风电工程在极寒条件下CGM-80灌浆料的应用与实践
研究背景
我国极寒地区的风力发电工程风机基础高强灌浆施工过程中，灌浆施工技术常因低温环境受到限制。并且因风电工程基础以及施工环境的特殊性，灌浆料在低温下流动性、凝结时间及强度发展均会比其他环境条件下的工程更易受到较为明显的影响，从而可能导致基础强度不足或开裂等质量问题。为确保高强灌浆料的施工效率和工程质量，需深入研究低温极寒条件下风机基础灌浆料的施工技术与性能优化。
研究意义
研究极寒条件下风电工程高强灌浆料的施工技术，不仅可提升风电基础施工工程质量，还能为严寒地区风电基础施工提供科学依据。同时，通过对灌浆料的性能调控和施工工艺优化，还有助于拓展其应用范围，提高施工效率和基础耐久性。
材料性能要求
本文中研究采用的CGM-80水泥基高性能灌浆料（以下简称CGM-80灌浆料）是我国自主研发的一款针对风机基础以及高寒环境施工的水泥基高性能、高性价比灌浆材料，它以高强度材料为主料，以水泥为结合剂，辅以高流态、微膨胀、防离析等材料组份，经专业化工厂按比例进行计量、混合、配制而形成的特种干混砂浆，其材料性能及特点见表1：
| 型号 | 抗压强度（MPa） | 竖向膨胀率（%） | 流动度（mm） | ||||
| 1d | 3d | 28d | 3h | 24h与3h差 | 初始 | 30min | |
| CGM-80 | 38 | 50 | 85 | 0.1～3.5 | 0.02～0.5 | 340 | 310 |
由上表1可以看出，CGM-80灌浆料在早期强度的上升度是比较高的，1d时间就基本能够达到设计抗压强度的50%，并且因辅用了高流态添加材料，因此其组份拌和后的浆体流动性良好，并且无需振捣便可自流平施工。同时，因为组成成分中还有微膨胀、防离析等材料，CGM-80灌浆料同时还可以实现无缝灌浆施工，并能进一步确保其浆体与施工基层的有效接触面积以及空隙率。不仅如此，CGM-80灌浆料还具备50次以上的冻融循环实验无破坏，并且在长时间（30d）机油液浸泡下能够实现无损，这对浇筑体中的钢筋、锚栓等金属材料能够起到较好的保护作用。
极寒条件对灌浆料性能的影响
温度对灌浆料的影响
吉鲁大安
500MW风电工程风机基础采用预应力高强混凝土管桩基础搭配钢筋混凝土圆形承台设计，见图1，基础下段圆形承台直径17.4m，上段圆形柱台直径7m，在预埋的风机锚栓上锚板与上段圆形柱台承载结合面之间，为加固结合以及增加承载力，需在柱台面与上锚板环面之间灌注抗压强度为80MPa的CGM-80水泥基高性能灌浆料，见图2、图3。
图1 风机基础立面布置图（单位：mm）
图2 基础上锚板布置图（单位：mm）
图3 高强灌浆料灌注位置图 （单位：mm）
从图2、图3中可以看出，风机基础施工不同于很多其他基础建设工程，风机基础高强灌浆料的施工存在施工工程量小、施工作业面狭窄同时伴随露天环境暴露式施工的特点，这也导致风机基础高强灌浆料施工在极寒天气环境下会出现如下问题。
- 流动性降低：虽然高流态材料的组份保证了CGM-80灌浆料在空间狭窄的区域依然具有较为良好的流动性和自平性，但极寒低温条件下水泥水化反应仍然会显著减缓，从而导致其流动性和自流平性能明显降低。
- 凝结时间延长：CGM-80灌浆料属于早强型特种干混砂浆，24h早期强度可达到最高38Mpa以上，但如果在极寒环境下施工，高强灌浆料的初凝和终凝时间仍然会显著延长，从而影响后续分部工程的施工进度。
- 强度发展滞后：CGM-80灌浆料按照性能表显示以及施工现场标养试块检测显示，其1d抗压强度为38MPa，3d抗压强度为50MPa，28d抗压强度能超过80MPa，但在现场同环境养护的同型号试块，其1d、3d和28d抗压强度比标养试块同比下降20%左右，由此可见，低温环境下高强灌浆料早期强度增长缓慢，甚至可能导致其最终强度下降。
极寒条件下灌浆施工工艺
灌浆料的性能调控
