超高泵送混凝土施工技术在超高层建筑工程的应用

魏春春，杨盼龙，张保卫

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

0 引言

泵送混凝土越来越多地运用到各项工程中，而当输送高度达到一定程度时，对输送泵、输送管线、混凝土的工作性能的要求就会越来越严格。为防止在泵送过程中发生离析、堵管等现象，保证混凝土的质量，不仅需要加强对原材料、混凝土配合比、混凝土状态的控制，还要确定合适的泵送设备、布设合理的输送管道、制定合理的施工措施。

1 工程概述

中交汇通横琴广场工程3号塔楼，建筑面积124 622 m2，地下部分4层，地上部分62层，结构高度299.4 m，建筑高度309.4 m。

结构形式为钢管混凝土框架+核心筒+伸臂桁架结构，核心筒竖向结构（标高0~44.05 m）及2道伸臂桁架层（第1道标高93.55~110.05 m、第2道标高191.05~207.55 m）的混凝土强度等级均为C60自密实混凝土，标高44.05~212.05 m除伸臂桁架层以外均为C60混凝土，标高212.05-252.55 m为C50混凝土，标高252.55-299.4 m为C40混凝土。

2 混凝土原材料的选择及配合比设计

2.1 混凝土原材料的选择

表5 试配混凝土强度试验结果Table5 Strength test results of mixed concrete

1）细骨料为中砂，试验实测结果如表1[1]。

表1 砂主要性能指标实测表Table1 Main performance indexes of sand

2）粗骨料选用粒径5~20 mm、5~25 mm的连续级配碎石，属于花岗岩，试验结果如表2。

表2 碎石主要性能指标实测表Table2 Main performance indexes of crushed stone

3）胶凝材料选用普通硅酸盐水泥42.5R，域级粉煤灰，S75级矿粉。外加剂选用SP-1聚羧酸缓凝型高效减水剂。

2.2 配合比设计

超高泵送混凝土配合比设计必须满足：和易性良好、流动性好、黏度较小、无离析泌水现象，易于泵送且满足28 d强度和耐久性要求；自密实混凝土还需满足规范对自密实性能的要求[2]。自密实性能指标符合表3要求。

表3 自密实拌合物的性能及要求Table3 Performance and requirements of selfcompacting mixtures

通过一系列实验，最终确定了7组砂率合理、水胶比最佳、符合施工泵送要求的配合比，具体如表4[3]。

表4 核心筒混凝土配合比Table4 Concrete mix ratio of core tube

2.3 混凝土的性能试验及分析

1）物理力学性能试验分析

按表4的试验配合比试拌，配制成型150 mm的立方体试块，每组配比制作4组试块进行标准养护，分别在7 d和28 d进行强度试验，见表5，符合规范要求[4]。

2）拌合物的工作性能分析

经试拌验证，拌合物流动性良好，保水性和黏聚性均满足要求[5]；且在1.5 h后坍落扩展度的损失较小，满足实际运距的要求，见表6。从表6中可得每组配合比试块在7 d标准养护后强度即可满足设计要求。

表6 试配混凝土拌合物性能试验结果Table6 Performance test resultsof test mix of concrete

3 泵送设备及管路选型

3.1 混凝土管道布置

1）高压泵定位

本工程选用2台型号为HBT9035CH-5S混凝土高压泵进行混凝土的超高泵送工作，在塔楼核心筒电梯井筒内布置2台型号为HGY21布料机负责布料。高压泵的摆放位置综合考虑了方便搅拌车喂料、机操手操作且不阻碍施工现场交通等因素，并且确保水平管路长度不小于垂直管路长度的1/5。

2）水平管道布置

垂直向上配管时，随着高度的增加，混凝土势能增加，存在回流的趋势，因此在混凝土泵和垂直配管之间敷设一定长度的水平管道。水平泵管配管时，长度不宜小于垂直泵管的1/5。

本工程综合考虑现场场地，确定水平泵管长度为70 m，泵送布置3套泵管，为减少泵管投入，优化与2号泵机所接的2套水平泵管走向，实现了泵管共用。每套水平泵管，在距离泵机出料口6 m左右处设置1个液压截止阀。

3）垂直管道布置

根据水平泵管布设规划，垂直管道共布置3套，其中，核心筒西侧1套，东侧2套。在楼板上预留250 mm伊250 mm的方形洞口，便于泵管从楼层穿过。垂直管道预留孔平面布置如图1。

4）泵送管道的固定

水平泵管固定采用管道夹加钢筋混凝土支墩的固定方式。泵管安装后保持同一水平。支墩布置间距为3耀4 m，保证每根泵管下均有1个支墩固定，每个支墩采用2个管道夹固定。

垂直泵管固定在混凝土墙体上，每隔4耀5 m设置1个固定点，泵管穿过楼板预留孔后采用木楔楔紧。

图1 垂直管道预留孔平面布置图Fig.1 Plane layout of reserved hole of vertical pipeline

3.2 泵送设备选型

1）泵管压力计算

泵送设备的选型受泵送高度、泵送方量、混凝土配合比等因素的影响。因此，需要从工程实践角度对泵送混凝土所需高压泵的出口压力进行计算。核心筒竖向结构浇筑布料选用HGY21布料机，布料机高度2.7 m，混凝土泵送垂直高度为302.1 m。混凝土泵送所需压力：

