超高层建筑物混凝土泵送技术研究

2015-12-05王惠生康宇华

天津建设科技 2015年2期

□文/王惠生康宇华

超高层建筑物混凝土泵送技术研究

□文/王惠生康宇华

在现代的建筑工程施工领域，泵送商品混凝土的使用已经十分广泛。对于超高层建筑，象泵输送高度无法满足施工要求，同时混凝土强度等级高、粘性大，对混凝土输送泵的性能要求更高。文章结合工程实例，将超高混凝土泵送技术研究结果进行总结，形成一套超高层建筑的成熟综合施工技术。

超高层；混凝土；泵送；建筑物

在现代的建筑工程施工领域，泵送商品混凝土的使用已经十分广泛。对于超高层建筑，象泵输送高度无法满足施工要求，同时混凝土强度等级高、粘性大，对混凝土输送泵的性能要求更高。

1　工程概况

泰安道五号院工程主塔楼为超高层建筑，建筑高度251.2 m，混凝土结构泵送最大高度约235 m，主塔楼结构共用混凝土约30 474 m3，每层混凝土用量约879 m3，地上结构构件混凝土强度等级见表1。

表1　构件混凝土强度等级

2　施工泵管布置

2.1布置原则

1）对于高泵程混凝土施工，要最大可能的降低输送管道的总压力，在管路设计时尽量减少弯管、椎管的数量，尽量采用大弯管。

2）泵管布置按一次性布置到位，尽量减少拆装。

3）当垂直高度较高或受场地限制时，只靠设置水平管难以平衡逆流压力，则宜在输送管的锥形管和直通管之间设置插阀管（亦称插管），在停止泵送时关闭插阀管以防止混凝土倒流。

2.2现场布置情况

高压泵安置在主楼浙江路一侧，自主楼D～E轴间设置约25m水平管，采用弯头拐至4轴电梯井中并设置竖向管道，管道进入楼内后在4～5轴间加设2个弯头结合约5m的水平管进入电梯井道，垂直布管至7层，结合弯头及水平管，水平布置至5轴楼梯间内与布料杆进料口进行连接，见图1-图4。

图1　泵管布置剖面

图2　首层泵管布置

图37　层泵管布置

图4　泵管布置

根据施工部署，核心筒剪力墙混凝土要先于楼板及钢管混凝土柱进行浇筑，核心筒施工进度要比楼板领先2层，为此，在浇筑楼板及钢管柱混凝土时，将作业层高度的一节竖直管拆下，利用弯管与水平管相接，从而浇筑楼板及钢管柱混凝土。

2.3泵管布置相关计算

1）泵管水平长度换算见表2。

表2　水平管长度换算m

根据表2内容，混凝土泵送的水平管长度换算为1156m。

2）压力损失计算见表3。

表3　压力损失计算

续表3

经计算，混凝土输送压力损失为7.5MPa。

2.4管道的固定

对于高泵程的施工作业，采用的混凝土泵的出口压力很大，均在20MPa以上，泵送时产生的作用力很大，一旦泵管发生爆管现象，后果将非常严重，为了施工安全，如何固定好泵管就十分重要。

水平管道采用混凝土墩为基础安装管道固定架，每隔4m设置一个，尽量不使混凝土泵的振动传递给垂直管，避免产生爆管现象的发生。1～7层在电梯井中的垂直管采用在核心筒剪力墙混凝土结构中预埋固定件，管道与埋件进行固定，对于7层以上穿过楼板的竖直管，在其四周搭设脚手架，以加固泵管，见图5。

图5　泵管加固

把新的、无磨损的管子或管壁厚的管子配置在管路开始处及转弯处，以防管内压力过高爆管。必要时采用超声波测厚仪检验壁厚，若管子长期使用磨损较大，在压力大处一律调换新管。

2.5泵管的磨损检测

由于高压泵的泵送压力大，泵管如若破损，产生爆管，不但影响施工，甚至会危及到周围人的人身安全，后果将十分严重，为保证泵管的可靠性，性能良好的泵管以及泵管的磨损检测就十分必要，为满足施工要求，本工程采用45MN2耐磨管道。

进场后及每次混凝土浇筑前，采用DC-2000B测厚仪，配PT12探头，测量范围1.2～200.0 mm，对泵管进行逐一检测，对于壁厚＜4 mm的坚决进行退场或更换处理，不得投入使用。

