C40 超長（高）距離泵送混凝土技術研究及應用

趙守忠，郭叢喬

（1. 建華建材（山西）有限公司，山西 呂梁 030599；2. 陽泉冀東水泥有限責任公司，山西 陽泉 045011）

0 前言

目前，泵送混凝土施工方法已廣泛用于建筑工程中，但對于高度大于 200m、長度超出 1000m 的超長、超高距離泵送，必須解決因泵送壓力過大，給泵送施工帶來的混凝土漿體與骨料分離、泵管選型、泵壓大小控制范圍、泵管的布置等一系列技術難題。因此，在進行超長、超高混凝土原材料選型、配合比設計、試配及試生產驗證時，必須同時考慮混凝土攪拌生產、泵送、施工等方面對超長、超高距離混凝土的生產和泵送質量控制的多方面影響因素，以便提高混凝土可泵性。這對于提高超長、超高混凝土建筑施工質量及施工效率，具有一定的參考價值和借鑒意義。

1 混凝土原材料的選型

1.1 膠凝材料

在混凝土拌合物中，水泥漿填充集料顆粒間的空隙并包裹著集料，在集料表面形成漿體層，在漿體與集料不易分離的前提下，漿體層的厚度越大，則集料移動的阻力就會越小，同時漿體量大，集料相對減少，混凝土流動性變大，混凝土拌合物的和易性就越好，而石子本身在混凝土拌合物中并無流動性，它一定要均勻分散在水泥漿體中隨著水泥漿體帶動向前移動，石子隨漿體的移動受到的阻力與漿體的充盈度有關。在泵送管道內壁形成的漿體層可起到潤滑層的作用，降低了泵送阻力，利于泵送施工。為此，配制超長（高）距離泵送混凝土應注意如下事項：

（1）混凝土膠凝材料漿體的含量：JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術規程》對泵送混凝土的最小水泥用量有明確的規定，其目的就是為了保證拌合物中的最低漿體含量，既要保證填充集料空隙，包裹集料的漿體體積的含量，又要滿足攪拌運輸車、泵送管道等對漿體的沾附，因此混凝土膠凝材料漿體的含量對混凝土泵送特別重要。

（2）膠凝材料中水泥種類、比表面積、熟料礦物組成、凝結時間、水泥使用的溫度、SO3含量、混合材種類與摻量等對滿足施工要求的工作性的混凝土用水量、流動性、保水性、粘聚性、坍落度損失的變化，影響差異較大，對混凝土可泵性具有至關重要影響。

（3）摻合料種類：綜合混凝土性能指標要求，合理選擇摻合料種類及摻量對混凝土拌合物狀態控制非常必要。水泥、摻合料組成的膠凝材料的顆粒級配對膠材漿體的用水量、漿體流動性影響很大。

針對國家規范標準規定及混凝土施工性能要求，我們對配制混凝土的膠凝材料進行了大量試驗和選型，最終確定選用如下膠凝材料：

（1）水泥：陽泉冀東水泥廠生產的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，該水泥質量穩定，與外加劑適應性優良其性能如表 1 所示。

表 1 水泥性能指標

（2）粉煤灰：選用華奧電力生產的 F 類 I 級粉煤灰，其各項指標滿足 GB 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準要求，性能如表 2 所示。

表 2 粉煤灰性能指標

（3）礦粉：選用河北冀泰礦微粉廠生產的 S95 級礦粉，其各項指標滿足 GB/T 1804—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》標準要求，性能如表 3 所示。

表 3 礦粉性能指標

1.2 集料

在混凝土中，粗、細集料含量最大，泵送混凝土除了漿體以外，剩余的就是粗、細集料，集料占的體積最大，其各種性能比如：粗顆粒最大粒徑、顆粒級配、含泥量、泥塊含量、顆粒形狀、表面狀態、細顆粒含量、吸水性能等，對混凝土拌合物的可泵性影響很大。

（1）顆粒級配：顆粒級配好的集料，其空隙率小，滿足泵送所需的漿體量少，在同樣漿體量的前提下，混凝土的可泵性就更好。粗大集料的空隙需要粒徑較小的粗集料及細集料填充，0.3～10mm 的顆粒含量高低顯著影響混凝土拌合物的可泵性，當這種顆粒含量過多、砂子偏粗，石子偏細時，就很容易導致混凝土拌合物呈現粗澀、松散狀態，混凝土各組分間摩擦阻力大、流動性差、可泵性差，反之，如含量過少，砂子偏細、石子偏大，則會增大外加劑用量和用水量，造成拌合物粘聚性變差而顯露離析狀態。

