超高層建筑物混凝土泵送技術研究

□文/王惠生 康宇華

超高層建筑物混凝土泵送技術研究

□文/王惠生 康宇華

在現代的建筑工程施工領域，泵送商品混凝土的使用已經十分廣泛。對于超高層建筑，象泵輸送高度無法滿足施工要求，同時混凝土強度等級高、粘性大，對混凝土輸送泵的性能要求更高。文章結合工程實例，將超高混凝土泵送技術研究結果進行總結，形成一套超高層建筑的成熟綜合施工技術。

超高層；混凝土；泵送；建筑物

在現代的建筑工程施工領域，泵送商品混凝土的使用已經十分廣泛。對于超高層建筑，象泵輸送高度無法滿足施工要求，同時混凝土強度等級高、粘性大，對混凝土輸送泵的性能要求更高。

1　工程概況

泰安道五號院工程主塔樓為超高層建筑，建筑高度251.2 m，混凝土結構泵送最大高度約235 m，主塔樓結構共用混凝土約30 474 m3，每層混凝土用量約879 m3，地上結構構件混凝土強度等級見表1。

表1　構件混凝土強度等級

2　施工泵管布置

2.1布置原則

1）對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，在管路設計時盡量減少彎管、椎管的數量，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）當垂直高度較高或受場地限制時，只靠設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置插閥管（亦稱插管），在停止泵送時關閉插閥管以防止混凝土倒流。

2.2現場布置情況

高壓泵安置在主樓浙江路一側，自主樓D～E軸間設置約25m水平管，采用彎頭拐至4軸電梯井中并設置豎向管道，管道進入樓內后在4～5軸間加設2個彎頭結合約5m的水平管進入電梯井道，垂直布管至7層，結合彎頭及水平管，水平布置至5軸樓梯間內與布料桿進料口進行連接，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行澆筑，核心筒施工進度要比樓板領先2層，為此，在澆筑樓板及鋼管柱混凝土時，將作業層高度的一節豎直管拆下，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泵管布置相關計算

1）泵管水平長度換算見表2。

表2　水平管長度換算m

根據表2內容，混凝土泵送的水平管長度換算為1156m。

2）壓力損失計算見表3。

表3　壓力損失計算

續表3

經計算，混凝土輸送壓力損失為7.5MPa。

2.4管道的固定

對于高泵程的施工作業，采用的混凝土泵的出口壓力很大，均在20MPa以上，泵送時產生的作用力很大，一旦泵管發生爆管現象，后果將非常嚴重，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安裝管道固定架，每隔4m設置一個，盡量不使混凝土泵的振動傳遞給垂直管，避免產生爆管現象的發生。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構中預埋固定件，管道與埋件進行固定，對于7層以上穿過樓板的豎直管，在其四周搭設腳手架，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彎處，以防管內壓力過高爆管。必要時采用超聲波測厚儀檢驗壁厚，若管子長期使用磨損較大，在壓力大處一律調換新管。

2.5泵管的磨損檢測

由于高壓泵的泵送壓力大，泵管如若破損，產生爆管，不但影響施工，甚至會危及到周圍人的人身安全，后果將十分嚴重，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就十分必要，為滿足施工要求，本工程采用45MN2耐磨管道。

進場后及每次混凝土澆筑前，采用DC-2000B測厚儀，配PT12探頭，測量范圍1.2～200.0 mm，對泵管進行逐一檢測，對于壁厚＜4 mm的堅決進行退場或更換處理，不得投入使用。

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

測量前，所有測量點所需準備：在被測體表面使用耦合劑；利用除銹劑、鋼絲刷或砂紙處理被測體表面；在同一點附近多次測量。

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　機械的選擇

3.1泵送的關鍵因素

混凝土泵送的關鍵因素見表5。

表5　混凝土泵送的關鍵因素

3.2泵的選擇

經過比較多個廠家的產品，為滿足施工需要，結合實際情況，決定選用三一重工生產的HBT90CH-2128D型號混凝土泵，見表6。

表6　HBT90CH-2128D技術參數

3.3混凝土泵工作能力驗算

3.3.1混凝土泵的實際平均輸出量

式中：Q1為每臺混凝土泵的實際平均輸出量，m3/h；Qmax為每臺混凝土泵的最大輸出量，m3/h；α1為配管條件系數，取0.8；η為作業效率，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流動每米產生的壓力損失計算

K1=300-S1

K2=400-S1

式中：△PH為混凝土在水平輸送管內流動每米產生的壓力損失，Pa/m；r為混凝土輸送管半徑，m；K1為粘著系數，Pa；K2為速度系數，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間與活塞推壓混凝土時間之比，取0.3；V2為混凝土拌和物在輸送管內的平均流速，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算

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

3.3.4混凝土泵的最大水平輸送距離計算

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驗中，混凝土泵的最大出口壓力比實際所需壓力高，多出的壓力儲備用來應付混凝土變化引起的異常現象，避免堵管。而對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，顯然應有更多的壓力儲備。因此，根據計算及工程經驗，確定泵的最大出口壓力為28MPa。

