一种海上风电导管架灌浆材料及其施工方法【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。[0002]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。[0003]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-0S-J101《Design of Offshore Wind Turbine Structures》的定义:灌衆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。[0004]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。[0005]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。
[0006]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。
[0007]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:
[0008]硅酸盐水泥:25.0-40.0% ；
[0009]硫铝酸盐水泥:1.0-5.0 % ；
[0010]石英砂:45.0-55. 0% ；
[0011]外加剂:5.0-15.0% ;
[0012]所述水的加入量为适量。
[0013]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:
[0014]硅酸盐水泥:25.0-40.0% ；
[0015]硫铝酸盐水泥:1.0-5.0% ；
[0016]石英砂:45.0~55.0 % ；
[0017]外加剂:5.0-15.0% ;
[0018]所述干料与水的质量比为:1:0.078-0.082。
[0019]优选的，所述硅酸盐水泥选自P.052.5硅酸盐水泥。具体的，所述P.052.5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。
[0020]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。
[0021]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GB T14684-2011《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。
[0022]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:
[0023]10-20 目石英砂:10.0-20.0% ；
[0024]20-40 目石英砂:25.0-35.0% ；
[0025]40-80 目石英砂:30.0-45.0% ；
[0026]80-120 目石英砂:20.0-35.0V0o[0027]更优的，所述连续级配石英砂的细度模数为2.8-3.5。
[0028]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。
[0029]优选的，所述水为自来水。
[0030]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。
[0031]具体的，所述外加剂，以质量百分比计，包括如下组分:
[0032]复合矿物超细粉:60.0~85.0% ;
[0033]减水剂:2.0 ~5.0% ;
[0034]聚合物:1.0 ~4.0% ;
[0035]复合膨胀剂:8.0~25.0% ;
[0036]消泡剂:1.0 ~3.0% ;
[0037]早强剂:1.5 ~5.0% ;
[0038]缓凝剂:0.10 ~0.20%。
[0039]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。
[0040]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:
[0041]硅粉:30.0 ~45.0% ;
[0042]超细粉煤灰:40.0~50.0% ;
[0043]超细矿渣粉:5.0-25.0% ；
[0044]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。
[0045]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。
[0046]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。
[0047]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。
[0048]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。
[0049]更优的，所述聚合物为醋酸乙烯一乙烯共聚物。具体的，所述醋酸乙烯一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。
[0050]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。
[0051]更优的，所述消泡剂为粉末状高效消泡剂。
[0052]更优的，所述早强剂为适用于硅酸盐水泥的速凝早强剂。
[0053]更优的，所述缓凝剂为柠檬酸三钠。
[0054]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。[0055]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:
[0056]I)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；
[0057]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。
[0058]较佳的，所述干料混合时间为15-20分钟。
[0059]较佳的，所述干料加入拌合水充分搅拌时间为300-500秒。
[0060]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。
[0061]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。
[0062]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。
[0063]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。
[0064]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。
[0065]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。
[0066]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。
[0067](I)低用水量:I吨灌浆干料用水量仅为78kg~82kg，水固比仅为0.078~0.082:
1
[0068](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、l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%。
[0069](3)优异的力学性能:灌衆材料I天抗压强度≥50MPa、3天抗压强度≥85MPa、7天抗压强度≥IOOMPa,28天抗压强度≥120MPa，长期抗压强度(≥56天)≥130MPa。
[0070](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0.5X IO^mVs ；28天硬化浆体抗冻等级≥F800。[0071](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。



[0072]图1显示为本发明的海上风电导管架灌浆连接示意图
[0073]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
[0074]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
[0075]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
[0076]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
[0077]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 [0078]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
[0079]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，Sfflax为疲劳试验的应力比，logN1(l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

[0080]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。
[0081]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。
[0082]以下实施例中使用的设备如下:
[0083]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)
[0084]实施例1灌浆材料中组分原料的选取
[0085]1、水泥
[0086]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。
[0087]水泥I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I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。[0088]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。
[0089]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。
[0090]表1水泥的物理力学性能指标测试结果
[0091]