超高層建筑物混凝土泵送技術(shù)研究

□文/王惠生 康宇華

超高層建筑物混凝土泵送技術(shù)研究

□文/王惠生 康宇華

在現(xiàn)代的建筑工程施工領(lǐng)域，泵送商品混凝土的使用已經(jīng)十分廣泛。對(duì)于超高層建筑，象泵輸送高度無法滿足施工要求，同時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)高、粘性大，對(duì)混凝土輸送泵的性能要求更高。文章結(jié)合工程實(shí)例，將超高混凝土泵送技術(shù)研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，形成一套超高層建筑的成熟綜合施工技術(shù)。

超高層；混凝土；泵送；建筑物

在現(xiàn)代的建筑工程施工領(lǐng)域，泵送商品混凝土的使用已經(jīng)十分廣泛。對(duì)于超高層建筑，象泵輸送高度無法滿足施工要求，同時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)高、粘性大，對(duì)混凝土輸送泵的性能要求更高。

1　工程概況

泰安道五號(hào)院工程主塔樓為超高層建筑，建筑高度251.2 m，混凝土結(jié)構(gòu)泵送最大高度約235 m，主塔樓結(jié)構(gòu)共用混凝土約30 474 m3，每層混凝土用量約879 m3，地上結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)見表1。

表1　構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)

2　施工泵管布置

2.1布置原則

1）對(duì)于高泵程混凝土施工，要最大可能的降低輸送管道的總壓力，在管路設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少?gòu)澒?、椎管的?shù)量，盡量采用大彎管。

2）泵管布置按一次性布置到位，盡量減少拆裝。

3）當(dāng)垂直高度較高或受場(chǎng)地限制時(shí)，只靠設(shè)置水平管難以平衡逆流壓力，則宜在輸送管的錐形管和直通管之間設(shè)置插閥管（亦稱插管），在停止泵送時(shí)關(guān)閉插閥管以防止混凝土倒流。

2.2現(xiàn)場(chǎng)布置情況

高壓泵安置在主樓浙江路一側(cè)，自主樓D～E軸間設(shè)置約25m水平管，采用彎頭拐至4軸電梯井中并設(shè)置豎向管道，管道進(jìn)入樓內(nèi)后在4～5軸間加設(shè)2個(gè)彎頭結(jié)合約5m的水平管進(jìn)入電梯井道，垂直布管至7層，結(jié)合彎頭及水平管，水平布置至5軸樓梯間內(nèi)與布料桿進(jìn)料口進(jìn)行連接，見圖1-圖4。

圖1　泵管布置剖面

圖2　首層泵管布置

圖37　層泵管布置

圖4　泵管布置

根據(jù)施工部署，核心筒剪力墻混凝土要先于樓板及鋼管混凝土柱進(jìn)行澆筑，核心筒施工進(jìn)度要比樓板領(lǐng)先2層，為此，在澆筑樓板及鋼管柱混凝土?xí)r，將作業(yè)層高度的一節(jié)豎直管拆下，利用彎管與水平管相接，從而澆筑樓板及鋼管柱混凝土。

2.3泵管布置相關(guān)計(jì)算

1）泵管水平長(zhǎng)度換算見表2。

表2　水平管長(zhǎng)度換算m

根據(jù)表2內(nèi)容，混凝土泵送的水平管長(zhǎng)度換算為1156m。

2）壓力損失計(jì)算見表3。

表3　壓力損失計(jì)算

續(xù)表3

經(jīng)計(jì)算，混凝土輸送壓力損失為7.5MPa。

2.4管道的固定

對(duì)于高泵程的施工作業(yè)，采用的混凝土泵的出口壓力很大，均在20MPa以上，泵送時(shí)產(chǎn)生的作用力很大，一旦泵管發(fā)生爆管現(xiàn)象，后果將非常嚴(yán)重，為了施工安全，如何固定好泵管就十分重要。

