超高層混凝土泵送施工工藝

陳柏宏 田偉 魏建勛 鄂巍巍 鄒仙德

中國(guó)建筑第八工程局有限公司，中國(guó)·遼寧 大連 116023

1 引言

早在2004—2010年，迪拜哈利法塔施工過(guò)程中，混凝土就曾被成功泵送至位于160 層的611m 高處。近年來(lái)，隨著超高層建筑施工經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，300m 以上的超高層建筑越來(lái)越多，混凝土超高泵送技術(shù)漸趨成熟。但實(shí)際施工過(guò)程中，仍面臨配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)施工堵泵風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題需解決。在泵送壓力損失估算與泵送機(jī)械設(shè)備選型中，現(xiàn)有規(guī)范對(duì)于高性能混凝土，尤其是以擴(kuò)展度表征其流動(dòng)性能的混凝土，其壓力損失計(jì)算仍以坍落度為計(jì)算參數(shù)。隨著高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，現(xiàn)有泵送壓力損失計(jì)算公式有待完善。泵送施工過(guò)程中，項(xiàng)目層級(jí)的改進(jìn)措施有許多，論文將簡(jiǎn)要闡述超高層泵送施工技術(shù)，為超高層泵送施工策劃提供一些經(jīng)濟(jì)合理的施工建議。

2 工程設(shè)計(jì)概況

埃及新首都CBD 標(biāo)志塔項(xiàng)目，工程建筑高度385.800m，地下2 層，地上78 層。主體結(jié)構(gòu)類型為鋼管混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。核心筒剪力墻BS 層－L04 層砼標(biāo)號(hào)為C80，L05 層以上剪力墻砼標(biāo)號(hào)為C60；梁、混凝土樓板、壓型鋼板組合樓板與筏板基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號(hào)為C45；鋼管混凝土圓柱混凝土標(biāo)號(hào)為下部C80，上部C60。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 混凝土組成成分與基本要求

混凝土主要由水泥漿和骨料組成，骨料的主要組成：

粗骨料：天然砂，人工砂。

細(xì)骨料：普通骨料（碎石、卵石）石子最大粒徑限值參照GB50204 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范要求?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)與優(yōu)化要求合理的石子的顆粒級(jí)配，比表面積與孔隙率的平衡。具體見(jiàn)圖1。

圖1 規(guī)范中對(duì)粗細(xì)骨料的材料要求

3.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)難點(diǎn)與監(jiān)管重點(diǎn)

高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)主要有以下幾點(diǎn)：

①各地區(qū)摻合料質(zhì)量，性能差別大；

②現(xiàn)行規(guī)范不能直觀判斷膠凝材料對(duì)需水量，外加劑的適應(yīng)性；

③區(qū)域不同，混凝土配合比沒(méi)有可復(fù)制性；

④材料選擇因地制宜；

⑤對(duì)于大體積混凝土，高性能配合比設(shè)計(jì)方案尚需考慮當(dāng)?shù)財(cái)嚢枵痉垠w材料的儲(chǔ)備能力，選擇與攪拌站儲(chǔ)備能力相適應(yīng)的配合比方案；

⑥通過(guò)綜合篩選，選擇質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益最高的配合比用于施工。

4 泵車選型和管線布置

4.1 泵車選型

①泵車選用三一重工HBT90CH-2135D 拖泵。

②理論最大出口壓力分別達(dá)到35MPa（一般儲(chǔ)備30～40%壓力余量）。

③最大理論泵送排量為100m3/h。

④理論泵送壓力為35MPa。

⑤柴油機(jī)功率為546kW。

⑥理論最大水平泵送距離為3991m。

⑦理論垂直泵送高度為835m。

4.2 耐高壓輸送管道

①使用內(nèi)徑150mm、壁厚12mm 的輸送管道以及125mm、壁厚9mm 的輸送管道兩種（壁厚較普通高壓管加厚4mm）。

②鋼材45Mn，高頻淬火處理，保障管道的抗爆能力，壽命比普通泵管提高2～3 倍。

③泵管連接處采用O 形密封圈密封，以保證高壓水洗的密封性。

4.3 液壓混凝土布料機(jī)