（2）集料粒徑：如果增大集料平均粒徑，則質量相同的集料顆粒總數減小，那么同樣數量的漿體對集料的裹漿層變厚，混凝土拌合物流動性得到改善；在相同的配合比條件下，隨著集料最大粒徑的減小，漿體含量需要增加。同時為了保持集料在混凝土拌合物漿體中處于懸浮狀態，粗集料粒徑不應大于 20mm。

（3）砂率的變化對混凝土可泵性的影響：根據粗細集料的實際質量，合理地調整砂率，可以在漿體量一定的情況下，使得混凝土拌合物的坍落度、擴展度、流動性達到優良狀態。砂率過大，則會增大集料的總表面積和空隙率，降低集料間的漿體層厚度，拌合物發干、流動性差；砂率過小，砂子不足以填充粗集料間的空隙而需更多的漿體填充，石子相互間內摩擦阻力增大，拌合物的流動性變差，嚴重影響了拌合物的黏聚性、保水性及對粗集料的包裹性，使得拌合物呈現離析、發散、抓底狀態，石子外露，漿體流失。因此，根據試配，選用合理的砂率，可以使用相同漿體量配制最大的坍落度、流動性的混凝土，或達到相同混凝土拌合物工作狀態時所需膠凝材料用量最少。

（4）粗細集料的顆粒形狀、表面狀態對混凝土可泵性的影響：顆粒圓潤、表面光滑的石子，其空隙率小、表面積小，填充空隙和包裹顆粒所需的漿體較少，相同漿體量時，增大了集料裹漿層和管道潤滑層漿體厚杜，減少了摩擦阻力，混凝土的流動性大，利于混凝土的泵送施工；如果采用棱角系數大的集料，則會明顯影響混凝土拌合物的流動性、和易性及工作性。

（5）集料的吸水率對可泵性的影響：當混凝土進行遠距離泵送澆筑時，在大的泵送壓力條件下，會使已經飽和吸水的集料水分向集料內部孔隙發生遷移，在壓力解除后只有部分水分得到釋放，這樣就會降低漿體的水分，降低漿體的流動性，影響混凝土的工作性。因此，當工程采用吸水率較大的集料配制混凝土時，應對這種集料做濕潤處理，對抗凍要求高的地區，應選用吸水率較低的集料。

綜上所述，通過大量試驗、試配優選出粗集料為井陘礦區生產的 5～16mm 連續粒級碎石，其各項指標符合 JGJ 52—2011《普通混凝土配合比設計規程》標準要求，性能指標如表 4 所示。

表 4 碎石性能指標

細集料為靈壽砂廠供應的水洗河砂，其各項指標均滿足標準 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》中砂標準要求，顆粒級配良好，含泥量不超過 2%，具體性能指標如表 5 所示。

表 5 砂性能指標

1.3 外加劑

為了滿足超長、超高混凝土泵送施工工藝的要求，對外加劑的選型至關重要，一般高效減水劑無法滿足混凝土施工性能要求，必須選用復合型聚羧酸高性能減水劑，此類外加劑須具備如下功能：（1）降低混凝土單方用水量，增大拌合物流動性，改善混凝土的工作性。（2）降低混凝土拌合物的粘稠度，提高混凝土拌合物的粘聚性和保水性，保證混凝土拌合物不離析、泌水，便于控制混凝土泵送壓力。（3）合理復配外加劑，降低坍落度和擴展度損失，改善漿體流動性喪失的缺陷。（4）延緩膠凝材料水化，延長凝結時間以適應遠距離泵送、施工操作時間，保證入模混凝土的施工操作性能。（5）改善因水膠比降低而增加的混凝土黏度以降低拌合物摩擦阻力，保證混凝土拌合物具有適當的漿體含量和適宜的流動性。（6）合理摻加引氣組分和穩泡劑，它可以在管壁上形成大量小的穩定氣泡，起到類似滾珠作用，減少阻力，增加混凝土可泵性，同時保證混凝土硬化后收縮低、后期強度滿足工程要求。

通過對國內外幾十家聚羧酸高性能外加劑的試驗、試配及選型，綜合考慮混凝土坍落度損失、泵送、泵損、工作性、入模板混凝土的施工性能等因素，最終確定選用巴斯夫多種母液、引氣組分、穩泡劑、緩凝組分等配制的復合型專用外加劑。其主要性能指標如表 6 所示。

表 6 復合型專用外加劑性能指標

1.4 水

混凝土拌合水采用日常生活用水，其各項性能指標滿足 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》標準要求。超長距離泵送混凝土中水的作用：它既是傳遞泵送壓力的關鍵介質，又是混凝土拌合物各組成材料間的聯絡相，合理控制混凝土配合比單方用水量對混凝土可泵性影響至關重要。