水平管道采用混凝土墩為基礎(chǔ)安裝管道固定架，每隔4m設(shè)置一個(gè)，盡量不使混凝土泵的振動(dòng)傳遞給垂直管，避免產(chǎn)生爆管現(xiàn)象的發(fā)生。1～7層在電梯井中的垂直管采用在核心筒剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)埋固定件，管道與埋件進(jìn)行固定，對(duì)于7層以上穿過樓板的豎直管，在其四周搭設(shè)腳手架，以加固泵管，見圖5。

圖5　泵管加固

把新的、無磨損的管子或管壁厚的管子配置在管路開始處及轉(zhuǎn)彎處，以防管內(nèi)壓力過高爆管。必要時(shí)采用超聲波測(cè)厚儀檢驗(yàn)壁厚，若管子長(zhǎng)期使用磨損較大，在壓力大處一律調(diào)換新管。

2.5泵管的磨損檢測(cè)

由于高壓泵的泵送壓力大，泵管如若破損，產(chǎn)生爆管，不但影響施工，甚至?xí)＜暗街車说娜松戆踩?，后果將十分?yán)重，為保證泵管的可靠性，性能良好的泵管以及泵管的磨損檢測(cè)就十分必要，為滿足施工要求，本工程采用45MN2耐磨管道。

進(jìn)場(chǎng)后及每次混凝土澆筑前，采用DC-2000B測(cè)厚儀，配PT12探頭，測(cè)量范圍1.2～200.0 mm，對(duì)泵管進(jìn)行逐一檢測(cè)，對(duì)于壁厚＜4 mm的堅(jiān)決進(jìn)行退場(chǎng)或更換處理，不得投入使用。

采用管壁測(cè)量法。測(cè)量時(shí)，探頭分割面可分別沿管材的軸線或垂直管材的軸線測(cè)量。在管道的橫切面的二方向進(jìn)行測(cè)量，取其中最小值為厚度值。

測(cè)量前，所有測(cè)量點(diǎn)所需準(zhǔn)備：在被測(cè)體表面使用耦合劑；利用除銹劑、鋼絲刷或砂紙?zhí)幚肀粶y(cè)體表面；在同一點(diǎn)附近多次測(cè)量。

所選管與普通管性能比較見表4。

表4　特制耐磨超高壓管與普通管性能比較

3　機(jī)械的選擇

3.1泵送的關(guān)鍵因素

混凝土泵送的關(guān)鍵因素見表5。

表5　混凝土泵送的關(guān)鍵因素

3.2泵的選擇

經(jīng)過比較多個(gè)廠家的產(chǎn)品，為滿足施工需要，結(jié)合實(shí)際情況，決定選用三一重工生產(chǎn)的HBT90CH-2128D型號(hào)混凝土泵，見表6。

表6　HBT90CH-2128D技術(shù)參數(shù)

3.3混凝土泵工作能力驗(yàn)算

3.3.1混凝土泵的實(shí)際平均輸出量

式中：Q1為每臺(tái)混凝土泵的實(shí)際平均輸出量，m3/h；Qmax為每臺(tái)混凝土泵的最大輸出量，m3/h；α1為配管條件系數(shù)，取0.8；η為作業(yè)效率，取0.6。

則Q1=ηα1Qmax=0.8×0.6×70=33.6（m3/h）

3.3.2混凝土在水平輸送管內(nèi)流動(dòng)每米產(chǎn)生的壓力損失計(jì)算

K1=300-S1

K2=400-S1

式中：△PH為混凝土在水平輸送管內(nèi)流動(dòng)每米產(chǎn)生的壓力損失，Pa/m；r為混凝土輸送管半徑，m；K1為粘著系數(shù)，Pa；K2為速度系數(shù)，Pa·s/m；S1為混凝土坍落度，本工程為200 mm；為混凝土泵分配閥切換時(shí)間與活塞推壓混凝土?xí)r間之比，取0.3；V2為混凝土拌和物在輸送管內(nèi)的平均流速，取0.76 m/s；α2為徑向壓力與軸向壓力之比，取0.9。