根據(jù)核心筒截面尺寸及布料機(jī)布設(shè)位置，本工程擬采用兩臺(tái)三一重工品牌HGY18 Ⅱ移動(dòng)式布料機(jī)，直接固定在智能整體頂升平臺(tái)上，與爬模同步頂升。

4.4 爬升式布料機(jī)支撐平臺(tái)

根據(jù)爬模機(jī)位空間位置及布料機(jī)工作荷載，按簡(jiǎn)支條件設(shè)計(jì)制作鋼平臺(tái)，鋼平臺(tái)主梁與爬模頂部接觸部位做成橡膠隔震支座。吊裝鋼平臺(tái)落位于爬架頂部后，進(jìn)行布料機(jī)吊裝，布料機(jī)四腳通過(guò)螺栓與焊接在鋼平臺(tái)上的柱腳底板相連。

為增加安全系數(shù)，對(duì)承載布料機(jī)的爬架立柱進(jìn)行適當(dāng)加固。爬升過(guò)程中，兩片架體同步爬升，盡量保證平臺(tái)的穩(wěn)定性。

待鋼平臺(tái)就位后，根據(jù)平臺(tái)重心位置，放線定出四塊布料機(jī)柱腳底板的位置。起吊前，布料機(jī)四腳和底板螺栓孔眼對(duì)上，緊固螺栓。按照放線位置吊裝落位后，校驗(yàn)調(diào)平，最后對(duì)柱腳底板和花紋鋼板的接觸部位施以滿焊。

4.5 泵送管線布置

底層管線布置：底層布置水平泵送管線，水平管線長(zhǎng)度應(yīng)為泵送高度的1/5～1/4，另在泵車旁設(shè)置沉淀池，清水池用于洗泵余料回收，見(jiàn)圖2。

圖2 標(biāo)志塔項(xiàng)目混凝土泵送底層平面布置圖

在混凝土泵機(jī)出料口設(shè)置一道截止閥，用于防止拖泵停機(jī)時(shí)混凝土回流，以及洗泵后泵管清洗的廢水殘?jiān)謇砑盎厥眨辉谑讓拥孛嫠焦芎痛怪惫艿膹澒芴幵O(shè)置一道截止閥，用于拖泵長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)防止立管內(nèi)的混凝土回流[1]。

地面水平管的長(zhǎng)度不宜小于垂直泵送高度的1/5，因現(xiàn)場(chǎng)因素所限，可增加若干90°彎管來(lái)拆算水平長(zhǎng)度，彎管個(gè)數(shù)不宜過(guò)多，控制在3～5 個(gè)；在地面管道需安裝截止閥。垂直管道應(yīng)在樓層設(shè)置1 道彎管，減緩混凝土自重對(duì)管道的沖擊，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在L50 塔樓收截面處。布置在電梯井。

5 混凝土泵送工藝

5.1 超高層泵送壓力變化與研究

作為中建技術(shù)研發(fā)課題項(xiàng)目，項(xiàng)目在混凝土泵送過(guò)程中進(jìn)行了壓力監(jiān)測(cè)，并將所得數(shù)據(jù)用以分析泵送過(guò)程壓力變化規(guī)律。

與常規(guī)混凝土相比，高強(qiáng)高性能混凝土單位體積水泥用量多，用水量少，粘度大；泵送輸出壓力較高，對(duì)于超高層建筑，混凝土泵的輸出壓力一般在15Mpa 以上，超高壓泵管的使用較多，堵泵風(fēng)險(xiǎn)大，泵送操作過(guò)程把控非常重要。

