超高泵送混凝土施工技術(shù)在超高層建筑工程的應(yīng)用

魏春春，楊盼龍，張保衛(wèi)

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

0 引言

泵送混凝土越來越多地運(yùn)用到各項(xiàng)工程中，而當(dāng)輸送高度達(dá)到一定程度時(shí)，對(duì)輸送泵、輸送管線、混凝土的工作性能的要求就會(huì)越來越嚴(yán)格。為防止在泵送過程中發(fā)生離析、堵管等現(xiàn)象，保證混凝土的質(zhì)量，不僅需要加強(qiáng)對(duì)原材料、混凝土配合比、混凝土狀態(tài)的控制，還要確定合適的泵送設(shè)備、布設(shè)合理的輸送管道、制定合理的施工措施。

1 工程概述

中交匯通橫琴?gòu)V場(chǎng)工程3號(hào)塔樓，建筑面積124 622 m2，地下部分4層，地上部分62層，結(jié)構(gòu)高度299.4 m，建筑高度309.4 m。

結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土框架+核心筒+伸臂桁架結(jié)構(gòu)，核心筒豎向結(jié)構(gòu)（標(biāo)高0~44.05 m）及2道伸臂桁架層（第1道標(biāo)高93.55~110.05 m、第2道標(biāo)高191.05~207.55 m）的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C60自密實(shí)混凝土，標(biāo)高44.05~212.05 m除伸臂桁架層以外均為C60混凝土，標(biāo)高212.05-252.55 m為C50混凝土，標(biāo)高252.55-299.4 m為C40混凝土。

2 混凝土原材料的選擇及配合比設(shè)計(jì)

2.1 混凝土原材料的選擇

表5 試配混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table5 Strength test results of mixed concrete

1）細(xì)骨料為中砂，試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果如表1[1]。

表1 砂主要性能指標(biāo)實(shí)測(cè)表Table1 Main performance indexes of sand

2）粗骨料選用粒徑5~20 mm、5~25 mm的連續(xù)級(jí)配碎石，屬于花崗巖，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 碎石主要性能指標(biāo)實(shí)測(cè)表Table2 Main performance indexes of crushed stone

3）膠凝材料選用普通硅酸鹽水泥42.5R，域級(jí)粉煤灰，S75級(jí)礦粉。外加劑選用SP-1聚羧酸緩凝型高效減水劑。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

超高泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)必須滿足：和易性良好、流動(dòng)性好、黏度較小、無離析泌水現(xiàn)象，易于泵送且滿足28 d強(qiáng)度和耐久性要求；自密實(shí)混凝土還需滿足規(guī)范對(duì)自密實(shí)性能的要求[2]。自密實(shí)性能指標(biāo)符合表3要求。

表3 自密實(shí)拌合物的性能及要求Table3 Performance and requirements of selfcompacting mixtures

通過一系列實(shí)驗(yàn)，最終確定了7組砂率合理、水膠比最佳、符合施工泵送要求的配合比，具體如表4[3]。

表4 核心筒混凝土配合比Table4 Concrete mix ratio of core tube

2.3 混凝土的性能試驗(yàn)及分析

1）物理力學(xué)性能試驗(yàn)分析

按表4的試驗(yàn)配合比試拌，配制成型150 mm的立方體試塊，每組配比制作4組試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別在7 d和28 d進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，見表5，符合規(guī)范要求[4]。

2）拌合物的工作性能分析

經(jīng)試拌驗(yàn)證，拌合物流動(dòng)性良好，保水性和黏聚性均滿足要求[5]；且在1.5 h后坍落擴(kuò)展度的損失較小，滿足實(shí)際運(yùn)距的要求，見表6。從表6中可得每組配合比試塊在7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度即可滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 試配混凝土拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果Table6 Performance test resultsof test mix of concrete

3 泵送設(shè)備及管路選型

3.1 混凝土管道布置

1）高壓泵定位

本工程選用2臺(tái)型號(hào)為HBT9035CH-5S混凝土高壓泵進(jìn)行混凝土的超高泵送工作，在塔樓核心筒電梯井筒內(nèi)布置2臺(tái)型號(hào)為HGY21布料機(jī)負(fù)責(zé)布料。高壓泵的擺放位置綜合考慮了方便攪拌車喂料、機(jī)操手操作且不阻礙施工現(xiàn)場(chǎng)交通等因素，并且確保水平管路長(zhǎng)度不小于垂直管路長(zhǎng)度的1/5。

2）水平管道布置

垂直向上配管時(shí)，隨著高度的增加，混凝土勢(shì)能增加，存在回流的趨勢(shì)，因此在混凝土泵和垂直配管之間敷設(shè)一定長(zhǎng)度的水平管道。水平泵管配管時(shí)，長(zhǎng)度不宜小于垂直泵管的1/5。

