混凝土沿程泵送壓力損失測(cè)定與影響因素分析*

韓建國(guó)，閻培渝，陳喜旺，余成行

(1.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084； 2.北京建工新型建材有限責(zé)任公司，北京 100015；3.北京市中超混凝土有限責(zé)任公司，北京 100024)

0 引言

目前，高層建筑、大跨度橋梁、大體積結(jié)構(gòu)常采用混凝土流態(tài)化泵送技術(shù)，避免出現(xiàn)泵送壓力異常、堵泵、混凝土離析或內(nèi)部不密實(shí)并提高泵送效率等是需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[1-2]。為使混凝土高效順利地泵送至指定部位，需根據(jù)泵送距離與高度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)與工作性預(yù)測(cè)泵送壓力，以選擇合適的泵機(jī)和泵送速度，并據(jù)此安排施工進(jìn)度[3-4]。Petrou等[5]研究了骨料顆粒形狀對(duì)管道中混凝土流場(chǎng)和流速的影響，研究結(jié)果表明，骨料顆粒形狀對(duì)管道中潤(rùn)滑層和混凝土流速具有重要影響，針片狀骨料顆粒對(duì)混凝土泵送壓力和泵送效率不利；Choi等[6]研究了混凝土泵送過(guò)程中潤(rùn)滑層典型厚度及其作用，研究結(jié)果表明，潤(rùn)滑層品質(zhì)是決定混凝土泵送壓力的關(guān)鍵因素；JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》[7]中采用Morinaga 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)混凝土泵送過(guò)程中的沿程泵送壓力損失，該公式表明沿程泵送壓力損失與泵管內(nèi)混凝土流速成正比，且與混凝土坍落度密切相關(guān)，但Morinaga經(jīng)驗(yàn)公式未考慮泵送距離和高度的影響；陳喜旺等[8]研究結(jié)果表明，混凝土超長(zhǎng)泵送過(guò)程中的沿程泵送壓力損失隨與泵車出口距離的增大而減小，因此，Morinaga經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于超高層或長(zhǎng)距離混凝土泵送過(guò)程中的沿程泵送壓力損失預(yù)測(cè)結(jié)果難以令人滿意；李悅等[9]采用水平盤管泵送試驗(yàn)測(cè)試了C60 混凝土水平泵送過(guò)程中的泵送壓力損失，并通過(guò)不同方法得到泵送壓力損失計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在較大偏差；魏子易等[10]通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法研究了混凝土流變參數(shù)對(duì)沿程泵送壓力損失的影響，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，SSTk-ω湍流模型能夠針對(duì)混凝土材料特性，較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沿程泵送壓力損失，但該計(jì)算方法較復(fù)雜，難以應(yīng)用于實(shí)際工程中；林家超等[11]指出，依托坍落度試驗(yàn)結(jié)果的混凝土泵送壓力損失預(yù)測(cè)方法已不能反映高強(qiáng)、高性能混凝土泵送性能，需建立科學(xué)可行的泵送性能綜合評(píng)估指標(biāo)與方法，需了解泵管中流動(dòng)的混凝土泵送壓力變化規(guī)律。

本研究對(duì)混凝土泵送過(guò)程中沿程泵送壓力損失進(jìn)行測(cè)定，并分析混凝土強(qiáng)度等級(jí)、工作性、泵送速度等對(duì)沿程泵送壓力損失的影響，研究結(jié)果可為施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土泵送壓力監(jiān)測(cè)、泵送設(shè)備選型、混凝土工作性調(diào)整提供參考。

1 泵管內(nèi)混凝土泵送壓力監(jiān)測(cè)

可采用開(kāi)孔式或貼片式壓強(qiáng)計(jì)測(cè)定泵管內(nèi)混凝土泵送壓力。開(kāi)孔式壓強(qiáng)計(jì)為平面隔膜式結(jié)構(gòu)，在泵管上開(kāi)孔，通過(guò)螺栓連接壓強(qiáng)計(jì)與泵管，如圖1所示。當(dāng)泵管內(nèi)混凝土壓迫平面隔膜時(shí)，平面隔膜內(nèi)的流體壓迫內(nèi)部第2層隔膜，第2層隔膜表面應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變可表征平面隔膜受到的流體泵送壓力，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換，以輸出電壓或電流信號(hào)表征泵管內(nèi)混凝土泵送壓力。

圖1 開(kāi)孔式壓強(qiáng)計(jì)

貼片式壓強(qiáng)計(jì)是在泵管表面粘貼應(yīng)變花，結(jié)合應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置，測(cè)定泵送過(guò)程中泵管在內(nèi)部混凝土壓力作用下所發(fā)生應(yīng)變的裝置，如圖2所示。

圖2 貼片式壓強(qiáng)計(jì)

應(yīng)變花粘貼方向及各方向應(yīng)變定義如圖3所示，可根據(jù)應(yīng)變花測(cè)得的3個(gè)方向應(yīng)變計(jì)算泵管內(nèi)部混凝土泵送壓力。

