiàn)對溫度的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。溫度傳感器主要技術性能：測溫范圍，- 50～150℃；工作誤差，±0.5r；分辨率，0.1r；平均靈敏度，- 2.1mV/ C。溫度監(jiān)測儀主要技術參數(shù)：額定工作條件：環(huán)境溫度，- 20～60℃；相對濕度，＜80%；電源電壓應為50Hz 工業(yè)交流或12V 穩(wěn)壓直流。

3 混凝土入模和澆筑溫度的控制

在混凝土入模和澆筑施工過程中采用多項溫控措施。其具體措施如下：

3.1 抓好混凝土骨料的堆放及攪拌

混凝土骨料堆放于干燥、散熱快的位置，在澆注骨料集中堆放的場所附近搭起了遮陽天棚，采用了冷卻水拌和水循環(huán)系統(tǒng)，保證混凝土在攪拌中有利于降溫散熱。

3.2 抓好混凝土入模的溫度控制

由于混凝土入模的溫度較高，因此選取溫度并不甚高的時段進行入模。盡量地減少澆筑混凝土材料的轉(zhuǎn)運的次數(shù)，避開在夏季高溫天氣及炎熱季節(jié)時段集中進行高溫混凝土的澆筑施工。

3.3 抓好瀝青混凝土塊澆筑時段

瀝青混凝土塊在澆筑中溫度時常會在短時間內(nèi)飆升的，因此挑選在氣溫相對較低時段進行澆筑。由于夏季外界氣溫高，必須嚴格控制戶外溫度對混凝土澆筑帶來的影響。在冬季施工時，主要選擇正常室外溫度時進行澆筑。

4 合理選用混凝土澆筑用原材料及混合配比設計

要讓混凝土澆筑成形溫控指標達標，應該合理選擇混凝土所用的原材料及配合比設計的優(yōu)化。

4.1 內(nèi)外部混凝土所用水泥的選擇

內(nèi)部混凝土主要選擇熱量較低的礦渣水泥與熱量較高的硅酸鹽類水泥。而外部的混凝土則選取硅酸鹽混凝土覆蓋，這種混凝土不易裂縫，防寒抗凍、防腐蝕性都很好，也經(jīng)得起風雨的打磨。

4.2 混合材料的選擇

選用混合材料可以有效降低混凝土的絕熱溫升，對于混凝土抗裂性能有一定的改善。

4.3 外加劑的選擇

適當選用添加劑，如，減水劑和緩凝劑等。減水劑的選用可減少用水量、水泥用量、有效控制絕熱溫升。而緩凝劑的使用可以推遲混凝土的硬化，減緩混凝土的水化熱釋放。

4.4 混凝土配合比設計

通過科學的配合比和砂石材料的選擇，嚴格控制砂石材料中砂漿的最大允許含泥量，以保證混凝土強度的相對穩(wěn)定性、可靠性和流動性。選用具有對混凝土性能有益的熱學性質(zhì)和理化特性的砂石骨料，采用了單粒級和混合粒級的混合骨料，增加混凝土骨料顆粒的總密度，減少水泥用量，提高混凝土材料的相容性和可交易性，提高混凝土的力學性能指標和結構耐久性。

5 設置溫控指標并合理管控

通過設置混凝土的溫度控制指標，采取合理的技術措施，理想的混凝土控制要求如下：通過對溫度控制指標進行合理評估，采取有力措施，保證溫度的最大臨界值與其最終冷卻后的溫度相當接近，并確保溫度具有穩(wěn)定性且波動不大；混凝土的體積要基本保持不變；混凝土在可控范圍內(nèi)進行熱脹冷縮，不會因溫度的升降而影響其使用的硬度或剛度。

為了達到以上目的，應該把握好如下兩個方面溫度的控制指標。

（1）一方面是切實把握好混凝土的溫度控制指標。其中，澆筑溫度要小于28r，允許達到的內(nèi)部最高溫度為84℃，混凝土釋放的水化熱能量不得超過60℃，降溫速率不宜超過2.0℃/ d。澆筑的溫度也取決于環(huán)境溫度，通常選取氣溫較低的時段進行澆筑，盡可能保證混凝土的硬化質(zhì)量，遇上不可避免的炎熱高溫天氣時，也會采用冷卻水系統(tǒng)對其進行合理地降溫，使其內(nèi)部的水化熱得到充分的散發(fā)，又不至于影響混凝土的質(zhì)量。

（2）另一方面是強化對混凝土溫差控制指標的有效管控。其中，混凝土的內(nèi)外溫度差不應超過25℃，養(yǎng)護水溫與混凝土不得超過15℃，而冷卻水的溫度與混凝土的內(nèi)部溫度也不應超過25℃。確保混凝土的表面溫度、表面水溫、表面養(yǎng)護水溫呈現(xiàn)出一種梯度的變化，以此實現(xiàn)溫度控制的目標。

為了達到混凝土密封處理效果，選用高比熱容、低導熱系數(shù)的材料，可以避免混凝土在各種環(huán)境介質(zhì)中散熱過快。對于冷卻水與混凝土內(nèi)部的溫差指標來說，其大小控制很大程度上取決于冷卻水的通斷狀況，為避免冷卻溫度過低而導致混凝土開裂，水管周圍混凝土溫度應與連續(xù)冷卻水溫度基本相同，溫度梯度應穩(wěn)定。

6 采用科學的水冷卻系統(tǒng)

混凝土降溫的主要措施是采用較為先進的水冷卻系統(tǒng)，采用的水冷卻系統(tǒng)具有降溫效果顯著且高效的特點，有利于大體積混凝土的溫控技術方案的落實，在混凝土里表散熱條件有差異的情況下實現(xiàn)有效的調(diào)節(jié)。其啟動運行的管控機制如下：