本工程綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地，確定水平泵管長(zhǎng)度為70 m，泵送布置3套泵管，為減少泵管投入，優(yōu)化與2號(hào)泵機(jī)所接的2套水平泵管走向，實(shí)現(xiàn)了泵管共用。每套水平泵管，在距離泵機(jī)出料口6 m左右處設(shè)置1個(gè)液壓截止閥。

3）垂直管道布置

根據(jù)水平泵管布設(shè)規(guī)劃，垂直管道共布置3套，其中，核心筒西側(cè)1套，東側(cè)2套。在樓板上預(yù)留250 mm伊250 mm的方形洞口，便于泵管從樓層穿過。垂直管道預(yù)留孔平面布置如圖1。

4）泵送管道的固定

水平泵管固定采用管道夾加鋼筋混凝土支墩的固定方式。泵管安裝后保持同一水平。支墩布置間距為3耀4 m，保證每根泵管下均有1個(gè)支墩固定，每個(gè)支墩采用2個(gè)管道夾固定。

垂直泵管固定在混凝土墻體上，每隔4耀5 m設(shè)置1個(gè)固定點(diǎn)，泵管穿過樓板預(yù)留孔后采用木楔楔緊。

圖1 垂直管道預(yù)留孔平面布置圖Fig.1 Plane layout of reserved hole of vertical pipeline

3.2 泵送設(shè)備選型

1）泵管壓力計(jì)算

泵送設(shè)備的選型受泵送高度、泵送方量、混凝土配合比等因素的影響。因此，需要從工程實(shí)踐角度對(duì)泵送混凝土所需高壓泵的出口壓力進(jìn)行計(jì)算。核心筒豎向結(jié)構(gòu)澆筑布料選用HGY21布料機(jī)，布料機(jī)高度2.7 m，混凝土泵送垂直高度為302.1 m?；炷帘盟退鑹毫Γ?/p>

式中：P1為混凝土在管道內(nèi)流動(dòng)的沿程壓力損失；P2為混凝土在垂直高度方向因重力產(chǎn)生的壓力；P3為混凝土經(jīng)過彎管的局部壓力損失。

依據(jù)公式[6]：式中：駐PH為單位長(zhǎng)度的沿程壓力損失，Pa/m；L為管道總長(zhǎng)，垂直管道長(zhǎng)度302.1 m，水平管長(zhǎng)度70 m，布料機(jī)管道長(zhǎng)度21.0 m，管道總長(zhǎng)393.1 m；d為泵管直徑，mm，內(nèi)徑125 mm；K1為黏著系數(shù)，Pa，取 K1=（3.00-0.01）伊102=100 Pa；S 為混凝土坍落度，取200 mm；K2為速度系數(shù)，Pa·s/m，取K2=（4.00-0.01）伊102Pa·s/m；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為混凝土在管道內(nèi)的平均流速，m/s；當(dāng)排量在40 m3/h時(shí)，流速約0.9 m/s；a2為徑向壓力與軸向壓力之比，取0.90。

計(jì)算得：

式中：籽為混凝土密度，取2 400 kg/m3；g為重力加速度，取10 m/s2；H為泵送高度，按302.1 m計(jì)算；P3=13伊0.1+0.1+0.2=1.6 MPa

90毅彎管：R=1.0 m（3根），R=0.5 m（10根），每個(gè)彎管壓力損失0.1 MPa；截止閥1個(gè)，壓力損失0.1 MPa；分配閥1個(gè)，壓力損失0.2 MPa。

由上述計(jì)算得出，垂直泵送混凝土至302.1 m高，泵的出口壓力計(jì)算值P=12.63 MPa，考慮20%的壓力富余量，則有12.63伊1.2=15.16 MPa。

2）設(shè)備及泵管選用

綜合考慮，選用型號(hào)為HBT9035CH-5S的高壓泵（出口壓力35 MPa），泵管選用準(zhǔn)143伊9 mm厚（125規(guī)格）高強(qiáng)度耐磨混凝土輸送管。在核心筒電梯井筒內(nèi)布置2臺(tái)HGY21布料機(jī)，隨爬模平臺(tái)同步爬升。布料機(jī)平面布置見圖2。

圖2 布料機(jī)平面布置圖Fig.2 Plane layout of the feeder

3）管壁厚及抗壓能力校核

泵管材質(zhì)為耐磨合金鋼復(fù)合材料（45Mn2），泵管抗拉強(qiáng)度[滓]t取885 MPa[7]。根據(jù)規(guī)范，管道設(shè)計(jì)厚度的計(jì)算公式[8]為：

式中：ts為直管計(jì)算厚度，mm；P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；Do為管子外徑；[滓]t為在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；Ej為焊接接頭系數(shù)；Y為系數(shù)。