則K1=300-S1=300-200=100（Pa）

K2=400-S1=400-200=200（Pa·s/m）

3.3.3混凝土最大泵送阻力計(jì)算

式中：Pmax為混凝土最大泵送阻力，MPa；L為各類布置狀態(tài)下混凝土輸送管路系統(tǒng)的累計(jì)水平換算距離，m；△PH為混凝土在水平輸送管內(nèi)流動(dòng)每米產(chǎn)生的壓力損失，（Pa/m）；Pf為混凝土泵送系統(tǒng)附件及內(nèi)部壓力損失，MPa。

3.3.4混凝土泵的最大水平輸送距離計(jì)算

式中：Lmax為混凝土泵最大水平輸送距離，m；Pe為混凝土泵額定工作壓力，MPa。

3.3.5最大混凝土出口壓力的確定

在一般的泵送施工經(jīng)驗(yàn)中，混凝土泵的最大出口壓力比實(shí)際所需壓力高，多出的壓力儲(chǔ)備用來應(yīng)付混凝土變化引起的異?，F(xiàn)象，避免堵管。而對(duì)于本工程這樣的超高層建筑的混凝土泵送，其他意外因素很多，要求的可靠性更高，顯然應(yīng)有更多的壓力儲(chǔ)備。因此，根據(jù)計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)，確定泵的最大出口壓力為28MPa。

3.4超高壓泵技術(shù)特點(diǎn)

3.4.1雙動(dòng)力結(jié)構(gòu)

為保證施工過程的可靠性，BT90CH-2128D采用2臺(tái)柴油機(jī)分別驅(qū)動(dòng)2套泵組，應(yīng)用這種雙動(dòng)力功率合流技術(shù)，平時(shí)兩套泵組同時(shí)工作，當(dāng)一組出故障是切斷改組，另一組仍維持50%的排量繼續(xù)工作，避免施工過程中斷造成損失，提高施工過程的可靠性，保證混凝土施工的連續(xù)性。

3.4.2全自動(dòng)高低壓切換

液壓系統(tǒng)高低壓泵送模式切換過程全部由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)所需要的壓力不同，按一個(gè)按鈕就在瞬間完成切換，不需停機(jī)，便于施工人員操作。

3.4.3眼鏡板和切割環(huán)

液壓系統(tǒng)高低壓泵眼鏡板的反推力，導(dǎo)致密封失效，而這一對(duì)耦合件間的密封性是保證超高層泵送的關(guān)鍵。泵機(jī)通過優(yōu)化S管的流線減小反推力，同時(shí)采用高預(yù)緊力技術(shù)使切割環(huán)與眼鏡板緊密貼合，保證可靠密封。

1）動(dòng)密封。主要是間隙自動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)主要依靠圖6中2的橡膠材料的彈性來推動(dòng)3切割環(huán)與4眼鏡板緊密連接，消除間隙。

圖6　動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

2）靜密封。管道密封為錐面定心、O型密封圈密封結(jié)構(gòu)，以防止密封圈因高壓從管夾的間隙中擠出，導(dǎo)致壓力泄露，造成漏漿堵管。

3.4.4耐超高壓的管道系統(tǒng)

在超高壓泵送施工中，管道內(nèi)壓力最大達(dá)到28 MPa，而且超高壓管道通常長(zhǎng)度、重量較大，一旦發(fā)生堵管，受施工環(huán)境的影響，拆裝很不方便，所以需要采用特制耐磨管道。

特質(zhì)耐磨管道采用合金鋼特制，經(jīng)過特殊淬火處理，壽命比普通Q345鋼管提高3～5倍，保障了管道的抗爆能力和耐磨損壽命。

4　主要施工方法

4.1混凝土澆筑和振搗

4.1.1核心筒混凝土施工

混凝土一次泵送到位，將混凝土澆筑于液壓爬模內(nèi)，每層澆筑至樓承板下皮標(biāo)高，振搗棒振搗密實(shí)。

4.1.2樓承板混凝土施工

混凝土一次泵送到位，平板式振搗器振搗密實(shí)。在專用鋼筋馬凳上鋪腳手板作為澆筑馬道，以防鋼筋被踩變形。過程中派專人看護(hù)鋼筋，調(diào)整糾偏。

樓承板混凝土的虛鋪厚度要略厚于板厚，采用平板振搗器振搗且沿澆筑方向振搗，用平板振搗器借助標(biāo)高線用卷尺隨時(shí)檢查混凝土厚度及表面標(biāo)高。振點(diǎn)均勻排列、逐點(diǎn)移動(dòng)、順序進(jìn)行、不得遺漏。振搗完畢后用木抹子搓壓、拍實(shí)兩遍并用鐵抹子找平。