2 試驗室混凝土配合比的設計思路及考慮因素

混凝土配合比設計原則：滿足混凝土拌合物的具有良好工作性、混凝土強度、長期耐久性及其他性能滿足設計要求，同時經濟合理。

2.1 設計思路

（1）首先通過試驗對水泥和外加劑品種進行選型，選用的水泥品種與外加劑必須具有優良的適應性，并且水泥的標稠用水量低。

（2）確定優質的礦物摻合料并通過試驗確認最佳摻合料雙摻比例及摻合料的最佳替代摻量。

（3）充分考慮膠凝材料和 0.3mm 細粉料的含量的影響。滿足混凝土可泵性時應保證混凝土中含有合適比例的細分料數量，以便提高混凝土漿體的內聚性，避免在高泵壓下的脫水作用，如果混凝土中細粉料對水沒有足夠的吸附能力和阻力，那么部分水在泵送壓力下，從固體顆粒間的空隙流向阻力較小的區域，造成輸送管道內壓力傳遞不均，使水先流失、集料與漿體分離，混凝土流動性降低，泵送管壁潤滑層的流動漿體變少，導致泵送阻力變大、堵泵。

（4）膠凝材料之間的顆粒級配的影響。在設計超長、超高泵送配合比時，充分利用顆粒密度分布儀，通過試驗結果分析細顆粒間的級配、不同粒徑細顆粒分布比例，通過膠凝材料中水泥與摻合料的不同搭配比例，使其空隙率最小，這個方法可以有效控制混凝土的泵送損失。具體的方法是通過檢測不同比例摻合料的凈漿流動度及顆粒粒度分析報告相結合來確定各組份的最佳比例。而且，常用膠凝材料的顆粒組成、形狀和表面狀態各自不同、各具特點，可以通過調整其組成結構以充分發揮各自的特點和優勢。

（5）根據遠距離泵送混凝土的需求，通過對多種聚羧酸外加劑、功能小料等復配調整外加劑性能，使其具有緩凝、保坍、保水、減少等綜合功能，同時采取調整砂率、粉體含量等措施，進一步解決混凝土和易性與黏度之間的矛盾，特別是考慮混凝土黏度的經時變化量對混凝土可泵性的影響。

（6）依據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》、CECS 203—2006《自密實混凝土應用技術規程（附條文說明）》標準要求，結合工程現場的實際情況、泵送距離等因素設計不同配合比，然后在試驗室進行反復試配，使混凝土拌合物狀態滿足自密實混凝土性能指標要求，根據試驗結果優化、確定試驗室最佳配合比。

（7）模擬現場施工條件，采用不同的配合比在生產線進行試生產，并運送至其他工程施工現場進行泵送施工，檢測、記錄施工現場混凝土實際入泵狀態（和易性、坍落擴展度等）、泵送損失情況及入模狀態，然后根據實際情況進行調整。

2.2 考慮因素

2.2.1 超長（高）距離泵送混凝土的可泵性

（1）選用優質原材料，優化混凝土配合比，解決混凝土黏度與和易性之間的矛盾。

（2）混凝土坍落度與擴展度、泵送損失的控制。

（3）混凝土擴展度和黏度經時損失的問題。

（4）超長距離泵送高流動性混凝土的抗壓強度保證問題。

2.2.2 混凝土泵的合理選型（混凝土泵的輸出壓力高、閥門密封性好、輸送管耐高壓）及輸送管道布置合理

設備最大泵送能力應有一定的儲備， 以保證輸送順利，避免堵管。設備的配置應以可靠性為首要原則，超長、超高距離混凝土輸送合理的布置管道至關重要，一旦因設備故障而中止泵送 2h 以上時，混凝土在輸送管內會出現泌水、離析，將使整個管道系統內混凝土報廢而嚴重影響施工質量。經對施工現場及周圍環境的反復勘察，確定從山體西北側開始沿山體依山傍體布置管道并加固泵管，防止泵管的晃動影響泵送效果。同時經過計算及有類似項目人員的經驗和相關專家的多方面影響因素的研討，確定混凝土泵選用 50 型雙動力泵。

2.2.3 混凝土泵管及密封圈選型

針對超長（泵送管道長度大約 1200m）、超高（高度大于 200m）泵送的需求，必須選用耐高壓、耐磨損泵管。經過與三一泵管生產廠家技術人員溝通，決定采取下述解決方案：

