超高層泵送混凝土技術發展趨勢

蘭聰，劉東，陳景，羅源兵

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

隨著世界經濟的迅速增長，為滿足人們對活動空間的需求，各國的超高層建筑日漸增多。國內建筑規范定義超過 200m 的建筑屬于超高層建筑。據不完全統計，國內外在建或建成的超過 600 米的超高層建筑已越來越多，詳見表1。基于建筑高度的不斷刷新以及建筑結構向著超高化、大跨度化、結構復雜化的趨勢發展，泵送作為混凝土工程效率最高和最主要的施工方式，使得國內外對混凝土配制及泵送技術進行不斷研究和優化。

表1 世界超高層建筑高度排名

超高層泵送混凝土混凝土配制和施工技術是影響超高層建筑建設進度和結構耐久性安全性最重要的因素之一；影響超高層泵送混凝土質量主要的因素有混凝土原材料、配合比、泵送設備和方案以及后期混凝土管理等。

1 超高層建筑混凝土材料及配合比設計

膠凝材料作為混凝土強度的來源，是原材料組成中最重要的組分之一。它不僅影響混凝土強度，還對新拌混凝土泵送性能和體積穩定性影響顯著。目前膠凝材料主要有水泥、粉煤灰、礦渣粉、硅灰、偏高嶺土、磷渣粉等。水泥要求是 C2S 含量高、C3A 含量盡量小[1]。

品質較好的粉煤灰是由表面圓滑的球形顆粒，作為膠凝材料摻入混凝土中，其拌合物流動性顯著提高，并能有效的降低新拌混凝土泌水率和硬化混凝土干縮；當新拌混凝土中水泥用量較少或細集料級配中小于0.3mm含量少時，也可摻入粉煤灰進行優化。礦渣粉為水淬后磨細后具有極強活性的礦物摻合料，摻入礦渣粉一般采用等量法，能有效降低混凝土水化熱，延緩混凝土凝結時間，提高混凝土密實性改善其耐久性。

在同一水膠比條件下，水泥用量越高，混凝土拌合物粘度越大，且水化溫升越高。超高層泵送混凝土應采用雙摻或三摻技術，使用磨細礦渣和粉煤灰雙摻技術配制 C60 及以上的高性能泵送混凝土可以提高混凝土拌合物抗離析性能和泵送性能，降低水化溫升，并且低高強或超高強混凝土經時損失，更有利于混凝土高壓泵送；同時摻入活性礦物摻合料后，可明顯改善混凝土的后期強度，并提高其耐久性[2]。

在超高層泵送混凝土配比設計時，粗骨料選擇應滿足最大粒徑與輸送管徑之比為 1:4～1:5；且采用兩級配進行粗骨料級配調整，一般采用級配 5～25mm 和5～16mm 兩種連續級配碎石，調整級配曲線至最優，分別計量混合使用，且針片狀含量須小于 5%[3]。

細骨料各項指標應符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》，超高層泵送混凝土配制應選用中砂，其細度模數應保持在 2.7 左右；粒級0.3mm 以下的細骨料不宜少于 20%，細骨料中粒級小于0.3mm 以下有利于改善新拌混凝土泵送性能。根據超高層泵送混凝土不同強度等級的要求和特征，其砂率選擇范圍為 40%～50%，具體由試配原材料確定。

影響混凝土性能最主要的因素有水膠比、砂率、單位用水量等。同等成型條件下，水膠比越低水泥石越密實，混凝土強度越高；但過低水灰比易造成混凝土粘度大、泵送性差，施工難度大[4]。高強高性能混凝土配合比設計，水膠比宜控制在0.24～0.38 范圍內，砂率控制在0.32～0.38。近年來我國混凝土材料和配合比設計理念不斷發展和完善，結合對粒化高爐磨細礦渣、偏高嶺土、應用經驗，采用粉煤灰和磨細礦渣粉雙摻、且大摻量配合比設計的思路[5]。

結合 JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》、JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術規程》和JGJ/T 2841—2012《高強度混凝土應用技術規程》中對混凝土工作性的相關要求，結合實際工程情況和環境，對混凝土性能指標及參數控制可參照表2。

表2 高強超高層泵送混凝土評價指標及參數要求

2 超高層混凝土施工布管及設備選型方法

混凝土泵管布置主要根據實際工程現場、環境等特點，科學合理布置泵送系統，其主要遵循彎頭盡量少、泵管總長盡量短，需具備一定的緩沖距離及地面水平管的長度應大于垂直高度的四分之一，在地面水平管道上應布置截止閥的原則；并且需確定符合最優運輸方案的泵機選位與固定、泵管的布置、彎頭設置等進行全面詳細設計和復驗[6]。

混凝土泵送設備的選型與混凝土工作性、泵送垂直高度、泵送總距離、混凝土粘度等密切相關。一般先估算混凝土在泵送過程中的泵損，按泵壓損失與混凝自重估算的最低壓力值進行泵送設備的型號的初選；再根據實際工程布管情況，對泵送壓力和混凝土排量等進行核驗，從而最終確定混凝土泵機型號[7]。