4.1.3鋼管混凝土施工

鋼管混凝土的配合比等相關(guān)技術(shù)要求采用高位拋落自密實(shí)混凝土，其自身的技術(shù)性能良好，流塑性較普通混凝土高很多。為保證鋼管混凝土的澆筑施工質(zhì)量，鋼管內(nèi)的空氣能夠排出，確?；炷恋拿軐?shí)度，施工澆筑時(shí)利用布料桿澆筑，稍微加以振搗，以保證施工質(zhì)量。對(duì)于個(gè)別布料桿臂桿無法到達(dá)的位置，使用塔吊配合漏斗澆筑，輔以振搗。

4.2混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完畢后，在12 h以內(nèi)及時(shí)采取覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)措施并保持濕潤(rùn)，嚴(yán)防脫水、裂縫。

1）核心筒剪力墻混凝土采用澆水養(yǎng)護(hù)，澆水次數(shù)以保證混凝土墻面呈潮濕狀態(tài)為準(zhǔn)。

2）樓承板混凝土澆筑完畢后，在12 h內(nèi)必須用塑料薄膜覆蓋，保濕養(yǎng)護(hù)。

3）混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于7d。

4）冬季施工期間，混凝土采用綜合蓄熱法養(yǎng)護(hù)，覆蓋塑料薄膜，然后蓋雙層防火草簾被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5）冬季施工需對(duì)混凝土內(nèi)部及外部環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，控制混凝土內(nèi)外溫差，嚴(yán)格控制內(nèi)外溫差＜25℃。

4.3混凝土試驗(yàn)及記錄

1）坍落度試驗(yàn)。從現(xiàn)場(chǎng)混凝土罐車出料口取出一定量的混凝土做坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)人員須按要求認(rèn)真填寫相關(guān)記錄。

2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊制作。每一層現(xiàn)澆混凝土均按照相關(guān)規(guī)范要求，留置相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊。

3）同條件試塊制作。常溫條件下根據(jù)不同部位留置同條件試塊。

4）混凝土抗壓強(qiáng)度，以邊長(zhǎng)100 mm的立方體試塊，在溫度（20±2）℃和相對(duì)濕度為95%以上的潮濕環(huán)境或水中的標(biāo)準(zhǔn)條件下，經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后試壓確定。試塊必須在現(xiàn)場(chǎng)制作，在入模前取樣。

4.4冬季泵管保溫

結(jié)構(gòu)施工跨越2個(gè)冬季，為保證冬季施工中泵管內(nèi)的混凝土不受凍，除在混凝土的配合比、水泥強(qiáng)度等級(jí)方面做出相應(yīng)調(diào)整外，對(duì)于混凝土泵管也必須采取相應(yīng)的措施。采用巖棉保溫管，選取的保溫管內(nèi)徑須大于泵管外徑，將保溫管剖開，包裹于混凝土泵管外，以達(dá)到泵管保溫的效果。

5　施工技術(shù)要點(diǎn)

5.1直接水洗技術(shù)

5.1.1概述

傳統(tǒng)的超高層泵送管路清洗方式是在混凝土澆筑完成后，將海綿球塞入澆筑層的管頭，再打開截止閥，則管路中混凝土因自重作用而下降，在下降的時(shí)候造成真空將海綿球吸下從而清洗管壁，等到海綿球被吸到一定高度時(shí)，管中混凝土因流動(dòng)阻力與自重壓力平衡，再利用水泵泵送高壓水，來清洗平衡位置以下的管路，此種清洗方法十分繁瑣且浪費(fèi)資源。