超高層泵送壓力損失計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)：現(xiàn)行JGJ-T10—2011《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》對(duì)于泵送沿程壓力損失的計(jì)算公式仍使用坍落度計(jì)算，對(duì)于高性能混凝土在超高層泵送中的工作性能，泵送時(shí)的壓力損失等缺乏系統(tǒng)性研究。高性能混凝土超高泵送沿程壓力損失的影響因素和相應(yīng)計(jì)算方法尤為重要。中聯(lián)重科和三一重工經(jīng)過(guò)大量的經(jīng)驗(yàn)積累，各自形成了一定的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，其中中聯(lián)重科經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，水平管壓力損失按經(jīng)驗(yàn)取為0.017～0.021MPa/m，三一重工經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法每米水平管壓力損失ΔPl=0.02MPa/m，每米垂直管的壓力損失為ΔP2=0.045MPa/m[2]。上述廠家經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)踐性較強(qiáng)，但缺乏理論依據(jù)，且經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其特定泵送設(shè)備與管線的依賴性較強(qiáng)。

5.2 泵送系統(tǒng)清洗及余料處理技術(shù)

5.2.1 海綿塞水洗方式

①混凝土泵送完畢后，關(guān)閉輸送管路液壓截止閥。

②拆水平管靠近泵機(jī)的彎管或泵機(jī)出料口后端的直管。

③向管道中塞入海綿塞并接好管路。

④向料斗內(nèi)加入凈水池內(nèi)的水，并正泵操作，保證料斗內(nèi)有足夠的清水供應(yīng)，直至輸送管末端出現(xiàn)含水量較多的混凝土。

⑤將輸送管末端移至預(yù)先準(zhǔn)備好的廢料斗內(nèi)，繼續(xù)泵送，將海綿塞泵出后，繼續(xù)泵送直至輸送管末端出現(xiàn)清水。

⑥采用反泵操作將水抽回料斗或關(guān)閉截止閥，拆管，將管路中的水放出流回沉淀池，完成管路的清洗。

5.2.2 砂漿隔離水洗方式

①混凝土泵送完畢后，直接泵送1～2m3砂漿（視樓層高度而定）。

②緊接著采用潛水泵將凈水池中的水抽向泵機(jī)料斗，進(jìn)行正泵操作。

③當(dāng)頂樓出現(xiàn)砂漿、混凝土及水混合物時(shí)，將泵管末端接入樓頂?shù)膹U料斗中，并繼續(xù)泵送直至出現(xiàn)水流。

④停止泵送，并打開(kāi)泵機(jī)料斗卸料門，進(jìn)行反泵操作，將輸送管道內(nèi)的水放出并流回沉淀池，直至管道內(nèi)水放干凈；或者關(guān)閉截止閥，拆管后將管道內(nèi)的水放回沉淀池。

⑤關(guān)閉泵機(jī)卸料門并繼續(xù)用潛水泵將水抽入料斗，進(jìn)行正泵操作，再次清洗、停泵、開(kāi)卸料門反泵，如此反復(fù)2～3 次，直至管道清洗干凈。

除以上方法外，以往工程施工經(jīng)驗(yàn)中還有牛皮紙、砂漿隔離水洗，水氣聯(lián)洗等洗泵方法，施工中應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際選擇最為經(jīng)濟(jì)合理的洗泵方式。

5.2.3 余料處理技術(shù)

①在拖泵旁設(shè)置沉淀池和凈水池。

②洗泵用水經(jīng)沉淀池沉淀后，使用水泵將水存儲(chǔ)于清水儲(chǔ)存池，做水洗及冷卻循環(huán)水使用。

③沉淀池和清水池中設(shè)置潛水泵，清水池中潛水泵設(shè)置的數(shù)量及功率與洗泵過(guò)程中的用水速率相匹配。

關(guān)于混凝土超過(guò)泵送余料處理的建議：

①混凝土泵送時(shí)，嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)混凝土用量。泵管內(nèi)的混凝土量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所用混凝土量做對(duì)比，當(dāng)澆筑部位所需的混凝土略小于甭管內(nèi)混凝土量時(shí)停止?jié)仓炷粒M量減少泵送余料和廢水的產(chǎn)生；