针对于干混砂浆的性能调控，通常可以采取如下技术手段进行性能校调。（1）掺加外加剂；（2）使用抗冻剂提升材料抗冻性能；（3）添加早强剂加速水化反应，提升早期强度；（4）优化配合比：（5）提高水胶比以增加流动性，同时保证抗压强度；（6）使用低温稳定性较好的高性能水泥基材料；（7）热水拌和，拌和水温控制在30℃～40℃，提升灌浆料入模时的温度。
但CGM-80灌浆料属于特殊型特种干混砂浆，其是以高强度材料为主料，以水泥为结合剂，辅以高流态、微膨胀、防离析等材料进行科学性组份配制，其各组份的比例以及各组分的化学反应效率是通过实验数据确定的。因此，改变材料、添加外加剂或是提高水胶比等手段均不适用，因此只能使用热水进行现场拌合，拌合水温可控制在30℃～40℃左右，并要保证灌浆料入模时的入模温度。
施工工艺优化
- 基础预热：在极寒条件下，施工现场在作业开始前可采用热水冲刷灌浆基础表面，从而提高基础温度结合面温度的目的，配合热水拌制灌浆料并增加入模温度使用效果更好。
- 保温棚设计：极寒环境施工提升灌浆料性能的最好方法，使用保温棚覆盖灌浆区域，控制棚内温度在
5℃以上，并减少热量损失，保证高强灌浆料在适宜环境下的流动性和自流平性能，并高效的发展其自身强度。
极寒条件下施工案例分析
工程概况
吉鲁大安市500MW风电工程位于大安市南部的龙沼镇境内，风场中南部为龙沼镇，场址中心坐标为北纬45.1322°，东经123.5852°。风电场场址东北距大安市直线距离约65km，东南距乾安县直线距离约25km。风电场区域地貌为平原，地势较为平坦，风场西南部区域以未利用地为主，期间分布有少量农田、草地、林地等；风场北部区域以新增耕地为主，期间分布有少量农田、草地、林地等。本工程施工期跨越自然年的冬季，当地最低历史环境气温可达-25℃。风机基础灌浆料施工主要针对风机基础环上环面与风机基础承台上住台面的加强结合，本工程要求材料抗压强度达到80MPa，并同时满足50年的抗冻融循环要求。
技术实施
施工准备
- 风机基础高强灌浆料浇筑前支模板阶段，应单独支设固定弧形分片式定制模板，确保灌浆槽大小、深度、尺寸符合设计图纸要求。
- 高强灌浆施工前风机基础结合表面要进行凿毛处理，同时上锚板下方和锚杆间附着的混凝土也要剔除干净，保证灌浆料与锚杆锚板间的充分贴合。对于灌浆槽不均匀狗牙状的边缘要进行切割处理，同时基础表面在作业前要再次进行清洁处理。
- 灌浆前24h，基础表面应充分湿润，灌浆前1h，清除积水使表面无明水，如极寒条件下采用热水加热基础面处理，在浇洒热水后也应清除表面明水。
- 极寒条件下，高强灌浆料的拌合水温可加热至30℃～40℃，并迅速搅拌入模。
工艺流程
灌浆槽模板支设
→主体混凝土浇筑完成3d后施工二次灌浆→基础处理→上锚板调平→二次灌浆前施工准备工作→高强灌浆料配制→二次灌浆→养护→全程监控
工艺实施
- 当环境温度低于5℃时，高强灌浆料应采用30℃～40℃热水进行拌和，以保证材料的入摸温度。同时，在极寒条件下不宜再采用传统的人工搅拌棒进行拌和，应采用高强灌浆料厂家配送或自行采购的小型专用高强灌浆料搅拌机进行拌和，以达到在保证灌浆料拌和质量的前提条件下以最短时间完成灌浆料的拌和作业。人工搅拌棒的拌和方式一般需要进行分批多次拌和，并且在保证灌浆料充分混合的前提条件下，人工搅拌棒拌和方式的出料时间一般会在
10min左右。而小型专用高强灌浆料搅拌机虽然使用成本较高，但在极寒环境下，其在相同拌和量下的拌和时间仅需3min左右，大大加快了高强灌浆料的出料效率，同时也尽可能保证了其入模温度。 - 在极寒环境下施工要提前预热灌浆基础表面，可采用热水冲刷的方式，预热后迅速进行清除基础表面明积水，并进行灌浆操作，受冻前，保证灌浆料的抗压强度不得低于5MPa。
- 搭设灌浆料保温棚，保温棚可使用保温帐篷，按照风机基础台柱圆面面积呈圆形进行龙骨架设，龙骨可以使用竹制，也可使用钢制。保温棚按照上段圆形柱台直径
7m设计，圆形暖棚由直径7m大环与16根3.4m长龙骨构成结构主体。龙骨交汇点小环直径10cm，大环通过绑扎或活动式可拆卸连接与各支龙骨连接，各支龙骨在中心点交汇处与小环同样采用绑扎或活动式可拆卸连接，方便重复使用和安拆便捷，见图4。
图4 灌浆料保温棚搭设图（单位：mm）