采用管壁测量法。测量时，探头分割面可分别沿管材的轴线或垂直管材的轴线测量。在管道的横切面的二方向进行测量，取其中最小值为厚度值。

测量前，所有测量点所需准备：在被测体表面使用耦合剂；利用除锈剂、钢丝刷或砂纸处理被测体表面；在同一点附近多次测量。

所选管与普通管性能比较见表4。

表4　特制耐磨超高压管与普通管性能比较

3　机械的选择

3.1泵送的关键因素

混凝土泵送的关键因素见表5。

表5　混凝土泵送的关键因素

3.2泵的选择

经过比较多个厂家的产品，为满足施工需要，结合实际情况，决定选用三一重工生产的HBT90CH-2128D型号混凝土泵，见表6。

表6　HBT90CH-2128D技术参数

3.3混凝土泵工作能力验算

3.3.1混凝土泵的实际平均输出量

式中：Q1为每台混凝土泵的实际平均输出量，m3/h；Qmax为每台混凝土泵的最大输出量，m3/h；α1为配管条件系数，取0.8；η为作业效率，取0.6。

则Q1=ηα1Qmax=0.8×0.6×70=33.6（m3/h）

3.3.2混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失计算

K1=300-S1

K2=400-S1

式中：△PH为混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失，Pa/m；r为混凝土输送管半径，m；K1为粘着系数，Pa；K2为速度系数，Pa·s/m；S1为混凝土坍落度，本工程为200 mm；为混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，取0.3；V2为混凝土拌和物在输送管内的平均流速，取0.76 m/s；α2为径向压力与轴向压力之比，取0.9。

则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计算

式中：Pmax为混凝土最大泵送阻力，MPa；L为各类布置状态下混凝土输送管路系统的累计水平换算距离，m；△PH为混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失，（Pa/m）；Pf为混凝土泵送系统附件及内部压力损失，MPa。

3.3.4混凝土泵的最大水平输送距离计算

式中：Lmax为混凝土泵最大水平输送距离，m；Pe为混凝土泵额定工作压力，MPa。

3.3.5最大混凝土出口压力的确定

在一般的泵送施工经验中，混凝土泵的最大出口压力比实际所需压力高，多出的压力储备用来应付混凝土变化引起的异常现象，避免堵管。而对于本工程这样的超高层建筑的混凝土泵送，其他意外因素很多，要求的可靠性更高，显然应有更多的压力储备。因此，根据计算及工程经验，确定泵的最大出口压力为28MPa。

3.4超高压泵技术特点

3.4.1双动力结构

为保证施工过程的可靠性，BT90CH-2128D采用2台柴油机分别驱动2套泵组，应用这种双动力功率合流技术，平时两套泵组同时工作，当一组出故障是切断改组，另一组仍维持50%的排量继续工作，避免施工过程中断造成损失，提高施工过程的可靠性，保证混凝土施工的连续性。

3.4.2全自动高低压切换

液压系统高低压泵送模式切换过程全部由计算机控制，根据所需要的压力不同，按一个按钮就在瞬间完成切换，不需停机，便于施工人员操作。

3.4.3眼镜板和切割环

液压系统高低压泵眼镜板的反推力，导致密封失效，而这一对耦合件间的密封性是保证超高层泵送的关键。泵机通过优化S管的流线减小反推力，同时采用高预紧力技术使切割环与眼镜板紧密贴合，保证可靠密封。

1）动密封。主要是间隙自动补偿，补偿结构主要依靠图6中2的橡胶材料的弹性来推动3切割环与4眼镜板紧密连接，消除间隙。

图6　动密封结构

2）静密封。管道密封为锥面定心、O型密封圈密封结构，以防止密封圈因高压从管夹的间隙中挤出，导致压力泄露，造成漏浆堵管。

3.4.4耐超高压的管道系统

在超高压泵送施工中，管道内压力最大达到28 MPa，而且超高压管道通常长度、重量较大，一旦发生堵管，受施工环境的影响，拆装很不方便，所以需要采用特制耐磨管道。

特质耐磨管道采用合金钢特制，经过特殊淬火处理，寿命比普通Q345钢管提高3～5倍，保障了管道的抗爆能力和耐磨损寿命。

4　主要施工方法

4.1混凝土浇筑和振捣

4.1.1核心筒混凝土施工

混凝土一次泵送到位，将混凝土浇筑于液压爬模内，每层浇筑至楼承板下皮标高，振捣棒振捣密实。

4.1.2楼承板混凝土施工

混凝土一次泵送到位，平板式振捣器振捣密实。在专用钢筋马凳上铺脚手板作为浇筑马道，以防钢筋被踩变形。过程中派专人看护钢筋，调整纠偏。

楼承板混凝土的虚铺厚度要略厚于板厚，采用平板振捣器振捣且沿浇筑方向振捣，用平板振捣器借助标高线用卷尺随时检查混凝土厚度及表面标高。振点均匀排列、逐点移动、顺序进行、不得遗漏。振捣完毕后用木抹子搓压、拍实两遍并用铁抹子找平。

4.1.3钢管混凝土施工

钢管混凝土的配合比等相关技术要求采用高位抛落自密实混凝土，其自身的技术性能良好，流塑性较普通混凝土高很多。为保证钢管混凝土的浇筑施工质量，钢管内的空气能够排出，确保混凝土的密实度，施工浇筑时利用布料杆浇筑，稍微加以振捣，以保证施工质量。对于个别布料杆臂杆无法到达的位置，使用塔吊配合漏斗浇筑，辅以振捣。