其中，當(dāng)ts

泵管規(guī)格采用準(zhǔn)143伊9（內(nèi)徑125 mm）管道，水平段長(zhǎng)度為 70 m，Do=143 mm，[滓]t=885 MPa，P=35 MPa，則：

綜合考慮各類施工中的情況，在設(shè)計(jì)管道時(shí)，取安全系數(shù)k=2.0，故輸送管理論壁厚t=k伊ts=5.56 mm。因此選用準(zhǔn)143伊9 mm厚（125規(guī)格）高強(qiáng)度耐磨混凝土泵管能夠滿足泵送壓力的要求。

4 泵送施工工藝及操作要點(diǎn)

4.1 泵送操作工藝流程

泵送施工工藝流程見圖3。

圖3 泵送施工工藝流程圖Fig.3 Flow chart of pumping construction process

4.2 操作要點(diǎn)

1）泵送前準(zhǔn)備

泵機(jī)操作人員要對(duì)泵機(jī)進(jìn)行全面檢查，尤其對(duì)易損件做細(xì)致檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換，按設(shè)備保養(yǎng)制度定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，確保設(shè)備在零故障下運(yùn)行。

2）泵送開始

本工程采用節(jié)水潤(rùn)管法工藝，順序?yàn)椋罕蒙倭克蛹兯嘞{寅泵送砂漿寅泵送混凝土。需要注意的是，泵送水量應(yīng)不少于150 kg，需要9個(gè)行程完成，料斗加入純水泥稀漿時(shí)先用砂漿墊底至眼鏡板吸料口下沿，純水泥稀漿水灰比為0.45，加入量約0.15 m3。另外，在泵送管道未被混凝土打通前，需要控制泵送頻率不宜高于10次/min。

3）泵送過程

泵送過程中，通過調(diào)節(jié)泵機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力來調(diào)節(jié)泵送速度，如果泵送速度過快、壓力過大，極易對(duì)泵機(jī)活塞及末端B型管造成損壞。因此，掌握好泵送壓力十分關(guān)鍵，一般情況下液壓系統(tǒng)壓力控制在20 MPa范圍內(nèi)。泵送過程中，需要保持泵送工作連續(xù)進(jìn)行，保證泵管內(nèi)的混凝土處于流動(dòng)狀態(tài)。遇到混凝土供應(yīng)不足或中斷時(shí)，需要保證泵機(jī)的攪拌軸不高于料斗內(nèi)的混凝土，避免混凝土缸吸入空氣。在等料期間，為了避免混凝土在泵管內(nèi)初凝，需要泵機(jī)每15 min進(jìn)行正反泵操作。

4.3 管道清洗

水洗法是常用的一種洗管方法，在泵送結(jié)束后，先泵送砂漿，砂漿量控制在0.5耀1 m3，隨后再泵送水，直到布料機(jī)出口出現(xiàn)清水為止。

1）在泵送接近結(jié)束時(shí)，預(yù)估泵管內(nèi)剩余的混凝土能夠滿足澆筑結(jié)束，此時(shí)觀察料斗內(nèi)的混凝土，當(dāng)混凝土處于攪拌軸以下時(shí)停止泵送并將截止閥關(guān)閉。再將預(yù)先拌合好的水泥砂漿加入料斗內(nèi)，砂漿量控制在1.5 m3左右，將砂漿泵送至泵管內(nèi)。

2）放掉料斗內(nèi)的剩余砂漿并反泵清除，將紙質(zhì)水泥袋和海綿球塞入到三通管處。

3）開始在料斗內(nèi)注入水并進(jìn)行泵送，泵送壓力達(dá)到4耀6 MPa時(shí)打開截止閥，直至布料機(jī)出口出水時(shí)停止泵送，關(guān)上截止閥。立起布料機(jī)臂架，拆開泵機(jī)出口處三通管的蓋板，打開截止閥，管道內(nèi)的水受重力作用呈噴射狀沖出；水流完后，關(guān)上截止閥，將布料機(jī)臂架調(diào)整與水平成約5毅夾角，從布料機(jī)出口處將水注滿輸送管，打開截止閥，讓水再?zèng)_洗管道。

4）反泵清除錐管、S管、缸內(nèi)的混凝土殘留物，直至清洗干凈。

5 結(jié)語

通?；炷潦墚?dāng)?shù)夭牧系挠绊懕容^大，相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)虿牧系淖兓瘜?duì)一些工作性能產(chǎn)生較大的影響。通過對(duì)混凝土拌合物的試驗(yàn)，校驗(yàn)了影響混凝土泵送的相關(guān)參數(shù)，確定了滿足本項(xiàng)目超高層泵送混凝土的技術(shù)要求；根據(jù)建筑物的高度和結(jié)構(gòu)平面形狀，確定了輸送管道的布設(shè)，并針對(duì)混凝土泵送過程中的常見問題提出了具體的解決方法。為類似超高層工程提供參考。