②當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件允許時(shí)，可以可考慮設(shè)置多個(gè)沉淀池。

當(dāng)泵送高度增高，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制泵送管線長(zhǎng)度增加，線路增多，產(chǎn)生廢料增加時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置砂石分離機(jī)，將混凝土余料分離成砂，石和水泥漿；砂、石分離出裝入容器用于其他工序施工，水泥漿通過(guò)管道流入沉淀池，經(jīng)過(guò)多級(jí)沉淀池沉淀后通過(guò)水泵抽至清水儲(chǔ)存池，用于泵送系統(tǒng)清洗重復(fù)使用，更大效率地實(shí)現(xiàn)余料回收和綠色施工[3]。

5.3 超高層泵送防堵管措施

5.3.1 堵泵發(fā)生原因分析

一方面，操作人員操作不當(dāng)，如放入混凝土材料的時(shí)候要實(shí)時(shí)觀察，余料不能低于攪拌軸，而且余料不能太少，否則容易發(fā)生堵管。另一方面，地泵停止作業(yè)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)發(fā)生堵管，操作人員在進(jìn)行施工的時(shí)候要結(jié)合實(shí)際的施工環(huán)境進(jìn)行作業(yè)?；炷猎跀嚢柽^(guò)程中如果加入的水過(guò)多，會(huì)出現(xiàn)離析現(xiàn)象，混凝土中的石頭、沙礫容易集結(jié)在一起，造成堵管。

泵送設(shè)備的原因：在泵管和管鏈連接的地方，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)出現(xiàn)封閉膠圈損壞或者是螺栓松動(dòng)的現(xiàn)象，接頭的部位沒(méi)有密封好，會(huì)影響混凝土在管內(nèi)的流動(dòng)性，混凝土材料中的顆粒會(huì)集結(jié)到一起，并且泵送的壓力太小，從而造成堵管。一些泵送設(shè)備在對(duì)混凝土進(jìn)行泵送的時(shí)候難以避免地會(huì)出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致混凝土的質(zhì)量下降，還會(huì)使泵送的壓力降低和坍落度減小，容易造成堵管。施工單位在進(jìn)行施工之前要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，對(duì)泵管的布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量減少?gòu)澒艿臄?shù)量。此外，應(yīng)對(duì)水平管的長(zhǎng)度進(jìn)行有效的控制，水平管過(guò)長(zhǎng)過(guò)短都會(huì)對(duì)施工造成一定的阻礙，形成堵管。

5.3.2 一些防堵管的具體措施

提高混凝土質(zhì)量，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡可能降低粘度；控制用水量和原材溫度，提高砼質(zhì)量。

科學(xué)合理的處置措施：堵管的時(shí)候，施工人員要結(jié)合實(shí)際的情況，采取合適的方法。施工人員在檢查堵塞部位的時(shí)候可以對(duì)輸送管進(jìn)行排查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)堵塞部位的時(shí)候可以使用木槌進(jìn)行敲擊，將混凝土擊松然后在進(jìn)行正泵反泵，堵管現(xiàn)象得到解決。如果還不能解決堵管，就應(yīng)該在混凝土卸壓后，對(duì)堵管發(fā)生的部位進(jìn)行拆除，對(duì)管內(nèi)的混凝土進(jìn)行清理后接上方可使用。

合理運(yùn)用洗泵方法做好洗泵和管線清理工作。

定期排查管線接頭密封和固定，泵送混凝土施工之前做好安全技術(shù)交底，對(duì)操作人員進(jìn)行崗前考核。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著超高層建筑施工技術(shù)的發(fā)展，更多新材料、新工藝、新設(shè)備將被應(yīng)用于超高層混凝土泵送施工。有效控制混凝土配合比，增加其泵送性能，順利、穩(wěn)定地完成泵送是保證超高層工程施工質(zhì)量的前提。不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程，就是建筑施工技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新的過(guò)程。相信隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，未來(lái)的施工將向著更高、更快、更好的方向不斷發(fā)展。