超高泵送機(jī)制砂混凝土配制及工程應(yīng)用

呂劍鋒

摘要：超高層建筑的發(fā)展，促進(jìn)了超高泵送混凝土生產(chǎn)配制技術(shù)的發(fā)展和泵送混凝土施工技術(shù)的發(fā)展。云南省范圍內(nèi)的機(jī)制砂普遍存在含粉量高、粒型較差的特征，所生產(chǎn)混凝土和易性較差且粘度較高，不易泵送。本文基于云南省地方材料特征，選取強(qiáng)度等級(jí)為C50、C55、C60混凝土為研究對(duì)象，配制出滿足泵送300m高程流動(dòng)性能優(yōu)良，粘度低，易泵送的高性能超高泵送混凝土，并通過(guò)控制混凝土的可泵性指標(biāo)、優(yōu)化泵送混凝土生產(chǎn)施工工藝參數(shù)等措施，確保了工程質(zhì)量。

Abstract： The development of ultra-high buildings promotes the development of the production and preparation technology of ultra-high pumping concrete and the construction technology of pumping concrete. The machine-made sand in Yunnan Province has the characteristics of high powder content and poor grain type， and the produced concrete has poor workability and high viscosity， so it is not easy to pump. Based on the characteristics of local materials in Yunnan Province， this paper selectes concrete with strength grades of C50， C55， and C60 as the research object to make a high-performance ultra-high pumping concrete with excellent flow performance， low viscosity， and easy pumping at an elevation of 300 meters， and by controlling the pumpability index of concrete and optimizing the construction process parameters of pumped concrete it ensures the project quality.

關(guān)鍵詞：超高泵送混凝土;機(jī)制砂;工作性

Key words： ultra-high pumping concrete;machine-made sand;working performance

中圖分類號(hào)：TU528.53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0114-04

0? 引言

超高層建筑的發(fā)展，帶動(dòng)了科技的進(jìn)步，促進(jìn)了高性能混凝土生產(chǎn)配制技術(shù)的發(fā)展和泵送混凝土施工技術(shù)的發(fā)展[1]。目前云南省在建的設(shè)計(jì)高度超過(guò)200m的超高層建筑項(xiàng)目多達(dá)十幾個(gè)，云南省超高層混凝土配制及應(yīng)用技術(shù)距離國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)水平差距較大，超高層建筑混凝土的研究，可以促進(jìn)省內(nèi)建筑行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，也是外部市場(chǎng)環(huán)境的要求。

對(duì)于高度大于300m的超高層建筑而言，混凝土泵的輸出壓力將近20MPa，而混凝土在超高壓泵送過(guò)程中容易產(chǎn)生泄漏，從而導(dǎo)致混凝土離析、堵管等諸多問(wèn)題[2]，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)C50以上的高性能混凝土單位水泥用量多、水用量少、黏度大，這更加大了超高層泵送的困難，給整個(gè)施工澆筑過(guò)程帶來(lái)一系列有待探討的技術(shù)難題[3]。

本論文依托昆明市某地標(biāo)性建筑物，其建筑高度為349m，針對(duì)云南省地方原材料特征及施工技術(shù)水平，在保證超高泵送混凝土強(qiáng)度及耐久性的前提下，以提高混凝土可泵送性能和易泵送性能為出發(fā)點(diǎn)，選取滿足泵送高度300m的C50、C55、C60配制和混凝土超高泵送技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，配制出流動(dòng)性能優(yōu)良，粘度低，易泵送的超高泵送混凝土。

1? 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥選用東駿P·O 52.5水泥，性能指標(biāo)見(jiàn)表1;采用昆鋼嘉華S75級(jí)?；郀t礦渣粉，性能指標(biāo)見(jiàn)表2;采用昆明環(huán)恒二級(jí)粉煤灰，性能指標(biāo)見(jiàn)表3;粗骨料采用5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量< 1.0%，無(wú)堿活性;細(xì)骨料采用山砂與水洗砂混合，混合后顆粒級(jí)配屬Ⅱ區(qū)中砂，含泥量<3.0%，無(wú)堿活性;外加劑采用云南建投高分子材料有限公司生產(chǎn)的針對(duì)該工程的降黏型聚羧酸減水劑。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土的坍落度、擴(kuò)展度、倒提時(shí)間測(cè)試方法參照《普通混凝土拌和物性能測(cè)試方法》GB/T 50080;混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件;混凝土耐久性試驗(yàn)參照《普通混凝長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》GB/T 50082進(jìn)行，包括混凝土電通量測(cè)定和非接觸收縮試驗(yàn)。

