以迪拜AL HIKMA 塔樓為例談超高層混凝土泵送技術

賈慶良

(中國航空技術國際工程有限公司，北京 100000)

目前，世界各地不斷涌現(xiàn)建筑高度超過100 m的超高層建筑，且建筑主流結構仍為鋼筋混凝土結構。施工中混凝土的豎向運輸也基本依賴于各類泵機的泵送。根據(jù)結構需要，超高層設計使用的混凝土強度也隨其設計高度而提高，這就意味著混凝土的泵送難度也越大。本文以迪拜AL HIKMA塔樓混凝土泵送為例，詳細分析與混凝土泵送相關的各種因素，提出解決超高層建筑混凝土泵送的一些技術措施。

1 項目簡介

項目地處阿聯(lián)酋的迪拜酋長國，當?shù)貙儆跓釒衬詺夂?，夏?4月～10月)酷熱，氣溫高達45℃以上，11月～次年3月為冬季，氣溫不低于7℃。項目坐落在迪拜繁忙街道謝赫扎伊德路旁，項目占地2 500 m2左右。地下2層，地上62層，設計高度285 m，總建筑面積約5.7萬m2。核心筒、柱子混凝土最高強度C70，垂直運輸高度235 m(樓頂安裝50 m鋼結構造型)。采用商品混凝土，泵機安裝在地面靠近塔樓處，水平管采用L形走向，豎向管道通過電梯井垂直布置，混凝土施工作業(yè)面配備三一產(chǎn)32 m布料半徑的布料機。

2 混凝土泵送相關因素

2.1 泵機選擇

泵機的主要性能指標是泵出口壓力和排量，其中泵出口壓力表示該泵機能夠達到的最大的泵送高度，而泵機排量象征泵機在某個泵送壓力下的工作效率。選擇泵機主要考慮建筑物設計高度、泵送工藝、管路布置以及混凝土單次澆筑方量。

該項目泵送混凝土最高強度為C70，系高強混凝土。日本建筑學會在《混凝土泵送工法施工指針》中指出了用于高強混凝土泵送施工的泵送壓力的計算公式，如下:

其中，PV為垂直輸送管壓力損失，MPa;Ph為水平輸送管壓力損失，MPa;H為泵送高度，m;L為水平管長度，m;B為彎管長度，m;T為錐形管長度，m;F為軟管長度，m;η為塑性粘度。

本項目在泵出口布置了30 m水平管、90°彎頭2個;然后一直往上，豎向高度235 m管道，而布料機塔身高出操作面10 m、四節(jié)臂總長32 m、臂上彎管折算長度為37 m。由此得出式中各數(shù)值:H=245 m，L=62 m，B=40 m，T=2 m，F(xiàn)=3 m，通過實驗室測得η=1.04。將以上各數(shù)值分別代入式(1)～式(3)，最后計算得出泵送壓力P=25.7 MPa。考慮到本項目單層建筑面積平均650 m2左右，單層豎向結構和水平結構分開澆筑施工，除底板、地下室方量較大外，標準層最大單次澆筑方量150 m3左右。商混運輸車常規(guī)運載方量8 m3，每小時泵送4車即能滿足生產(chǎn)需要?？紤]到生產(chǎn)工序間歇等因素，泵車的高壓排量在50 m3/h即可。

綜合上述兩個指標并結合經(jīng)濟性等因素，最終決定采用中聯(lián)重科生產(chǎn)HBT110.26.390RS型混凝土輸送泵，泵送性能曲線見圖1。高壓狀態(tài)下泵送出口壓力26 MPa，高壓輸送泵排量73 m3/h，由于計算數(shù)值在最不利狀態(tài)下完成，因此此型號泵機能夠滿足生產(chǎn)需要。并且該泵整機動力采用兩臺柴油機分別驅動兩套泵組，應用雙動力功率合流技術，平時兩套泵組同時工作，當一組出故障時可切斷該組，另一組仍維持50%的排量繼續(xù)工作，避免因單臺設備故障導致施工中斷造成的停工及混凝土浪費等損失。

圖1 泵送性能曲線

2.2 混凝土泵送性能

混凝土在泵送管道中心形成柱狀流體，呈懸浮狀態(tài)流動。流體表面包有一層水泥砂漿，水泥砂漿層則作為一種潤滑劑與管壁接觸，而粗骨料之間基本上不產(chǎn)生相對運動。影響混凝土泵送性的因素包括水泥種類、水泥含量、粗骨料質量、砂質量、砂含量、水灰比、外加劑種類、砂漿含量、容積密度、坍落度等。下面詳細介紹這些因素對混凝土泵送性能的影響以及建議。

