海上风电项目中大体积混凝土温控技术的研究

张 威

北京市丰台华电产业园华电重工股份有限公司 北京 100160

1 项目基本概况

本工程位于唐山市京唐港与曹妃甸港之间海域，拟安装75 台西门子SWT- 4.0- 130 型风力发电机组，以12回35kV 海缆汇流后接至新建220kV 海上升压站，经两台容量为160MVA 分裂绕组变压器升压至220kV。再经220kV 海底电缆敷设登陆，以220kV 架空线路型式π 接至大清河风电场陆上升压站（陆上集控中心）220kV 母线，汇集后以1 回220kV 架空线路接入国网冀北电力有限公司220kV 风电汇集站。其中，拟采用大体积混凝土浇筑承台基础型式36 台。

2 本项目采用了自动化监测设备

该自动监测设备由济南环宇通科技有限公司研发，根据大体积混凝土的特点，专门设计的智能监测系统通过GPRS 将数据上传到云端，实现对温度的实时数据监测。温度传感器主要技术性能：测温范围，- 50～150℃；工作误差，±0.5r；分辨率，0.1r；平均灵敏度，- 2.1mV/ C。温度监测仪主要技术参数：额定工作条件：环境温度，- 20～60℃；相对湿度，＜80%；电源电压应为50Hz 工业交流或12V 稳压直流。

3 混凝土入模和浇筑温度的控制

在混凝土入模和浇筑施工过程中采用多项温控措施。其具体措施如下：

3.1 抓好混凝土骨料的堆放及搅拌

混凝土骨料堆放于干燥、散热快的位置，在浇注骨料集中堆放的场所附近搭起了遮阳天棚，采用了冷却水拌和水循环系统，保证混凝土在搅拌中有利于降温散热。

3.2 抓好混凝土入模的温度控制

由于混凝土入模的温度较高，因此选取温度并不甚高的时段进行入模。尽量地减少浇筑混凝土材料的转运的次数，避开在夏季高温天气及炎热季节时段集中进行高温混凝土的浇筑施工。

3.3 抓好沥青混凝土块浇筑时段

沥青混凝土块在浇筑中温度时常会在短时间内飙升的，因此挑选在气温相对较低时段进行浇筑。由于夏季外界气温高，必须严格控制户外温度对混凝土浇筑带来的影响。在冬季施工时，主要选择正常室外温度时进行浇筑。

4 合理选用混凝土浇筑用原材料及混合配比设计

要让混凝土浇筑成形温控指标达标，应该合理选择混凝土所用的原材料及配合比设计的优化。

4.1 内外部混凝土所用水泥的选择

内部混凝土主要选择热量较低的矿渣水泥与热量较高的硅酸盐类水泥。而外部的混凝土则选取硅酸盐混凝土覆盖，这种混凝土不易裂缝，防寒抗冻、防腐蚀性都很好，也经得起风雨的打磨。

4.2 混合材料的选择

选用混合材料可以有效降低混凝土的绝热温升，对于混凝土抗裂性能有一定的改善。

4.3 外加剂的选择

适当选用添加剂，如，减水剂和缓凝剂等。减水剂的选用可减少用水量、水泥用量、有效控制绝热温升。而缓凝剂的使用可以推迟混凝土的硬化，减缓混凝土的水化热释放。

4.4 混凝土配合比设计

通过科学的配合比和砂石材料的选择，严格控制砂石材料中砂浆的最大允许含泥量，以保证混凝土强度的相对稳定性、可靠性和流动性。选用具有对混凝土性能有益的热学性质和理化特性的砂石骨料，采用了单粒级和混合粒级的混合骨料，增加混凝土骨料颗粒的总密度，减少水泥用量，提高混凝土材料的相容性和可交易性，提高混凝土的力学性能指标和结构耐久性。

5 设置温控指标并合理管控

通过设置混凝土的温度控制指标，采取合理的技术措施，理想的混凝土控制要求如下：通过对温度控制指标进行合理评估，采取有力措施，保证温度的最大临界值与其最终冷却后的温度相当接近，并确保温度具有稳定性且波动不大；混凝土的体积要基本保持不变；混凝土在可控范围内进行热胀冷缩，不会因温度的升降而影响其使用的硬度或刚度。

为了达到以上目的，应该把握好如下两个方面温度的控制指标。

（1）一方面是切实把握好混凝土的温度控制指标。其中，浇筑温度要小于28r，允许达到的内部最高温度为84℃，混凝土释放的水化热能量不得超过60℃，降温速率不宜超过2.0℃/ d。浇筑的温度也取决于环境温度，通常选取气温较低的时段进行浇筑，尽可能保证混凝土的硬化质量，遇上不可避免的炎热高温天气时，也会采用冷却水系统对其进行合理地降温，使其内部的水化热得到充分的散发，又不至于影响混凝土的质量。

（2）另一方面是强化对混凝土温差控制指标的有效管控。其中，混凝土的内外温度差不应超过25℃，养护水温与混凝土不得超过15℃，而冷却水的温度与混凝土的内部温度也不应超过25℃。确保混凝土的表面温度、表面水温、表面养护水温呈现出一种梯度的变化，以此实现温度控制的目标。