（1）泵送管道壁厚的選型：為了保障管道的抗爆能力，采用壁厚為 9.5mm 以上的超高壓管道。

（2）泵送管道的連接與固定： 管道間的連接用螺桿強度級別保證，縱向拉力由螺桿承受，保證接頭處牢固、可靠。

（3）泵管密封圈的選型：由于泵送距離超長，泵送高度超高，混凝土在輸送管中停留時間長，如果泵管在接頭處連接不嚴，有水溢出，混凝土在輸送過程中必然有坍落度損失，影響混凝土可泵性，因此應檢查泵管連接嚴密性及穩固性，經常檢查更換膠圈，防止混凝土因失水干澀而失去可泵性堵管。管道接頭密封圈選用帶骨架的超高壓混凝土密封圈，可以防止混凝土在21MPa 的高壓下從管夾間隙中擠出，確保密封有效可靠。

（4）輸送管管徑的選型：泵管的管徑越小則輸送阻力越大，導致過大的輸送管抗爆能力差，同時，輸送管道的磨損加大，混凝土在管道內流速慢、停留時間變長，混凝土的綜合性能受到影響。經反復選型確定選用三一公司生產的管徑為 125mm 的高壓、耐磨輸送管。

2.2.4 混凝土配合比設計對混凝土可泵性的考慮

混凝土組成材料及其配合比設計直接影響混凝土的可泵性和混凝土與管壁間的摩擦、壓力條件下漿體性能及混凝土質量變化等，因此配合比設計考慮如下：

（1）混凝土的流動性表征參數：坍落度、擴展度，T50時間（控制在 5～10s）、和易性、保水性、粘聚性。在不離析、泌水的條件下，坍落擴展度大的混凝土，流動性好、混凝土黏度合適（不粘管壁）、泵送壓力小，便于長距離泵送施工。

（2）膠凝材料、水的用量及水膠比的選擇：對于超長、超高距離泵送混凝土配合比設計采用體積法，需要同時考慮材料漿體包裹集料的漿體、保持混凝土流動性的漿體及攪拌生產、運輸設備、泵送管道等消耗的漿體，同時，根據混凝土強度等級、耐久性及其他性能要求，合理通過試驗、試配確定混凝土水膠比及單方混凝土的用水量。單位體積粉體量宜控制在 0.16～0.21m3，膠凝材料用量高、水膠比降低，則均引起粘著系數和速度系數隨之增大，反之，則容易發生離析、泌水，造成拌合物不均勻而引起堵管。

（3）砂率：合理的砂率是影響混凝土可泵性的主要因素。砂率過高，需要足夠的漿體才能提供合適的潤滑層，否則粘著系數和速度系數會加大，適當降低砂率可以提供適當的漿體包裹量，但過低則容易發生離析。

（4）粗、細集料的影響：粗集料粒徑大小、顆粒形狀、表面結構、級配組成、吸水性能對混凝土可泵性影響很大，應選擇空隙率小、針片狀含量少、吸水率小的集料，粗骨料粒徑不宜超過 20mm 選用泵送混凝土用細集料時，應特別注意 0.3mm 和 0.15mm 篩通過的細砂含量及小于 0.075mm 粉體顆粒的含量，這部分砂對漿體的流動性、離析和泌水、黏度性能、含氣量等影響作用極大，影響混凝土的可泵性。

（5）含氣量：通過加入適量的引氣組分和穩泡劑，同時氣泡的結構（數量及大小）要合理，控制混凝土的含氣量為 3%～5%。

綜合考慮多方面的影響因素并經過大量的試驗、試配及反復驗證，初步確定 C40 超高、超長距離泵送混凝土配合比如表 7 所示。

表 7 C40 超高、超長混凝土配合比 wt.%

2.2.5 溫度對混凝土可泵性的影響

混凝土的出機、入泵溫度直接影響混凝土水化速度和混凝土拌合物的坍落擴展度的損失、流動性、和易性等，進而影響混凝土的可泵性，因此，必須采取有效措施，降低混凝土出機及入泵溫度。一般溫度控制入泵溫度不高于 25℃，最高不超出 30℃，具體思路如下：

（1）降低原材料溫度：新進廠水泥、礦粉溫度一般不低于 50℃，粉煤灰不低于 35℃，砂石溫度基本與環境溫度保持一致，因此需要提前將膠凝材料進廠分倉存放降溫。

（2）夏季高溫時在生產使用的水中加入冰屑降低水溫。

（3）夏季高溫季節對泵送管道進行覆蓋，防止暴曬，減小泵損。

2.3 混凝土配合比在攪拌站生產線上的驗證、調整及試生產

該種 C40 混凝土配合比確定后，開始購進滿足要求的原材料，依據確定的配合比，在生產線上進行混凝土各種性能的調整、驗證，將滿足要求的混凝土拌合物應用于同強度等級混凝土實體澆搗、養護及實體檢測，其各項性能指標優良，均達到 C40 混凝土的要求。