1.3 配合比

超高泵送混凝土對(duì)于混凝土內(nèi)聚性和流動(dòng)性要求較高，為保證其工作性能指標(biāo)滿足300m高程泵送要求，結(jié)合云南省地方原材料特征，基于體積法，并結(jié)合包裹粗骨料砂漿膜厚度的方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化。前期研究成果表明：骨料裹漿厚度與坍落度擴(kuò)展度存在一定關(guān)聯(lián)性，在骨料裹漿厚度為0.6～2mm范圍內(nèi)，隨著骨料裹漿厚度的增加，坍落度基本呈增加的趨勢(shì)。即在裹漿厚度為0.6～2.0mm范圍內(nèi)，隨著骨料裹漿厚度的增大，擴(kuò)展度先明顯升高;當(dāng)骨料裹漿厚度較高超過(guò)2.0mm時(shí)，擴(kuò)展度趨于穩(wěn)定;裹漿厚度超過(guò)2.3mm，混凝土可泵性能明顯下降。經(jīng)計(jì)算優(yōu)化，確定配合比參數(shù)見(jiàn)表4。

2? 混凝土性能

2.1 混凝土工作性能及力學(xué)性能

可泵性控制指標(biāo)體系包括含氣量、坍落度、擴(kuò)展度、T500、倒提時(shí)間、塑性粘度、坍落度經(jīng)時(shí)損失等技術(shù)參數(shù)，超高層泵送混凝土性能指標(biāo)參考范圍見(jiàn)表5。

經(jīng)試配取樣，混凝土工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表6。

強(qiáng)度等級(jí)為C50的高性能超高層泵送混凝土，拌合物坍落度可達(dá)235mm，倒置時(shí)間控制在4s以內(nèi)，拌合物內(nèi)聚性優(yōu)良，滿足泵送300m工作性指標(biāo)要求。強(qiáng)度等級(jí)為C60的高性能超高層泵送混凝土，拌合物坍落度達(dá)240mm，擴(kuò)展度為650mm以上，倒置時(shí)間控制在3.5s左右，既具有優(yōu)良的流動(dòng)性，同時(shí)具有優(yōu)異的內(nèi)聚性，滿足泵送300m的指標(biāo)要求。C50及C60新拌混凝土工作性見(jiàn)圖1。

早期強(qiáng)度指標(biāo)3d可達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85～89%，7d強(qiáng)度最高可達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%，28d強(qiáng)度超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度120%，可確保在施工過(guò)程中，滿足基本強(qiáng)度指標(biāo)要求。

2.2 混凝土耐久性能

采用電通量法測(cè)定混凝土抗氯離子滲透性能，結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知，對(duì)于C50、C55、C60混凝土抗氯離子滲透性能，且隨著強(qiáng)度等級(jí)的提升，電通量逐漸減小，混凝土抗氯離子滲透能力增強(qiáng)，達(dá)到Q-Ⅳ級(jí)，滿足設(shè)計(jì)要求。C50以上混凝土膠凝材料總量增多，混凝土密實(shí)度增強(qiáng)，氯離子較難滲透，因此在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，適當(dāng)提高膠凝材料總量有助于提高混凝土抗氯離子滲透能力。

在溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（60±5）%的恒溫恒濕條件下，超高層建筑混凝土早期收縮性能的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

各強(qiáng)度等級(jí)超高層建筑混凝土約15h左右體積收縮趨于平緩，隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，早期收縮率呈上升趨勢(shì)，體積平緩后，其收縮量同樣隨強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大。特別是5～10h時(shí)間區(qū)間內(nèi)，其收縮量均超過(guò)40%，C60最高可達(dá)80%。因此，對(duì)于超高泵送混凝土，隨強(qiáng)度等級(jí)的提高，早期收縮率增加。

超高泵送混凝土收縮開(kāi)裂性能指標(biāo)見(jiàn)表9。

由表7可知，相同泵送節(jié)點(diǎn)高度的混凝土，隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面和最大裂縫寬度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，適當(dāng)摻量的粉煤灰有利于提高混凝土的抗裂能力，各強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗裂等級(jí)均表現(xiàn)出較好的體積穩(wěn)定性，達(dá)到L-Ⅲ級(jí)。