为了达到混凝土密封处理效果，选用高比热容、低导热系数的材料，可以避免混凝土在各种环境介质中散热过快。对于冷却水与混凝土内部的温差指标来说，其大小控制很大程度上取决于冷却水的通断状况，为避免冷却温度过低而导致混凝土开裂，水管周围混凝土温度应与连续冷却水温度基本相同，温度梯度应稳定。

6 采用科学的水冷却系统

混凝土降温的主要措施是采用较为先进的水冷却系统，采用的水冷却系统具有降温效果显著且高效的特点，有利于大体积混凝土的温控技术方案的落实，在混凝土里表散热条件有差异的情况下实现有效的调节。其启动运行的管控机制如下：

(1) 应该合理布设冷却水管系统，并检查试验水管的密封性是否良好，水管的布局必须合理，便于使用调节。由于风机承台的中心位置混凝土的温度要远高于周边，因此必须对中心区域的冷却水管进行适度密集地布置，做到全方位温度控制。

(2) 水冷却系统需要提前布置准备，确保能及时吸收混凝土内部的水化热，避免混凝土浇筑后的高温时段与冷却水管的温差导致冷激反应影响混凝土成形的质量。启用水冷却系统需要在初始施工阶段，现场温度的实时监测表明，早期通水有利于吸收和疏散混凝土内部的水化温度，提高混凝土的整体内部温度控制效果。而根据介质导热原理，混凝土内部的水化热在散热过程中，是会受介质影响的，应该及时启用水冷却系统，以便及时吸收和疏散混凝土内部所存储的水化热能，尽量避免浇筑后混凝土快速升温，避免水管内的冷却水产生冷震效应。

根据施工现场的实时动态数据以及密封状态下水的物理特性显示，密封状态下的水具良好的保温特性，在冷却水管内注入足量的水以后，再以相对平稳缓慢的流速进行降温。本工程的实施过程中并未对水流速实行有效地控制，但因进出水口均位于基础承台之上，因此可以通过切换进出水的通断实现技术范围内的要求。

7 采用蓄水养护并覆盖土工布保温湿养护

蓄水养护是对混凝土散热的一个重要措施，因为需要在风机承台表面上覆盖土工布进行施工，且在露天状况下，由于蓄水池是极易被蒸发的，对散热挥发效率有极大的影响对其表面进行密封处理以维持保温特性。

8 采用钢套箱模板施工

由于风机的基础承台结构选用钢套箱模板，可以缩短前期施工的准备工作时间，当基础承台的温度相对趋于一个温度相对平稳的界限值时，钢套箱模板也较为容易被拆卸，而当温度未降到稳定值时，就可以提供稳定的约束力，以保证混凝土在施工过程中尚未牢靠的基础上，不会因为散热不均匀造成温差而导致裂缝生成。

9 温度监测的布置及监测数据分析

依据机位承台设计的几何对称特性与温度变化的起伏形势，在施工过程中除布置4 层温度监测点外，还额外设立了针对环境温度、冷却水温及养护水温三处温度监测点，通过测温点可以对施工过程中的大体积混凝土的温度变化进行全方位的、动态的、实时的监控管理。

以9# 风机基础承台为例，对风机基础承台在施工过程中的混凝土温度变化控制做出具体阐述：冷却水是从浇筑开始便注入的，共计通入了22～230h，浇筑温度为18.43～21.17℃，表面最高温度约在38℃，而内部温度达到了61℃，所挥发出的水化热也稳定在浇筑温度的一到两倍，表里温差基本是13～41℃的温度变化走势、混凝土内部各层温差差异变化、表层蓄水养护的水温差变化、混凝土表面温差变化可得出，基础承台的温度始终保持在一个合理可控的范围内，在拆除了钢套箱后，也并无裂缝变形等情况，这说明钢套箱模板与蓄水养护冷却系统成功抵消了混凝土在挥发过程中而生成的温度应力，固化了基础承台的几何形体，避免了受热胀冷缩过程中而导致的变形的情况发生。

10 结语

在海上风电项目大体积混凝土承台基础施工中，通常以水冷却作为主要的降温措施，并结合优化混凝土配合比的温度控制体系，注重前期养护基本可以实现温度的合理控制。这种技术措施具体可总结为以下几点：

(1) 使混凝土的表里整体都能在温控范围之内:对大体积混凝土需采取蓄水措施进行养护，过程中为防止蒸发影响保温，还需要进行密封处理；有必要在大体积混凝土结构周围搭接保温层或铺设保温层；水冷却系统中，可在冷却水管中蓄水进行有效保温，避免温度过低对混凝土造成冷激反应，破坏混凝土的质量。

(2) 实现对混凝土温度进行持续合理掌控，就需要对水冷却系统中冷却水管内的水流流速进行有针对的限制，同时需要做出以下改进：因露天环境下有诸多不可控因素，混凝土的里表温差、表面养护水与表面温差可以在短期内略微超出界定值。在施工过程中因水冷却系统因难以合理控制水流流速，会造成大量的能量损耗，且未设置水冷却保护装置，无法保证水冷却系统始终保持在运行状态等，也有待于今后改进。