3.4超高壓泵技術特點

3.4.1雙動力結構

為保證施工過程的可靠性，BT90CH-2128D采用2臺柴油機分別驅動2套泵組，應用這種雙動力功率合流技術，平時兩套泵組同時工作，當一組出故障是切斷改組，另一組仍維持50%的排量繼續工作，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性。

3.4.2全自動高低壓切換

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

3.4.3眼鏡板和切割環

液壓系統高低壓泵眼鏡板的反推力，導致密封失效，而這一對耦合件間的密封性是保證超高層泵送的關鍵。泵機通過優化S管的流線減小反推力，同時采用高預緊力技術使切割環與眼鏡板緊密貼合，保證可靠密封。

1）動密封。主要是間隙自動補償，補償結構主要依靠圖6中2的橡膠材料的彈性來推動3切割環與4眼鏡板緊密連接，消除間隙。

圖6　動密封結構

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

3.4.4耐超高壓的管道系統

在超高壓泵送施工中，管道內壓力最大達到28 MPa，而且超高壓管道通常長度、重量較大，一旦發生堵管，受施工環境的影響，拆裝很不方便，所以需要采用特制耐磨管道。

特質耐磨管道采用合金鋼特制，經過特殊淬火處理，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，每層澆筑至樓承板下皮標高，振搗棒振搗密實。

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。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。過程中派專人看護鋼筋，調整糾偏。

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高線用卷尺隨時檢查混凝土厚度及表面標高。振點均勻排列、逐點移動、順序進行、不得遺漏。振搗完畢后用木抹子搓壓、拍實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技術要求采用高位拋落自密實混凝土，其自身的技術性能良好，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量，鋼管內的空氣能夠排出，確保混凝土的密實度，施工澆筑時利用布料桿澆筑，稍微加以振搗，以保證施工質量。對于個別布料桿臂桿無法到達的位置，使用塔吊配合漏斗澆筑，輔以振搗。

4.2混凝土養護

混凝土澆筑完畢后，在12 h以內及時采取覆蓋保溫養護措施并保持濕潤，嚴防脫水、裂縫。

1）核心筒剪力墻混凝土采用澆水養護，澆水次數以保證混凝土墻面呈潮濕狀態為準。

2）樓承板混凝土澆筑完畢后，在12 h內必須用塑料薄膜覆蓋，保濕養護。

3）混凝土養護時間不得少于7d。

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

5）冬季施工需對混凝土內部及外部環境溫度進行測量，控制混凝土內外溫差，嚴格控制內外溫差＜25℃。

4.3混凝土試驗及記錄

1）坍落度試驗。從現場混凝土罐車出料口取出一定量的混凝土做坍落度試驗，試驗人員須按要求認真填寫相關記錄。

2）標準養護試塊制作。每一層現澆混凝土均按照相關規范要求，留置相應的標準養護試塊。

3）同條件試塊制作。常溫條件下根據不同部位留置同條件試塊。

4）混凝土抗壓強度，以邊長100 mm的立方體試塊，在溫度（20±2）℃和相對濕度為95%以上的潮濕環境或水中的標準條件下，經過28 d養護后試壓確定。試塊必須在現場制作，在入模前取樣。

4.4冬季泵管保溫

結構施工跨越2個冬季，為保證冬季施工中泵管內的混凝土不受凍，除在混凝土的配合比、水泥強度等級方面做出相應調整外，對于混凝土泵管也必須采取相應的措施。采用巖棉保溫管，選取的保溫管內徑須大于泵管外徑，將保溫管剖開，包裹于混凝土泵管外，以達到泵管保溫的效果。

5　施工技術要點

5.1直接水洗技術

5.1.1概述

傳統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，管中混凝土因流動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資源。

本工程選用的HBT90CH泵機采用的為三一重工專利技術的混凝土活塞，自動補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，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，減少混凝土浪費以及對施工環境的污染。

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，若仍用海綿塞，由于海綿塞不能完全對高壓水密封，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摩擦，摩擦阻力大，再加上石料自重，當水流推力不足以克服石料自重和阻力時，就會發生堵管。而采用水洗方法時，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，水會沖擊砂漿，形成一堆石子和過渡層，之后，在高壓水柱的強大層流作用下，高壓水柱推動石子、過渡層和混凝土同速前進，石子與壁管摩擦為滾動摩擦，摩擦阻力小，不會出現石子越積越多的現象，從而實現泵送多高，水洗多高。當澆筑層的管頭出現過渡層混凝土（與正常混凝土不一樣），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，還可以滿足施工操作面的消防要求，一旦操作面發生火情，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備，以保證水量和水壓。

5.2混凝土配合比注意事項

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考慮強度和可泵型，水泥用量少強度達不到要求，過大則混凝土的粘性大、泵送阻力增大進而增加泵送難度，而且降低吸入效率。

5.2.2粗骨料

常規的泵送作業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壓力大易出現離析，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

普通泵送作業中混凝土的坍落度在160 mm時最利于泵送，坍落度偏高易離析、低則流動性差。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，對粉煤灰的適應性也各不相同，其最佳用量應通過試驗來確定。

6　結語

在泰安道五號院工程的超高層混凝土泵送施工過程中，通過優化混凝土配合比、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問題，成功實現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，從事施工技術管理工作。