工程中混凝土泵送過程中其泵送壓力的計算主要有以下 4 種：標準法、文獻常用法、中聯重科經驗法和三一重工經驗法。

標準法是參照 JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術規程》規定進行混凝土泵送壓力計算，通過將所有泵管折算為水平泵管進行泵損計算。

水平輸送壓力損失：混凝土在水平管輸送管內流動每米產生的壓力損失宜按公式 (1)～(3) 計算，采用其他方法確定壓力損失時，宜通過試驗驗證：

注：根據國外 S·Morinaga 公式制定。

式中：

△PH——混凝土在水平輸送管內流動每米產生的壓力損失，Pa/m；

r——混凝土輸送管半徑，m；

K1——粘著系數，Pa；

K2——速度系數，Pa·s/m；

S1——混凝土坍落度，mm；

t2/t1——混凝土泵分配閥切換時間與活塞推壓混凝土時間之比，當設備性能未知時，可取0.3；

V2——混凝土拌合物在輸送管內的平均流速，m/s；

α2——徑向壓力與軸向壓力之比，對普通混凝土取0.90。

文獻常用法主要對管道內、彎管、椎管等壓力損失以及混凝土自身壓力等因素計算泵機泵送壓力，文獻中對混凝土泵送壓力常按照公式 (4) 計算：

式中：

P1——混凝土在管道內流動的沿程壓力損失，MPa；

P2——凝土經過彎管及錐管的局部壓力損失，MPa；

P3——混凝土在垂直高度方向因重力產生的壓力，MPa。

（注：P1中沿程垂直管壓力損失按實際長度進行計算）

混凝土在管道內流動的沿程阻力造成的壓力損失P1，按標準法公式進行計算，P2、P3分別通過表3 和表4 進行計算。

表3 混凝土輸送管水平換算長度表

表4 混凝土泵送部件的壓力損失換算表

中聯經驗法：其中泵送壓力損失值 P1中聯重科根據以往工程實際泵送施工經驗按經驗取0.017～0.021MPa/m，后續計算同文獻常用法。

除中聯重科經驗法，三一重工也根據以往工程實際泵送施工得到的壓力損失經驗值為：

每米水平管的壓力損失為：△P1=0.02MPa/m

每米垂直管的壓力損失為：△P1=0.045MPa/m

采用以上 4 中方法，以垂直泵送距離 300m，水平管長度為垂直距離 1/4，75m 進行模擬計算，具體見表5。

表5 各方法泵送壓力比較 MP a

以上 4 種方法對混凝土工作性都未進行規定，存在一定的局限性；為更精確度的計算出泵送壓力，可定量的引入混凝土拌合物工作性能的粘度系數進行計算，完善以上計算方法的不足。

基于泵壓估算值，可對泵機型號進行選擇，并可對布管方案進行優化，降低泵壓損失。泵機選型應考慮至少 20%～25% 的富余值。

目前對超高層泵送設備和混凝土性能進行驗證主要采用模擬泵送盤管試驗，該模擬方法能較真實的反應實際泵送情況，但需耗費大量的人力、物力、財力及極大的場地需求；北京金隅對 C130 超高強高性能混凝土進行了 2160m 的盤管試驗，以模擬垂直高度 880m 的超高層泵送過程。

3 超高層建筑混凝土施工應注意的問題

超高層建筑混凝土施工過程應重視質量控制與管理以及成本控制等問題。

超高層建筑具有施工工期長、季節跨度大的特點，隨季節和氣候的變化，需對混凝土配合比調整外，需特別注意夏季施工和冬季施工的差異和措施。夏日高溫需重點關注混凝土坍落度經時損失和入模溫度的問題，需保證混凝土具有良好的保坍性以及混凝土中心溫度不超過 70℃，保證混凝土良好的體積穩定性。施工策略方面可盡量優選在晚上或凌晨氣溫較低、交通暢通的時段進行混凝土澆筑施工。冬期施工時，應重點關注混凝土緩釋以及入泵和入模溫度，泵管和混凝土保溫措施，保證混凝土早期的正常水化[8]。

隨著綠色生產與建造理念的提升，在超高層施工過程中混凝土主體結構高度越高，混凝土泵管內混凝土剩余的混凝土將越來越多，為了節約混凝土，應采用水洗和氣洗相結合的方式進行余料回收。再有統計泵送現場泵管總長，估算泵管中余料量，合理的控制收盤混凝土量，優先采用水洗技術將泵管內混凝土泵送利用，達到最優最省泵送的目的[9]。

4 超高層建筑混凝土技術發展趨勢

結合超高層建筑發展的趨勢和區域性特點，超高層泵送混凝土技術趨勢主要集中在以下幾個方面：

（1）混凝土防裂技術包括超大筏板大體積混凝土溫控和防裂技術、鋼板剪力墻結構防裂技術以及組合樓板防裂技術的研究。

（2）超高層建筑關鍵特殊部位難點施工技術主要涉及超大筏板、超長超大樁基基礎以及巨型柱等特殊部位混凝土的制備和施工方向。

（3）超高層模擬泵送方面，包括超高層泵送混凝土勻質性定量測定分析以及開發科學合理簡單的超高層泵送模擬方法和系統。

（4）超高層泵送施工智能監控和分析，包括混凝土原材料、混凝土生產、混凝土泵送以及混凝土養護等全過程的智能監控評價。