圖3 應(yīng)變花粘貼方向及各方向應(yīng)變定義

將泵管視為薄壁管，泵管外壁應(yīng)力與泵管內(nèi)部混凝土泵送壓力的關(guān)系如下：

(1)

(2)

式中：σL表示泵管外壁縱向應(yīng)力(MPa)；σs表示泵管外壁環(huán)向應(yīng)力(MPa)；P表示泵管內(nèi)部混凝土泵送壓力(MPa)；D表示泵管平均直徑(mm)；S0表示泵管壁厚(mm)。

根據(jù)應(yīng)變花測(cè)得的ε0，ε45，ε90及泵管鋼材彈性模量E和泊松比ν，可求得泵管表面相互垂直的主應(yīng)力σ1和σ2：

(3)

(4)

根據(jù)ε0，ε45，ε90可求得主應(yīng)力σ1與泵管環(huán)向夾角θ：

(5)

將主應(yīng)力σ1，σ2沿泵管環(huán)向進(jìn)行合成，可求得：

(6)

通過(guò)水平盤管泵送試驗(yàn)驗(yàn)證開(kāi)孔式及貼片式壓強(qiáng)計(jì)測(cè)試結(jié)果相關(guān)性，將不同壓強(qiáng)計(jì)安裝在泵管相近位置，如圖4所示。采用ZLJ5121THB型車載泵，泵管采用鋼材制成，內(nèi)徑127.6mm，支線直管段長(zhǎng)21m，彎管段半徑0.5m。2個(gè)開(kāi)孔式壓強(qiáng)計(jì)分別安裝在距車載泵2，45.2m位置處，2個(gè)貼片式壓強(qiáng)計(jì)分別安裝在距車載泵2.5，48.3m位置處。通過(guò)調(diào)節(jié)車載泵輸送排量改變泵管內(nèi)部混凝土流速，泵送壓力損失相關(guān)性試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在2種壓強(qiáng)計(jì)安裝位置基本一致的情況下，測(cè)試結(jié)果具有良好的線性關(guān)系，比例系數(shù)為1.367，表明貼片式壓強(qiáng)計(jì)測(cè)試結(jié)果高于開(kāi)孔式壓強(qiáng)計(jì)，具體原因及測(cè)試絕對(duì)精度有待深入研究。

圖4 壓強(qiáng)計(jì)安裝位置示意

圖5 不同壓強(qiáng)計(jì)測(cè)試結(jié)果相關(guān)性

根據(jù)工作原理、安裝方法、經(jīng)濟(jì)成本等，給出開(kāi)孔式、貼片式壓強(qiáng)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 開(kāi)孔式、貼片式壓強(qiáng)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

2 影響因素分析

通過(guò)貼片式壓強(qiáng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)研究混凝土強(qiáng)度等級(jí)、工作性和輸送距離對(duì)混凝土泵送壓力及沿程泵送壓力損失的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 混凝土泵送壓力及沿程泵送壓力損失

表2中C30混凝土為塑性混凝土；C70-A混凝土為大流態(tài)混凝土，因過(guò)量摻入減水劑而產(chǎn)生離析；C70-A混凝土靜停1h后得到C70-B混凝土，由于發(fā)生輕微坍落度損失而消除了離析現(xiàn)象，恢復(fù)至正常勻質(zhì)狀態(tài)。沿程泵送壓力損失計(jì)算時(shí)未考慮彎管效應(yīng)的影響，即認(rèn)為彎管段長(zhǎng)度與直管段長(zhǎng)度相同。

由表2可知，隨著泵送排量的增大，泵送C30混凝土所需的壓力及沿程泵送壓力損失均逐漸增大。這是因?yàn)樘岣弑盟团帕亢螅炷猎诒霉軆?nèi)部的運(yùn)行速度加快，使粗骨料來(lái)不及發(fā)生取向重排，導(dǎo)致粗骨料間嵌鎖狀態(tài)加劇。隨著泵送排量的增大，泵送C70-B混凝土所需的壓力及沿程泵送壓力損失也逐漸增大；泵送排量相近時(shí)，泵送C70-B混凝土產(chǎn)生的沿程泵送壓力損失小于C30混凝土，這是因?yàn)殡S著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，膠凝材料用量和漿骨比增大，單位體積內(nèi)粗骨料含量降低。因此，高強(qiáng)混凝土泵送難度不一定大于普通強(qiáng)度等級(jí)混凝土。泵送排量相近時(shí)，泵送C70-A混凝土產(chǎn)生的沿程泵送壓力損失大于C70-B混凝土，這是因?yàn)殡x析狀態(tài)的C70-A混凝土在泵送過(guò)程中粗骨料顆粒更可能相互嵌鎖，增加了與泵管壁的接觸面積，降低了砂漿攜運(yùn)粗骨料的能力；由于砂漿與粗骨料分離，改變了泵管壁潤(rùn)滑層組成與性質(zhì)，使?jié)櫥瑢雍穸葴p小，增大了混凝土與泵管壁摩擦力。因此，在混凝土泵送過(guò)程中，應(yīng)盡量保證混凝土勻質(zhì)性，避免發(fā)生離析，從而保證泵送效率，降低堵泵風(fēng)險(xiǎn)。

