超高層高強(qiáng)混凝土泵送的綜合施工技術(shù)

段鵬舉

西安市建總工程集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710065

近年來，國內(nèi)超高層建筑日漸增多，超高泵送作為一項(xiàng)專業(yè)課題一次次被搬上建筑行業(yè)舞臺(tái)。對(duì)于超高層高強(qiáng)度、大黏度的混凝土，因其與泵管的摩擦力大，大大增大了混凝土泵輸送的壓力。為減少混凝土與泵管的阻力，需從混凝土配合比的坍落度、水灰比、擴(kuò)展度及擴(kuò)展時(shí)間、早期混凝土強(qiáng)度等方面進(jìn)行研究優(yōu)化及應(yīng)用[1-5]。

1 工程概況

南充綠地中心超高層2#樓項(xiàng)目位于南充市北部新城活力區(qū)，緊鄰高鐵站，為南充的地標(biāo)性建筑，集甲級(jí)辦公、星級(jí)酒店、高級(jí)公寓等業(yè)態(tài)為一體。工程采用核心筒＋外框柱結(jié)構(gòu)體系，建筑總高度為238 m。塔樓核心筒及外圍鋼骨柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)包括C30、C50、C55等，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。

超高層高強(qiáng)度混凝土泵送綜合應(yīng)用技術(shù)主要為：超高層混凝土輸送泵與布料機(jī)選擇技術(shù)；超高層混凝土輸送管選擇技術(shù)；超高層混凝土配合比選擇及可泵性確定技術(shù)；超高層混凝土水洗施工技術(shù)。通過此綜合應(yīng)用技術(shù)可使施工進(jìn)度加快，勞動(dòng)強(qiáng)度減輕，提高工效和質(zhì)量，節(jié)約工期，具有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

2 主要施工技術(shù)

2.1 超高層混凝土輸送泵選擇

要保證超高層高強(qiáng)混凝土順利泵送，必須使輸送泵達(dá)到相應(yīng)泵送壓力。通過理論計(jì)算與實(shí)際數(shù)據(jù)2個(gè)方面對(duì)出口壓力與功率進(jìn)行分析與計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析后確定使用相應(yīng)的輸送泵型號(hào)。

本工程結(jié)構(gòu)施工期間布置川建C7050塔吊1臺(tái)，工程采用“不等高同步流水施工”，布置1臺(tái)塔吊基本能滿足現(xiàn)場施工要求。混凝土布料機(jī)采用2臺(tái)18 m手動(dòng)式布料機(jī)，由南向北依次澆筑墻、柱、梁板。

2.1.1 混凝土泵送理論壓力的計(jì)算

混凝土泵送時(shí)的壓力P主要為三部分。第一部分P1是混凝土在泵管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受到的沿程壓力損失，包括混凝土黏性產(chǎn)生的阻力和混凝土流動(dòng)于泵管中所產(chǎn)生的摩擦阻力。第二部分P2是超高泵送時(shí)泵管中設(shè)置彎管、軟管等所產(chǎn)生的阻力損失。第三部分P3是混凝土垂直泵送時(shí)因重力所產(chǎn)生的壓力。

本工程泵送最高高度222.9 m，水平管長40 m。混凝土強(qiáng)度為C30—C55，混凝土泵管選用150 mm直徑，壁厚為9 mm。高壓輸送混凝土量理論為68 m3，即最高流速為1.37 m/s。根據(jù)現(xiàn)場情況布置8個(gè)90°彎管，1個(gè)軟管。按照公式及各項(xiàng)參數(shù)，求得最終混凝土泵送時(shí)的壓力P為15.676 MPa。