- 保温棚龙骨搭设完毕后，上层用塑料布覆盖，棉被覆盖，外层再次覆盖一层塑料布，铁丝、尼龙绳固定，边角用石块压紧。暖棚高度在保证正常施工的前提下，尽可能制作的矮一些，以尽可能保证棚内热量的稳定。暖棚高度应以
1.8m为宜，龙骨端部小环直径5cm，用于使用钢筋钉与固定物进行可靠连接，龙骨之间使用拉钩进行连接，整个暖棚需按照45°斜角拉设不少于4条风绳。 - 灌浆料模板缝隙还应使用海绵条进行封堵，确保灌浆料在施工过程中不出现渗漏现象。
- 施工对强度増长无特殊要求时，灌浆完毕后裸露部分应及时覆盖塑料薄膜并加盖保温材料。起始养护温度不应低
5℃，在负温条件养护时不得浇水。拆模后水泥基灌浆材料表面温度与环境温度之差大于 20℃时，应采用保温材料覆盖养护。 - 在极寒环境情况下，如外部环境气温下降至-10℃以下时，可采取人工加热保温法，常用的方式为使用火盆、电暖炉、煤炉等加热设施，同时暖棚还应设置温度计、通风管、一氧化碳报警器等，并留有专人巡查看护确保保全。
施工效果
- 灌浆料流动性在-25℃时仍具良好流动性，可满足施工需求。
- 强度发展：1d抗压强度最高可达38.7MPa，3d抗压强度最高可达61.7MPa，28d强度最高能够超过CGM-80灌浆料的设计抗压强度，达到89.8MPa。
- 抗冻性能：50个冻融循环待时间检验，但在施工完成后已过去的三个冻融周期内，CGM-80灌浆料结合面表现正常，无裂纹、龟裂或起皮等现象发生。
技术难点与创新
技术难点
- 低温环境的快速降温效应：在极寒条件下，施工过程中无论是施工界面保温，还是高强灌浆料本身保证水化热发生的温度热量，都会因开放式施工环境影响迅速流失，从而可能导致整体施工质量的下降甚至是返工。
- 保温措施的实施难度：无论是暖棚还是其他的保温棉、保温毯、火盆、电暖炉等，大规模施工时保温材料的布置以及加热设备的统一管理、协调等难度较大。
- 材料性能保证：极寒条件下，高强灌浆料需要在保证流动性和施工性的同时满足抗压和冻融设计要求。
创新措施
- 热水拌和与基础预热结合：通过热水拌和与基础预热同步进行，有效提高高强灌浆料的入模温度，确保其水化反应正常进行。
- 多层保温设计：冬季施工采用双层保温和保温覆盖材料，极寒条件下施工采用创新的柱台式圆形龙骨保温棚配合保温保暖材料，进一步减少施工中以及施工后的热量散失，确保高强灌浆料的施工质量以及后续水化热以及抗压强度的正常发展。
- 针对保温材料布置及组织实施难度大的问题，采取了如下措施进行操作：
①分区管理：将施工区域划分为若干管理单元，例如按塔筒分段、施工面或功能区（如材料堆放区、加工区等），为每一区域设计单独的保温和加热方案。这样可以避免大面积统一管理的混乱，提高管理效率。②温控标准：根据施工工艺需求，明确不同施工阶段的温控要求。例如混凝土施工要求环境温度保持在
5℃以上，可规定各分区最低温度，确保保温措施满足具体需求。③物资清单：结合施工区域的规模和气候条件，详细规划每一区域需要的保温材料和设备数量，提前采购和储备，避免施工过程中因物资短缺导致保温效果不佳。
④使用高效材料：使用导热系数低、保温性能好的材料。例如，反光保温毯能快速提升局部区域温度，保温棉板安装便捷且隔热效果好，适合广泛使用。⑤使用便携式设备：优先选择轻便、移动方便的加热设备，如热风机、电暖炉、燃气取暖器等，在暖棚设计上采用拼装式结构，可快速搭建与拆卸，方便转移和重复利用，减少施工时间和人工成本。⑥监控系统：在施工关键区域安装温度传感器，通过无线传输将数据实时发送到中央监控系统。管理人员可随时查看温度变化，并调整加热设备的工作状态。⑦加强组织协调：成立保温措施专职小组，安排一到两名管理人员专门负责物资调配、设备安装及运行监控，确保责任明确。对施工人员进行系统化培训，包括保温材料的正确布置方法、加热设备的使用技巧，以及紧急情况下的处理流程。同时，准备一批备用保温材料（保温毯、棉布）和设备，以备突发情况（设备故障或极端低温）时迅速投入使用。
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