本工程選用的HBT90CH泵機(jī)采用的為三一重工專利技術(shù)的混凝土活塞，自動(dòng)補(bǔ)償磨損間隙的專利眼鏡板、切割管以及管路的良好密封性，采用水洗技術(shù)，直接用混凝土泵泵送水洗。水洗輸送管可最大限度的利用管道中的混凝土，減少混凝土浪費(fèi)以及對(duì)施工環(huán)境的污染。

5.1.2水洗原理與方法

海綿塞的水洗方法在高度上受限制，一定高度以上時(shí)，若仍用海綿塞，由于海綿塞不能完全對(duì)高壓水密封，滲過海綿塞的高壓水形成小激流，流速比海綿塞快，從而沖走混凝土的砂漿，使海綿塞前的石子越積越多，而且石子與壁管摩擦力為滑動(dòng)摩擦，摩擦阻力大，再加上石料自重，當(dāng)水流推力不足以克服石料自重和阻力時(shí)，就會(huì)發(fā)生堵管。而采用水洗方法時(shí)，用混凝土泵直接泵水清洗且不用海綿塞，其原理幾乎與泵送混凝土的原理完全一樣。剛開始時(shí)，水會(huì)沖擊砂漿，形成一堆石子和過渡層，之后，在高壓水柱的強(qiáng)大層流作用下，高壓水柱推動(dòng)石子、過渡層和混凝土同速前進(jìn)，石子與壁管摩擦為滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，不會(huì)出現(xiàn)石子越積越多的現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)泵送多高，水洗多高。當(dāng)澆筑層的管頭出現(xiàn)過渡層混凝土（與正?；炷敛灰粯樱?，用斗承接過渡層的混凝土，直到出水。然后反抽，首先殘留石子在自重作用下，沉入管路底層，反抽形成真空，在高層水柱壓力作用下，將殘留石子吸壓回料斗，如此完成整套管路清洗。

使用該種水洗技術(shù)，還可以滿足施工操作面的消防要求，一旦操作面發(fā)生火情，使用混凝土泵將消防用水泵送至操作面。為滿足消防的用水量，須有足夠的消防水儲(chǔ)備，以保證水量和水壓。

5.2混凝土配合比注意事項(xiàng)

5.2.1水泥用量

適用于超高層泵送混凝土的水泥用量必須同時(shí)考慮強(qiáng)度和可泵型，水泥用量少?gòu)?qiáng)度達(dá)不到要求，過大則混凝土的粘性大、泵送阻力增大進(jìn)而增加泵送難度，而且降低吸入效率。

5.2.2粗骨料

常規(guī)的泵送作業(yè)要求最大骨料粒徑與管徑之比≯1∶3；在超高層泵送中因管道內(nèi)壓力大易出現(xiàn)離析，此比例宜＜1∶5，而且其中的尖銳扁平的石子要少，以免增加水泥用量。

5.2.3坍落度

普通泵送作業(yè)中混凝土的坍落度在160 mm時(shí)最利于泵送，坍落度偏高易離析、低則流動(dòng)性差。在超高層泵送中為減小泵送阻力，坍落度宜控制在180～200 mm，同時(shí)為防止混凝土離析可摻入沸石粉以減少泌水。

5.2.4粉煤灰及外加劑

粉煤灰和外加劑復(fù)合使用可顯著減少用水量，改善混凝土拌和物的和易性。但由于外加劑品種較多，對(duì)粉煤灰的適應(yīng)性也各不相同，其最佳用量應(yīng)通過試驗(yàn)來確定。

6　結(jié)語

在泰安道五號(hào)院工程的超高層混凝土泵送施工過程中，通過優(yōu)化混凝土配合比、正確施工方法的研究及采用，解決了混凝土離析、堵管、泵送密封、泵送施工工藝以及水洗等技術(shù)問題，成功實(shí)現(xiàn)了超高層混凝土的泵送施工。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.013

□康宇華/天津建工工程總承包公司。

□TU528.53

□C

□1008-3197（2015）02-32-05

□2015-03-23

□王惠生/男,1980年出生，工程師，天津建工工程總承包公司，從事施工技術(shù)管理工作。