2.1.2 混凝土泵最大出口壓力的確定

理論計(jì)算時(shí)以普通混凝土作為計(jì)算依據(jù)，而在超高層項(xiàng)目中，普遍使用強(qiáng)度在C30及以上的高強(qiáng)高性能混凝土，其泵送阻力遠(yuǎn)大于普通混凝土。同時(shí)，超高層混凝土泵送壓力往往需要30%的儲(chǔ)備。考慮高強(qiáng)混凝土黏結(jié)性較強(qiáng)導(dǎo)致的摩擦力較大等原因，實(shí)際確定時(shí)較理論值增加30%的泵送壓力，最后采用SY5161THB C-8車載輸送泵，最大出口壓力為28 MPa。

2.2 超高層混凝土輸送管選擇

在超高層混凝土泵送過程中，普通的混凝土泵管無法承受相應(yīng)的壓力，且摩擦力的增加容易導(dǎo)致泵管強(qiáng)度削弱，進(jìn)而導(dǎo)致堵管、爆管等現(xiàn)象，給混凝土施工帶來了巨大的安全及質(zhì)量隱患。

2.2.1 輸送管選擇方案的確定

在單位時(shí)間內(nèi)混凝土輸送量相同的情況下，改變輸送管道的直徑對(duì)混凝土的流速、壓力、管道磨損以及混凝土在管道內(nèi)停留的時(shí)間等有直接影響。

根據(jù)本工程混凝土泵送的高度及壓力要求，輸送泵管需采用高壓泵管。為減少水平管及垂直管沿程壓力的損失，增加混凝土的流速，采用大直徑高壓輸送泵管，其不僅使混凝土沿程壓力損失減少，且能增加使用壽命。

2.2.2 輸送管選擇方案的實(shí)施

與直徑125 mm的輸送管道相比，直徑150 mm管道的流道截面積增大25%以上，單位長度沿程壓力損失減小20%以上，管道磨損速度也相應(yīng)下降。但隨著混凝土流速的降低，混凝土在管道內(nèi)的輸送時(shí)間會(huì)增加。當(dāng)泵送高度為400 m時(shí)，混凝土在直徑150 mm輸送管內(nèi)的輸送時(shí)間約12.4 min，比在直徑125 mm輸送管內(nèi)的時(shí)間增加約4 min。

本工程需泵送的混凝土總量約30 000 m3，考慮管道成本與壽命，推薦外徑150 mm、壁厚9 mm的超高壓輸送管。

在超高泵送的泵管布置中，應(yīng)盡可能減少彎管以及軟管的使用。彎管需采用90°大彎，可最大限度降低泵管內(nèi)部混凝土的摩擦阻力。隨著結(jié)構(gòu)高度增加，每次澆筑泵管高度都將增高，泵管內(nèi)的混凝土在重力作用下回流越發(fā)明顯，故進(jìn)行超高泵送時(shí)需按規(guī)范要求鋪設(shè)一段水平管，可削弱混凝土回流產(chǎn)生的壓力。參照類似的超高泵送經(jīng)驗(yàn)，水平泵管的長度須達(dá)到垂直泵管高度的1/5～1/4，泵出口管路采用近似L形連接方式，并設(shè)置混凝土墩固定（圖2）。

2.3 超高層混凝土配合比選擇

2.3.1 泵送混凝土配合比確定

圖1 泵管固定方式

超高泵送為建筑施工的一項(xiàng)綜合性技術(shù)，國內(nèi)外對(duì)此項(xiàng)工作均十分重視。對(duì)高強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行超高泵送研究，可提高超高泵送的施工質(zhì)量以及工作效率。泵送高度大于200 m時(shí)的泵送壓力較大，且泵送的混凝土黏度大、強(qiáng)度高，稍有不慎就容易堵管，給混凝土澆筑帶來一系列的技術(shù)難題。

本工程通過坍落度試驗(yàn)法（擴(kuò)展度試驗(yàn)）和壓力泌水率對(duì)可泵性進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定最佳混凝土配合比，并選擇最佳的泵送原材料。