泵管內(nèi)部混凝土泵送排量與流速成正比，由表2可知，當(dāng)流速增大至一定范圍后，沿程泵送壓力損失與流速呈非線性關(guān)系，隨著流速的增大，沿程泵送壓力損失增幅更大。因此，對(duì)于坍落度較小的塑性混凝土，采用《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》推薦的Morinaga經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)快速泵送產(chǎn)生的沿程泵送壓力損失存在較大誤差。

3 沿程泵送壓力損失規(guī)律

采用貼片式壓強(qiáng)計(jì)對(duì)某超高層建筑混凝土泵送過(guò)程中的沿程泵送壓力損失進(jìn)行測(cè)試，壓強(qiáng)計(jì)布置如圖6所示，水平泵管長(zhǎng)63.94m，垂直泵管長(zhǎng)459m，在垂直泵管0，50，100，150，200，250，290m高度處設(shè)置貼片式壓強(qiáng)計(jì)，泵管采用鋼材制成，內(nèi)徑150mm。使用HBT9050CH-5D型超高壓混凝土輸送泵，混凝土缸直徑180mm，長(zhǎng)2 100mm。

圖6 沿程泵送壓力損失測(cè)試點(diǎn)

泵送的大流態(tài)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，原材料包括P·O42.5硅酸鹽水泥、I級(jí)粉煤灰、S95級(jí)礦渣粉、二氧化硅含量>90%的半凝聚態(tài)硅灰、自來(lái)水、II區(qū)中砂、粒徑5～20mm連續(xù)級(jí)配片麻巖質(zhì)碎石、聚羧酸系減水劑，混凝土配合比為水泥∶粉煤灰∶礦渣粉∶硅灰∶水∶中砂∶碎石∶減水劑=400∶100∶50∶25∶160∶780∶830∶14.4(kg/m3)。混凝土泵送前工作性良好，擴(kuò)展度660mm，坍落度270mm，J環(huán)擴(kuò)展度630mm，V形漏斗通過(guò)時(shí)間3.85s，屈服應(yīng)力239.5Pa，塑性黏度13.3Pa·s，體積密度2 320kg/m3，混凝土溫度26.2℃。混凝土泵送過(guò)程中采用高壓模式，閥開(kāi)度55%，換向時(shí)間6.7s，泵送排量28.7m3/h。

不同高度處泵管內(nèi)部混凝土泵送壓力如圖7a所示，由圖7a可知，泵送壓力與高度呈良好的線性關(guān)系。圖7a中混凝土泵送壓力包括混凝土自重產(chǎn)生的靜水壓，去除靜水壓后得到可反映沿程泵送壓力損失的混凝土泵送壓力與高度關(guān)系，如圖7b所示，經(jīng)線性回歸得到泵送大流態(tài)C60混凝土所需的壓力PH與泵送高度H關(guān)系為：

圖7 不同高度處泵送壓力

PH=11.28-0.020H

(7)

由式(7)可知，沿程泵送壓力損失為0.020MPa/m，而利用《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》推薦的Morinaga經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的沿程泵送壓力損失為0.025MPa/m，可知計(jì)算結(jié)果大于實(shí)測(cè)結(jié)果，這會(huì)導(dǎo)致泵機(jī)選型升級(jí)，產(chǎn)生不必要的工程成本。

4 結(jié)語(yǔ)

1)開(kāi)孔式壓強(qiáng)計(jì)和貼片式壓強(qiáng)計(jì)測(cè)試結(jié)果具有良好的線性關(guān)系，因此，宜采用簡(jiǎn)單易用的貼片式壓強(qiáng)計(jì)測(cè)定泵管內(nèi)部混凝土泵送壓力及沿程泵送壓力損失。

2)在保證混凝土均勻密實(shí)的前提下，高強(qiáng)混凝土和大流態(tài)混凝土泵送壓力及沿程泵送壓力損失較小。當(dāng)混凝土勻質(zhì)性較差或存在離析現(xiàn)象時(shí)，泵送壓力及沿程泵送壓力損失增大，具有較高的堵泵風(fēng)險(xiǎn)。

3)實(shí)測(cè)工作性良好的大流態(tài)C60混凝土超高程泵送過(guò)程中的沿程泵送壓力損失為0.020MPa/m，小于Morinaga經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值(0.025MPa/m)。對(duì)于坍落度較小的塑性混凝土，利用Morinaga經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的快速泵送沿程泵送壓力損失同樣存在較大誤差，這是因?yàn)榭焖俦盟蜁r(shí)，沿程泵送壓力損失與流速呈非線性關(guān)系。