混凝土硬化過(guò)程中的收縮和強(qiáng)度不足是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因，礦物摻合料的摻入可以有效減少水化熱，縮小硬化過(guò)程中各部分之間的溫度差，從而減輕各個(gè)部分之間因溫差過(guò)大引起不均勻收縮而導(dǎo)致的裂紋[5]。

分別測(cè)定碳化3d、7d、14d、28d后混凝土碳化層深度，結(jié)果見(jiàn)表10。

各強(qiáng)度等級(jí)混凝土3d、7d未見(jiàn)碳化;碳化14d齡期， C50～C60超高層建筑混凝土均出現(xiàn)不同程度碳化，但碳化層深度較淺;碳化至28d，最深碳化層深度為3mm;隨強(qiáng)度等級(jí)提高，膠凝材料總量增多，其碳化相同齡期碳化層深度呈減小趨勢(shì)。各強(qiáng)度等級(jí)超高泵送混凝土抗碳化性能均達(dá)到T-Ⅳ級(jí)。

3? 超高泵送混凝土施工質(zhì)量控制

3.1 輸送設(shè)備選擇

根據(jù)混凝土澆筑計(jì)劃、施工現(xiàn)場(chǎng)的地形，水平及垂直最大輸送距離等泵送條件選擇合適的混凝土泵，其泵送能力應(yīng)有一定的儲(chǔ)備，以保證輸送順利、避免堵管。根據(jù)與國(guó)內(nèi)外同高度的超高建筑對(duì)比，混凝土輸送泵宜選擇超高壓混凝土泵，最大出口壓力為40MPa。該工程選用中聯(lián)重科生產(chǎn)的HBT90.40.572RS及HBT110.26.90RS混凝土高壓泵，泵送設(shè)備指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表11。

3.2 超高泵送泵管布置及固定

泵管布置先考慮布置原點(diǎn)，以布管原點(diǎn)為布管的起始點(diǎn);布管時(shí)要科學(xué)、穩(wěn)固，泵機(jī)出口壓力對(duì)泵管管道的附加沖擊荷載很大，為確?；炷帘盟桶踩?，對(duì)水平管道、首層豎向90°彎頭采用混凝土墩進(jìn)行加固，需將泵管布置在同一水平標(biāo)高上，確保泵管順直、等高[6]。

實(shí)際布管時(shí)，應(yīng)將管道等高連接并固定，泵管通過(guò)鋼墩固定，鋼墩鋪設(shè)后用U型卡固定泵管，垂直泵管直接用U型卡固定在墻壁上，防止泵管在混凝土泵送過(guò)程中容松動(dòng)漏漿甚至堵管。

泵管布置時(shí)泵管線路應(yīng)盡量短，應(yīng)盡量減少異型管道集中和數(shù)量，降低混凝土泵送阻力，禁止將3個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)件連續(xù)布置，以免形成壓力梯度，造成混凝土堵塞。同時(shí)彎管曲率半徑盡量大，管道接頭處密封不漏漿，輸送管的鋪設(shè)便于清洗、拆裝和更換[7]。

混凝土泵管采用內(nèi)徑125mm的超高壓泵管，泵管壁厚為10mm，采用耐磨合金鋼復(fù)合材料制作。超高壓泵管采用采用法蘭螺栓或圓環(huán)卡扣進(jìn)行緊固連接，泵管規(guī)格分為3m、2m、1m三種，彎管有90°、135°、150°、165°四種?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)工程需要，另外配備多種規(guī)格的異形管。為了控制混凝土澆筑，另外配備混凝土泵管截止閥。