3 工程應用

西部長青懸索橋工程位于鹿泉區境內山頂處，此處山高 200 多米，山頂據山腳位置距離超過 1000 多米，在兩個山體之間架設一道玻璃棧道懸索橋，混凝土使用方量 15000 多方。混凝土公司技術人員、泵車司機、施工方人員相互密切配合，共同采取如下一系列措施對所供應的混凝土進行過程管控：

3.1 泵送管道的布置

布管應根據混凝土的澆注方案設置并少用彎管，盡可能縮短管線長度。首先，混凝土公司的技術人員、泵車操作手、監理、施工方技術人員對施工現場的地理位置、地形等進行了多次巡查，反復商討，確定了泵送管道布置的路線及詳細的布管方案，從山體的西北方向開始沿著山體的走向，依傍山體進行布管，既保證布置的泵管牢固穩定，又盡量減少彎管，管道總長約 1200米。未進行盤管試驗，直接進行泵送混凝土，非常成功完成混凝土泵送、施工。

3.2 混凝土生產原材料質量控制與混凝土生產過程控制

（1）進廠原材料質量控制：膠凝材料、外加劑每車取樣進行進廠初始檢測，砂石料外觀質量實行車車檢驗，不合格的原材料一律做退貨處理。

（2）各種生產設備計量誤差控制：每臺計量設備除按國家檢定標準請第三方機構進行檢定合格后方可投入使用，每月至少對計量設備自檢一次，嚴格控制計量誤差滿足標準要求。同時，在生產過程中，設備人員24 小時對設備進行監控和巡查，發現問題立即處理。

（3）微機室操作人員嚴格按照生產配合比進行生產。每次開盤時，和現場調度確認開盤時間，發 2 方水、4 方砂漿和 1 車 10 方 C40 混凝土，施工正常后根據現場調度要求發灰。根據經驗查看每盤混凝土的出機、卸料狀態，質檢人員負責對每車出廠混凝土拌合物狀態進行查看、檢測，每車出廠混凝土坍落度控制在(200±20)mm 范圍內，混凝土拌合物和易性好、不離析泌水，不滿足要求的混凝土禁止出廠。

（4）施工現場質量控制：施工現場設現場質檢人員 1 名，負責對每一車入泵混凝土的狀態進行確認，當混凝土拌合物狀態不滿足施工要求時對入泵混凝土使用二投外加劑進行調整，嚴禁離析、泌水混凝土及不滿足施工性能要求的混凝土卸料入泵。嚴禁向罐車內混凝土加水。

（5）施工現場設置專職調度 1 人，通過對講機、GPS 定位等通訊設備，根據施工速度，合理控制發車速度和發車頻次，盡量保證每車混凝土拌合物在最佳狀態下入泵、澆搗。

（6）現場施工人員嚴格按要求進行振搗、養護混凝土。

3.3 施工過程的控制

（1）現場施工人員嚴禁向混凝土中加水。

（2）每次開盤前必須對布置好的輸送泵管進行檢查，安排專人負責全線檢查，先泵送潤管的水，檢查整條管路的密閉性，存在漏水的管卡要及時更換，確認泵送管道通暢、密封完好后，方可通知攪拌站開始混凝土的生產和供應。

（3）泵送過程中混凝土泵液壓系統的工作壓力控制范圍為 16～21MPa，混凝土出口壓力 13MPa，每分鐘換向 9～11 次，輸送量約 24m3/h。

（4）混凝土可泵性能控制及檢測：每車混凝土卸料前，質檢人員對混凝土狀態進行確認，發現異常，做出恰當的處置。施工現場混凝土可泵性能指標要求見表8。

表 8 混凝土可泵性能要求

（5）混凝土的力學性能

通過對留置標養試塊強度統計結果見表 9。

表 9 混凝土強度結果

總之在建設方、監理、施工方及泵送設備人員的配合、支持下，沒有進行盤管試驗，一次將 C40 混凝土成功泵送至山頂，受到了施工方、監理及建設方的認可和贊揚，該項工程歷經春、夏、秋、冬，整個施工過程中從未因混凝土拌合物性能給項目施工帶來任何問題和不良影響，主體檢測合格。具體工程實踐表明，只要施工單位和混凝土供應單位密切配合，針對難題結合當地混凝土原材料特性，混凝土工程質量完全可以保證。為公司創造了良好的經濟效益和質量信譽，向客戶繳了一份滿意答卷，打造了企業的品牌和知名度。