机制砂混凝土在风机基础中应用研究

文摘 2025-01-06 07:09 河南

0引言

风力发电是国家鼓励支持的可再生清洁能源，在诸多地区得到快速发展，由此需要投入较大资金进行基础设施建造。然而风电项目施工管理难度大，建设成本高。尤其是近年来出现全国性的“砂石荒”，引发河砂价格大涨，且天然砂短时间内不可再生，发展机制砂是大势所趋。然而，采用机制砂代替河砂后，混凝土材料力学性能产生何种变化，还需进一步明确。

王柳南等研究了不同水灰比、水泥和石粉用量情况下，机制砂混凝土抗碳化性能的变化规律。

孙小磊开展以洞渣花岗岩为原料的机制砂混凝土配合比优化研究，给出不同等级混凝土适宜的水胶比。

杨智文以坍落度、扩展度和抗压强度为指标，研究发现砂率增大会降低混凝土强度。

李阳等基于试验数据建立水灰比与混凝土强度之间的关系模型。

韩玉虎等从机制砂形态和级配方面，分析二者对水泥砂浆工作性能的影响。

此外，一些学者在机制砂混凝土的高温、收缩、徐变性能等方面开展相关研究，并得出有益成果，此处不再赘述。

上述研究为机制砂的推广应用提供了理论支撑，同时也指出水灰比对机制砂混凝土强度影响较为显著。鉴于此，本文从机制砂混凝土力学性能和建造成本两方面开展研究，从而确保机制砂能够在风机基础工程中得到应用。

1混凝土性能试验

1.1原材料准备

本工程所用机制砂原材料取自项目当地，为保证其质量符合工程应用，取两组机制砂并委托第三方检测单位对机制砂原材料性能指标进行检测，其级配曲线见图1，相关检测结果如表1所示。

通过对两组机制砂筛分并根据规范计算确定细度模数分别为2.5和2.6，所用机制砂属于II级配区中砂。从表1检测结果可知，本工程所用机制砂物理性能指标均符合规定，满足使用要求。对于如水泥、石子、外加剂等其他原材料同样开展相关检测，性能均符合标准要求，此处不再赘述。

1.2混凝土配合比

为配置强度等级为C40的混凝土，首先采用公式（1）确定其配置强度：

f_cu,0=f_cu,k+τσ（1）

式中：f_cu,0，f_cu,k分别为配置强度和设计强度；τ,σ分别为混凝土强度保证系数和标准差，其中子值取1.645，σ值与混凝土等级有关，对于C40混凝土，其值取5。随后利用公式（2）确定混凝土水灰比：

式中：ɑ_a，ɑ_b为经验系数，分别取0.53和0.2；fce，g为水泥强度等级；γ_c取值参考《普通混凝土配合比设计规程》及相关工程经验，最终取值为1.08。

经式（2）可最终确定混凝土水灰比为0.46。最后根据坍落度设计值为120-180，碎石的最大粒径31.5mm，以及CX-8减水剂等信息，综合确定混凝土配合比，结果见表2所示（作为对比，同样给出河砂对应配合比），表中数字为质量比（kg/m³），采用机制砂后各材料变化幅度见图2所示。

结合表2与图2可知，在达到C40混凝土强度的情况下，机制砂代替河砂施工，在材料品种不变的条件下，采用机制砂为细骨料后，水、砂、掺合料（粉煤灰）的用量减少，其中以掺合料降低幅度最大，达到18%，水泥、碎石、减水剂的用量增加，水泥用量增加幅度最大为8.5%，总体来说采用机制砂对其他材料品种用量影响较小。

1.3强度试验结果

为保证混凝土强度符合工程要求，对采用机制砂作为细骨料的混凝土开展强度试验，每种工况试样个数为3个，养护条件分为标准养护和同等条件养护两种情况，分别测定3天、7天以及28天三种龄期下混凝土强度，结果如图3所示。

根据试验结果可知，在两种养护条件下，不同龄期的机制砂混凝土强度均高于河砂混凝土。对于28天龄期混凝土强度，在标准养护条件下，河砂混凝土强度平均值为48.4MPa，机制砂混凝土强度平均值为54.3MPa，较前者提高了12.2%。在同条件养护下，河砂与机制砂混凝土强度平均值分别为46.3MPa和52.7MPa，后者较前者提高了13.8%，远大于工程要求混凝土设计强度40MPa。综上可知，采用机制砂代替河砂后，混凝土强度完全符合工程建设需要。

2工程案例分析

2.1工程概况

宁德虎贝风电场工程项目位于福建省宁德市蕉城区虎贝镇和洋中镇，是省级重点项目，计划投资约5.5亿元，有30台2.0MW风电机组，总规模60MW。项目建成后预计年发电量近1.293958亿千瓦时，每年可节约标准煤4万吨、减排二氧化碳12.94万吨，对福建省及周边省份具有重大影响。

2.2机制砂成本分析

在本项目建造过程中，因环保限制河砂开采，导致河砂产量锐减。采用河砂为原材料，供应不稳定，每立方河砂价格较前期上涨50～80元不等，导致细骨料原材料成本大幅增加，此外本项目工期较长，后续河砂仍面临价格继续上涨风险，给本项目成本控制带来较大挑战。因此，寻找适宜材料代替河砂不仅对本工程具有重要意义，对相似工程同样具有深远影响。

机制砂原材料来源很广，非金属矿石、金属矿石、河道里边的卵石、建筑垃圾中的混凝土结构都可以作为机制砂的原材料。若用机制砂替代河砂作为风机基础混凝土细骨料施工，具有供应稳定、成本较低的优势。为进一步了解机制砂价格优势，以宁德虎贝风电工程单台风机需求量为例，进行项目现场细骨料进场价格对比（含运费），结果见表3所示（单台风机基础约需混凝土483m3，根据C40配合比设计）。

根据表3可知，单台风机基础在使用机制砂替代河砂条件下，细骨料成本由89778降低到60516，节约成本约为29262元，节约幅度高达32.6%。由此可知，在保证工程质量的前提下，采用机制砂代替河砂具有明显价格优势。再者，机制砂代替河砂可极大程度缓解河砂开采带来的环境危害问题，具有显著的社会价值。综上可知机制砂混凝土具有重大推广应用价值。

3结论

本文以实际工程为依托，从混凝土抗压强度和经济性两个角度讨论了风机基础中采用机制砂代替河砂的合理性，得出如下结论：

（1）采用机制砂代替河砂，对混凝土其他材料用量影响较小，其中水泥用量增幅最大，掺合料用量降幅最多。

（2）不同养护条件下机制砂混凝土不同龄期下抗压强度均大于河砂混凝土，且大于C40混凝土抗压强度设计值，符合工程建设要求。

（3）单个风机基础混凝土采用机制砂代替河砂后，细骨料费用可节省约3万元，且机制砂来源广泛，符合环保要求，经济效益与社会效益显著，具有推广价值。

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