2.2.1 水泥

水泥在泵送中的作用一是膠結作用，使混凝土中的骨料始終保持懸浮，運動中被液相物質包裹的狀態(tài);二是潤滑作用，減少混凝土與泵、管道之間以及混凝土內(nèi)部的摩擦阻力，使其呈現(xiàn)出良好的流動性。1)水泥種類影響。水泥根據(jù)化學成分大致可劃分為六類:硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥、礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、復合水泥。由于不同種類水泥化學成分以及研磨細度不同，表現(xiàn)出的硬化速度、保水性等也不同。硅酸鹽水泥、火山灰水泥的保水性好，礦渣水泥保水性差，而使用粉煤灰水泥的混凝土有較好的流動性，但早期泌水性較大。2)水泥含量影響。水泥含量要保持一定范圍才能有利于混凝土的泵送。用量過大將導致混凝土粘度增大，加大其運動阻力。水泥用量過小混凝土運動中阻力大，也容易發(fā)生泌水甚至離析，從而導致混凝土無法泵送。根據(jù)研究，泵送混凝土中水泥的含量至少為320 kg/m3。

2.2.2 粗骨料

1)粗骨料種類。粗骨料一般分為碎石和卵石，從利于泵送性能角度講卵石優(yōu)于碎石。2)粗骨料質量。針片狀的骨料表面較為鋒利(見圖2)，運動中容易刺破混凝土團，加大混凝土的運動阻力，一般要求針片狀含量小于5%?？紫堵瘦^大的粗骨料因為其吸收周圍液相物質能力較強，也導致混凝土泵送性能差。3)粗骨料尺寸。一般把粗骨料尺寸與輸送泵管直徑的比例作為控制指標。不同的泵送高度對此指標要求不同，根據(jù)經(jīng)驗，泵送高度50 m以下時，粗骨料是碎石時不宜大于1∶3，卵石則不宜大于1∶2.5;泵送高度在50 m～100 m時，宜在1∶3～1∶4范圍內(nèi);泵送高度在100 m以上時，宜在1∶4～1∶5之間。4)粗骨料級配。根據(jù)混凝土運動原理，粗骨料之間的空隙越小，混凝土團外面液相物質越豐富，混凝土的運動阻力越小，也就是泵送性越好。因此，要求粗骨料有均勻級配。遇到級配不合理時，可以考慮幾種料混合使用，從而減少骨料間的空隙。

圖2 針片狀的骨料

圖3 全自動液壓逆止閥

2.2.3 砂

1)砂的質量。砂過細導致水泥、水用量增大，過粗容易造成混凝土離析。細度模數(shù)控制在中砂2.3～3之間，并且小于0.315 mm的顆粒不少于15%，小于0.6 mm的不少于5%。

2)砂含量。砂含量過小，容易導致混凝土泌水甚至離析，含量過大，會造成混凝土流動性變差。過大過小均不利于混凝土泵送性能，根據(jù)實踐經(jīng)驗，泵送混凝土的含砂率宜控制在38% ～45%之間。這個數(shù)值也要具體根據(jù)所用粗骨料種類、尺寸等選擇，碎石大于卵石，粗骨料最大粒徑小的大于粒徑大的。

2.2.4 水灰比

從水和水泥反應的示例圖可以看出:水灰比過低導致水泥顆粒不能充分發(fā)生水合反應，導致水泥團中存在氣孔，不利于混凝土流動性。水灰比過高，將導致混凝土空隙中存在多余的水，導致混凝土發(fā)生泌水甚至離析。根據(jù)經(jīng)驗及實驗結論，最佳水灰比在0.4 ～0.6之間。

2.2.5 外加劑

不同類型的外加劑對混凝土泵送性能也有不同作用。比如聚羧酸基外加劑存在保塑性能高，混凝土坍落度的經(jīng)時損失小以及抑制混凝土泌水離析的作用相對較好等特點，這些特點有利于提高混凝土泵送性能。另外，目前市場還開發(fā)了多種泵送劑等產(chǎn)品來解決混凝土泵送問題。