3.3 超高泵送混凝土施工工藝

超高泵送混凝土施工前泵機(jī)操作人員及維護(hù)人員應(yīng)徹底檢查泵機(jī)狀態(tài)，更換所有易損件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，前后臺(tái)應(yīng)保證通訊暢通。在澆筑面附近應(yīng)備有水源，用于清洗。泵送過(guò)程中采用泵送少量水、泵送純水泥漿、泵送砂漿、泵送混凝土的工藝流程。在泵送過(guò)程中，應(yīng)注意泵送速度的控制以泵機(jī)的液壓系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般情況下液壓系統(tǒng)壓力不宜超過(guò)20MPa，壓力過(guò)大時(shí)，活塞容易損壞，末端B型管道容易爆破;確保泵送連續(xù)性，當(dāng)下一車(chē)混凝土還沒(méi)到之前，可放慢混凝土輸送速度，直到下一車(chē)混凝土到達(dá)，方可進(jìn)入正常泵送速度（確保管道內(nèi)的混凝土一直處于流動(dòng)狀態(tài)）;當(dāng)混凝土供應(yīng)中斷，應(yīng)保證料斗內(nèi)的混凝土不低于攪拌軸，在等料過(guò)程中，泵機(jī)需每15分鐘進(jìn)行正反泵操作（避免管道內(nèi)的混凝土初凝）;泵送過(guò)程中，混凝土泵料斗內(nèi)的混凝土應(yīng)不低于攪拌軸（避免混凝土缸吸入空氣）;每車(chē)混凝土到達(dá)時(shí)，需在泵送前對(duì)混凝土進(jìn)行檢測(cè)，合格方可泵送。

管道清洗采用超高壓水系技術(shù)，針對(duì)200m以上垂直高度管道的超高壓水洗方法：管道中不加海綿球，而是加入1～2m3的砂漿進(jìn)行泵送。由于在混凝土與水之間有一較長(zhǎng)段的砂漿過(guò)渡段，不會(huì)出現(xiàn)混凝土中砂漿與粗骨料分離的狀況，保證了水洗的順利進(jìn)行。而且水洗可將殘留在輸送管內(nèi)的混凝土全部輸送至澆筑點(diǎn)，幾乎沒(méi)有混凝土浪費(fèi)。（圖4）

該超高層建筑核心筒61層M段于2018年8月30日順利澆筑完畢，標(biāo)志著該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)完成封頂。辦公樓混凝土結(jié)構(gòu)高度302.95m，共計(jì)混凝土約13萬(wàn)方。該工程中C60高強(qiáng)高性能超高泵送混凝土度等級(jí)高，泵送高度近200m，且膠凝材料用量較大，混凝土粘度大、泵送壓力可達(dá)到20MPa左右。選取泵送高度200mC60高強(qiáng)高性能超高層泵送混凝土實(shí)際澆筑過(guò)程對(duì)其工作性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，如表12所示。

混凝土運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)用時(shí)1h左右，運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)坍落度250mm，擴(kuò)展度610mm，倒提時(shí)間3s，混凝土溫度較出廠上升3℃，坍落度餅中心無(wú)骨料堆積;出泵后倒提時(shí)間2.5s，坍落度230mm，擴(kuò)展度550mm，混凝土狀態(tài)柔和，無(wú)骨料堆積，無(wú)漿體析出，總體工作性能滿足施工要求。C60泵送混凝土工作性能較好，泵送設(shè)備排量控制在50%左右，泵送壓力18～20MPa。

4? 結(jié)論

①經(jīng)配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整，配制的C50～C60超高泵送混凝土坍落度大于235mm，擴(kuò)展度大于670mm，倒提時(shí)間控制在3.5s以內(nèi)，滿足泵送300m高程工作性能指標(biāo)要求;其28d強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度120%，抗氯離子滲透性能、早期收縮性能、抗碳化性能和體積穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

②嚴(yán)格控制生產(chǎn)及澆過(guò)程中混凝土工作性能指標(biāo)，以擴(kuò)展度和倒提時(shí)間控制為主，坍落度控制為輔。澆筑推薦的控制參數(shù)如下：入泵坍落度≥220mm，擴(kuò)展度≥550mm且≤700mm，倒提≤4s;出泵坍落度≥200mm，擴(kuò)展度≥450mm且≤550mm，倒提≤5s?，F(xiàn)場(chǎng)目測(cè)混凝土工作性能，坍落度餅中心骨料若出現(xiàn)堆積，周?chē)猩皾{析出，且取樣靜置后表面砂漿浮漿超過(guò)50mm，不建議進(jìn)行泵送。

③超高層泵送泵管的布置應(yīng)滿足等高原則，避免形成壓力梯度;泵管的固定必須采用預(yù)埋件，防止泵送過(guò)程泵管擺動(dòng)，泵管布置必須穩(wěn)定，泵送壓力造成的泵管擺動(dòng)會(huì)增大混凝土泵送過(guò)程中的坍落度損失。

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