2.3.2 泵送混凝土配合比方案的實(shí)施

1）坍落度試驗(yàn)法。本工程通過多次泵送混凝土試驗(yàn)，根據(jù)泵送所需壓力以及混凝土泵送時(shí)間，確定最優(yōu)坍落度。在南充綠地中心超高層2#樓工程超高泵送時(shí)，C60混凝土在45層泵送時(shí)的坍落度為240 mm，擴(kuò)展度為700 mm，倒坍落度筒的流下時(shí)間為13 s。

2）壓力泌水試驗(yàn)法。壓力泌水試驗(yàn)法可以測定拌和料的保水性，反映阻止拌和水在壓力下滲透流動(dòng)的內(nèi)阻力。本工程最終確定超高泵送混凝土的泌水量V140值為40～110 mL。

2.4 超高泵送的水洗施工技術(shù)

傳統(tǒng)水洗方式為：混凝土澆筑完成后打開截止閥，將海棉球塞入管口，在此過程中，泵管中的混凝土由于自重原因流下，混凝土沿泵管下流時(shí)海綿球下方出現(xiàn)真空，海綿球在壓力下向下運(yùn)動(dòng)從而清洗管道；待海綿球運(yùn)動(dòng)到7樓左右時(shí)，管道內(nèi)混凝土因阻力與自重平衡不再下落，此時(shí)必須外接一套管道，用水泵將高壓水沿管道引至7樓，從7樓處將超高壓泵管內(nèi)混凝土向下壓，流至水平管道后進(jìn)行回收使用，此時(shí)也完成了整個(gè)混凝土泵管清洗的過程。傳統(tǒng)混凝土水洗方式浪費(fèi)大量的混凝土，且在多個(gè)要素影響下，降低了超高層混凝土泵送效率。

2.4.1 水洗施工方案確定

傳統(tǒng)水洗方法需要另接一套管道，且回收的混凝土因不能重復(fù)利用而浪費(fèi)，成本高、操作復(fù)雜。而本次采用的水洗方式為直接用高壓泵進(jìn)行水洗，做到泵送與水洗為同一高度，減少混凝土浪費(fèi)及環(huán)境污染。

2.4.2 水洗施工方案的實(shí)施

本工程利用混凝土活塞、自動(dòng)補(bǔ)償間隙的眼鏡板與切割環(huán)，以及管路的良好密封性，直接用混凝土泵進(jìn)行水洗，做到泵送多高，水洗就有多高。此技術(shù)可以最大限度利用管道中的混凝土，減少浪費(fèi)和環(huán)境污染。

1）核心筒。利用輸送泵采用正洗方式，直接從出料口打入料斗內(nèi)，考慮泵的出口壓力以及混凝土的情況，最后確定可直接采用打水方式進(jìn)行水洗。

2）塔樓外框。外框采用新增一套管配合外框混凝土泵管進(jìn)行水洗，即在出料口邊新增一套洗泵用豎向直徑180 mm的鋼管，新增洗泵管位于樓板混凝土澆筑的起點(diǎn)與終點(diǎn)位置，樓板混凝土澆筑前及澆筑完畢后，采用一根軟管將出料口與洗泵管連接，將水、砂漿打到另一套管內(nèi)后直接排入積水池內(nèi)，然后人工清理運(yùn)走（圖3）。

圖2 水洗前準(zhǔn)備的水箱

3 結(jié)語

1）通過高強(qiáng)混凝土輸送泵的合理選擇，減少了后期混凝土泵送因壓力不足而產(chǎn)生堵管等現(xiàn)象，減少施工過程中的損失，確保了施工質(zhì)量。

2）通過配合比優(yōu)化，確定最佳混凝土配合比，保證了超高層高強(qiáng)混凝土的正常輸送，減少堵管現(xiàn)象，確保了施工安全。

3）采用泵車直接水洗方式，通過回抽泵管內(nèi)水及殘余混凝土，最大限度收集利用管道中的混凝土，減少浪費(fèi)和污染。