2.2.6 砂漿含量

混凝土中的砂漿由水泥、水、氣孔以及0 mm～2 mm的骨料組成。砂漿的含量對混凝土的流動性、泵送性有著較大影響。因粗骨料最大粒徑的不同，對砂漿的含量要求也不同。最大粒徑32 mm時，砂漿含量不小于450 dm3/m3;最大粒徑16 mm時，砂漿最大含量不小于500 dm3/m3。

2.2.7 坍落度

坍落度大小決定于水灰比和水泥漿含量，是混凝土流動性的主要指標。坍落度過小，混凝土流動性差，不易泵送;坍落度過大，混凝土易發(fā)生泌水甚至離析，在管道中砂漿與粗骨料分離，導致無法泵送。依據(jù)經(jīng)驗，坍落度在200 mm～230 mm之間時，混凝土泵送性最佳。

2.3 現(xiàn)場操作

現(xiàn)場的操作、管理細節(jié)對超高層混凝土泵送也比較重要。在本項目中重點從如下幾方面采取了一些應對措施以利于超高層混凝土泵送作業(yè)的完成。

2.3.1 應對高溫、交通擁堵

由于項目所在地夏季氣溫高達45℃以上，而混凝土在高溫狀態(tài)下坍落度損失很快，這將直接導致泵送性變差。因此，操作中必須采取措施，防止混凝土在運輸、泵送過程中坍落度的過分損失。1)混凝土攪拌時摻入冰水，從而降低出料溫度;2)運輸車輛用帆布包裹，一是防曬，二是保溫;3)輸送管道用麻袋等包裹，起到防曬、保溫作用;4)組織好施工，盡量加快澆筑速度，減少混凝土滯留時間;5)盡量安排夜間施工，一是為了氣溫低一些，二是夜間交通較為順暢。

2.3.2 優(yōu)化泵送流程

開泵前先泵一料斗清水，然后泵送潤泵砂漿，砂漿方量可按照每10 m管道0.1 m3計算，彎管等應該按照比例折合成直管計算。

2.3.3 優(yōu)化管路布置

因本項目泵送高度較高，停泵期間管道內(nèi)混凝土對泵有較大背壓，如果此時眼鏡板等密封不良，則會產(chǎn)生局部漏漿等現(xiàn)象，使局部混凝土粗骨料堆積，易發(fā)生堵管。鑒于本項目場地狹窄，不便多布置水平管，故采取在泵出口附近管路上加設全自動液壓逆止閥以解決此問題(見圖3)，同時還方便洗泵、維修等操作。

2.3.4 加強泵機使用管理

1)由于泵機運行時會產(chǎn)生較大作用力，為了減少因管道晃動或側移引起的管卡爆裂，采用自制鋼圈固定泵送管道。另外應及時清洗泵機以及管路，防止因管道臟導致堵管。為了方便清洗管路，本項目在樓頂工作面加設一套壓縮空氣清洗設備。在發(fā)生局部管路堵塞時，水平管通過泵機用水清洗，豎向管以及泵機管道則用壓縮空氣設備清洗。2)安排班組對管路進行經(jīng)常性檢查，以減少或避免泵送中途停頓。為了便于檢查管道壁厚，專門采購了便攜式超聲測厚儀，發(fā)現(xiàn)壁厚超標管道及時更換。3)超高層泵送中由于泵送壓力較大，泵機混凝土活塞容易發(fā)生破損。需要經(jīng)常檢查水斗狀況，發(fā)現(xiàn)異常水泥漿或者底部存留細砂時要及時更換活塞，避免混凝土缸發(fā)生嚴重磨損。4)加強泵機與澆筑作業(yè)面的上下溝通聯(lián)絡也很重要，受建筑物高度影響，傳統(tǒng)的靠目測、對話等方式的溝通已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場需要。本項目為泵機司機和作業(yè)面工長配備了對講機以便溝通聯(lián)絡。

3 結語

迪拜AL HIKMA塔樓泵機的選擇、混凝土質量控制以及操作技巧的應用基本囊括了超高層混凝土泵送全部因素。超高層混凝土的泵送不僅技術上涵蓋多個領域知識，還需要多個部門相互協(xié)作配合。只有在實踐中不斷積累相關經(jīng)驗，注意到每個細節(jié)，才能做到較高工作效率以及獲得較好的經(jīng)濟效益。

［1］鄭 捷.混凝土泵送壓力的幾種計算方法［J］.商品混凝土，2009(9):43-44.

［2］JGJ/T 10-95，混凝土泵送施工技術規(guī)程［S］.

［3］中聯(lián)重科混凝土輸送泵使用說明書［Z］.