(1) 應該合理布設冷卻水管系統(tǒng)，并檢查試驗水管的密封性是否良好，水管的布局必須合理，便于使用調(diào)節(jié)。由于風機承臺的中心位置混凝土的溫度要遠高于周邊，因此必須對中心區(qū)域的冷卻水管進行適度密集地布置，做到全方位溫度控制。

(2) 水冷卻系統(tǒng)需要提前布置準備，確保能及時吸收混凝土內(nèi)部的水化熱，避免混凝土澆筑后的高溫時段與冷卻水管的溫差導致冷激反應影響混凝土成形的質(zhì)量。啟用水冷卻系統(tǒng)需要在初始施工階段，現(xiàn)場溫度的實時監(jiān)測表明，早期通水有利于吸收和疏散混凝土內(nèi)部的水化溫度，提高混凝土的整體內(nèi)部溫度控制效果。而根據(jù)介質(zhì)導熱原理，混凝土內(nèi)部的水化熱在散熱過程中，是會受介質(zhì)影響的，應該及時啟用水冷卻系統(tǒng)，以便及時吸收和疏散混凝土內(nèi)部所存儲的水化熱能，盡量避免澆筑后混凝土快速升溫，避免水管內(nèi)的冷卻水產(chǎn)生冷震效應。

根據(jù)施工現(xiàn)場的實時動態(tài)數(shù)據(jù)以及密封狀態(tài)下水的物理特性顯示，密封狀態(tài)下的水具良好的保溫特性，在冷卻水管內(nèi)注入足量的水以后，再以相對平穩(wěn)緩慢的流速進行降溫。本工程的實施過程中并未對水流速實行有效地控制，但因進出水口均位于基礎承臺之上，因此可以通過切換進出水的通斷實現(xiàn)技術范圍內(nèi)的要求。

7 采用蓄水養(yǎng)護并覆蓋土工布保溫濕養(yǎng)護

蓄水養(yǎng)護是對混凝土散熱的一個重要措施，因為需要在風機承臺表面上覆蓋土工布進行施工，且在露天狀況下，由于蓄水池是極易被蒸發(fā)的，對散熱揮發(fā)效率有極大的影響對其表面進行密封處理以維持保溫特性。

8 采用鋼套箱模板施工

由于風機的基礎承臺結構選用鋼套箱模板，可以縮短前期施工的準備工作時間，當基礎承臺的溫度相對趨于一個溫度相對平穩(wěn)的界限值時，鋼套箱模板也較為容易被拆卸，而當溫度未降到穩(wěn)定值時，就可以提供穩(wěn)定的約束力，以保證混凝土在施工過程中尚未牢靠的基礎上，不會因為散熱不均勻造成溫差而導致裂縫生成。

9 溫度監(jiān)測的布置及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

依據(jù)機位承臺設計的幾何對稱特性與溫度變化的起伏形勢，在施工過程中除布置4 層溫度監(jiān)測點外，還額外設立了針對環(huán)境溫度、冷卻水溫及養(yǎng)護水溫三處溫度監(jiān)測點，通過測溫點可以對施工過程中的大體積混凝土的溫度變化進行全方位的、動態(tài)的、實時的監(jiān)控管理。

以9# 風機基礎承臺為例，對風機基礎承臺在施工過程中的混凝土溫度變化控制做出具體闡述：冷卻水是從澆筑開始便注入的，共計通入了22～230h，澆筑溫度為18.43～21.17℃，表面最高溫度約在38℃，而內(nèi)部溫度達到了61℃，所揮發(fā)出的水化熱也穩(wěn)定在澆筑溫度的一到兩倍，表里溫差基本是13～41℃的溫度變化走勢、混凝土內(nèi)部各層溫差差異變化、表層蓄水養(yǎng)護的水溫差變化、混凝土表面溫差變化可得出，基礎承臺的溫度始終保持在一個合理可控的范圍內(nèi)，在拆除了鋼套箱后，也并無裂縫變形等情況，這說明鋼套箱模板與蓄水養(yǎng)護冷卻系統(tǒng)成功抵消了混凝土在揮發(fā)過程中而生成的溫度應力，固化了基礎承臺的幾何形體，避免了受熱脹冷縮過程中而導致的變形的情況發(fā)生。

10 結語

在海上風電項目大體積混凝土承臺基礎施工中，通常以水冷卻作為主要的降溫措施，并結合優(yōu)化混凝土配合比的溫度控制體系，注重前期養(yǎng)護基本可以實現(xiàn)溫度的合理控制。這種技術措施具體可總結為以下幾點：

(1) 使混凝土的表里整體都能在溫控范圍之內(nèi):對大體積混凝土需采取蓄水措施進行養(yǎng)護，過程中為防止蒸發(fā)影響保溫，還需要進行密封處理；有必要在大體積混凝土結構周圍搭接保溫層或鋪設保溫層；水冷卻系統(tǒng)中，可在冷卻水管中蓄水進行有效保溫，避免溫度過低對混凝土造成冷激反應，破壞混凝土的質(zhì)量。

(2) 實現(xiàn)對混凝土溫度進行持續(xù)合理掌控，就需要對水冷卻系統(tǒng)中冷卻水管內(nèi)的水流流速進行有針對的限制，同時需要做出以下改進：因露天環(huán)境下有諸多不可控因素，混凝土的里表溫差、表面養(yǎng)護水與表面溫差可以在短期內(nèi)略微超出界定值。在施工過程中因水冷卻系統(tǒng)因難以合理控制水流流速，會造成大量的能量損耗，且未設置水冷卻保護裝置，無法保證水冷卻系統(tǒng)始終保持在運行狀態(tài)等，也有待于今后改進。