4.2混凝土养护

混凝土浇筑完毕后，在12 h以内及时采取覆盖保温养护措施并保持湿润，严防脱水、裂缝。

1）核心筒剪力墙混凝土采用浇水养护，浇水次数以保证混凝土墙面呈潮湿状态为准。

2）楼承板混凝土浇筑完毕后，在12 h内必须用塑料薄膜覆盖，保湿养护。

3）混凝土养护时间不得少于7d。

4）冬季施工期间，混凝土采用综合蓄热法养护，覆盖塑料薄膜，然后盖双层防火草帘被进行养护。

5）冬季施工需对混凝土内部及外部环境温度进行测量，控制混凝土内外温差，严格控制内外温差＜25℃。

4.3混凝土试验及记录

1）坍落度试验。从现场混凝土罐车出料口取出一定量的混凝土做坍落度试验，试验人员须按要求认真填写相关记录。

2）标准养护试块制作。每一层现浇混凝土均按照相关规范要求，留置相应的标准养护试块。

3）同条件试块制作。常温条件下根据不同部位留置同条件试块。

4）混凝土抗压强度，以边长100 mm的立方体试块，在温度（20±2）℃和相对湿度为95%以上的潮湿环境或水中的标准条件下，经过28 d养护后试压确定。试块必须在现场制作，在入模前取样。

4.4冬季泵管保温

结构施工跨越2个冬季，为保证冬季施工中泵管内的混凝土不受冻，除在混凝土的配合比、水泥强度等级方面做出相应调整外，对于混凝土泵管也必须采取相应的措施。采用岩棉保温管，选取的保温管内径须大于泵管外径，将保温管剖开，包裹于混凝土泵管外，以达到泵管保温的效果。

5　施工技术要点

5.1直接水洗技术

5.1.1概述

传统的超高层泵送管路清洗方式是在混凝土浇筑完成后，将海绵球塞入浇筑层的管头，再打开截止阀，则管路中混凝土因自重作用而下降，在下降的时候造成真空将海绵球吸下从而清洗管壁，等到海绵球被吸到一定高度时，管中混凝土因流动阻力与自重压力平衡，再利用水泵泵送高压水，来清洗平衡位置以下的管路，此种清洗方法十分繁琐且浪费资源。

本工程选用的HBT90CH泵机采用的为三一重工专利技术的混凝土活塞，自动补偿磨损间隙的专利眼镜板、切割管以及管路的良好密封性，采用水洗技术，直接用混凝土泵泵送水洗。水洗输送管可最大限度的利用管道中的混凝土，减少混凝土浪费以及对施工环境的污染。

5.1.2水洗原理与方法

海绵塞的水洗方法在高度上受限制，一定高度以上时，若仍用海绵塞，由于海绵塞不能完全对高压水密封，渗过海绵塞的高压水形成小激流，流速比海绵塞快，从而冲走混凝土的砂浆，使海绵塞前的石子越积越多，而且石子与壁管摩擦力为滑动摩擦，摩擦阻力大，再加上石料自重，当水流推力不足以克服石料自重和阻力时，就会发生堵管。而采用水洗方法时，用混凝土泵直接泵水清洗且不用海绵塞，其原理几乎与泵送混凝土的原理完全一样。刚开始时，水会冲击砂浆，形成一堆石子和过渡层，之后，在高压水柱的强大层流作用下，高压水柱推动石子、过渡层和混凝土同速前进，石子与壁管摩擦为滚动摩擦，摩擦阻力小，不会出现石子越积越多的现象，从而实现泵送多高，水洗多高。当浇筑层的管头出现过渡层混凝土（与正常混凝土不一样），用斗承接过渡层的混凝土，直到出水。然后反抽，首先残留石子在自重作用下，沉入管路底层，反抽形成真空，在高层水柱压力作用下，将残留石子吸压回料斗，如此完成整套管路清洗。

使用该种水洗技术，还可以满足施工操作面的消防要求，一旦操作面发生火情，使用混凝土泵将消防用水泵送至操作面。为满足消防的用水量，须有足够的消防水储备，以保证水量和水压。

5.2混凝土配合比注意事项

5.2.1水泥用量

适用于超高层泵送混凝土的水泥用量必须同时考虑强度和可泵型，水泥用量少强度达不到要求，过大则混凝土的粘性大、泵送阻力增大进而增加泵送难度，而且降低吸入效率。

5.2.2粗骨料

常规的泵送作业要求最大骨料粒径与管径之比≯1∶3；在超高层泵送中因管道内压力大易出现离析，此比例宜＜1∶5，而且其中的尖锐扁平的石子要少，以免增加水泥用量。

5.2.3坍落度

普通泵送作业中混凝土的坍落度在160 mm时最利于泵送，坍落度偏高易离析、低则流动性差。在超高层泵送中为减小泵送阻力，坍落度宜控制在180～200 mm，同时为防止混凝土离析可掺入沸石粉以减少泌水。

5.2.4粉煤灰及外加剂

粉煤灰和外加剂复合使用可显著减少用水量，改善混凝土拌和物的和易性。但由于外加剂品种较多，对粉煤灰的适应性也各不相同，其最佳用量应通过试验来确定。