式中：P1为混凝土在管道内流动的沿程压力损失；P2为混凝土在垂直高度方向因重力产生的压力；P3为混凝土经过弯管的局部压力损失。

依据公式[6]：式中：驻PH为单位长度的沿程压力损失，Pa/m；L为管道总长，垂直管道长度302.1 m，水平管长度70 m，布料机管道长度21.0 m，管道总长393.1 m；d为泵管直径，mm，内径125 mm；K1为黏着系数，Pa，取 K1=（3.00-0.01）伊102=100 Pa；S 为混凝土坍落度，取200 mm；K2为速度系数，Pa·s/m，取K2=（4.00-0.01）伊102Pa·s/m；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为混凝土在管道内的平均流速，m/s；当排量在40 m3/h时，流速约0.9 m/s；a2为径向压力与轴向压力之比，取0.90。

计算得：

式中：籽为混凝土密度，取2 400 kg/m3；g为重力加速度，取10 m/s2；H为泵送高度，按302.1 m计算；P3=13伊0.1+0.1+0.2=1.6 MPa

90毅弯管：R=1.0 m（3根），R=0.5 m（10根），每个弯管压力损失0.1 MPa；截止阀1个，压力损失0.1 MPa；分配阀1个，压力损失0.2 MPa。

由上述计算得出，垂直泵送混凝土至302.1 m高，泵的出口压力计算值P=12.63 MPa，考虑20%的压力富余量，则有12.63伊1.2=15.16 MPa。

2）设备及泵管选用

综合考虑，选用型号为HBT9035CH-5S的高压泵（出口压力35 MPa），泵管选用准143伊9 mm厚（125规格）高强度耐磨混凝土输送管。在核心筒电梯井筒内布置2台HGY21布料机，随爬模平台同步爬升。布料机平面布置见图2。

图2 布料机平面布置图Fig.2 Plane layout of the feeder

3）管壁厚及抗压能力校核

泵管材质为耐磨合金钢复合材料（45Mn2），泵管抗拉强度[滓]t取885 MPa[7]。根据规范，管道设计厚度的计算公式[8]为：

式中：ts为直管计算厚度，mm；P为设计压力，MPa；Do为管子外径；[滓]t为在设计温度下材料的许用应力，MPa；Ej为焊接接头系数；Y为系数。

其中，当ts

泵管规格采用准143伊9（内径125 mm）管道，水平段长度为 70 m，Do=143 mm，[滓]t=885 MPa，P=35 MPa，则：

综合考虑各类施工中的情况，在设计管道时，取安全系数k=2.0，故输送管理论壁厚t=k伊ts=5.56 mm。因此选用准143伊9 mm厚（125规格）高强度耐磨混凝土泵管能够满足泵送压力的要求。

4 泵送施工工艺及操作要点

4.1 泵送操作工艺流程

泵送施工工艺流程见图3。

图3 泵送施工工艺流程图Fig.3 Flow chart of pumping construction process

4.2 操作要点

1）泵送前准备

泵机操作人员要对泵机进行全面检查，尤其对易损件做细致检查，发现问题及时更换，按设备保养制度定期对设备进行保养，确保设备在零故障下运行。

2）泵送开始

本工程采用节水润管法工艺，顺序为：泵少量水寅加纯水泥稀浆寅泵送砂浆寅泵送混凝土。需要注意的是，泵送水量应不少于150 kg，需要9个行程完成，料斗加入纯水泥稀浆时先用砂浆垫底至眼镜板吸料口下沿，纯水泥稀浆水灰比为0.45，加入量约0.15 m3。另外，在泵送管道未被混凝土打通前，需要控制泵送频率不宜高于10次/min。

3）泵送过程

泵送过程中，通过调节泵机液压系统的压力来调节泵送速度，如果泵送速度过快、压力过大，极易对泵机活塞及末端B型管造成损坏。因此，掌握好泵送压力十分关键，一般情况下液压系统压力控制在20 MPa范围内。泵送过程中，需要保持泵送工作连续进行，保证泵管内的混凝土处于流动状态。遇到混凝土供应不足或中断时，需要保证泵机的搅拌轴不高于料斗内的混凝土，避免混凝土缸吸入空气。在等料期间，为了避免混凝土在泵管内初凝，需要泵机每15 min进行正反泵操作。

4.3 管道清洗

水洗法是常用的一种洗管方法，在泵送结束后，先泵送砂浆，砂浆量控制在0.5耀1 m3，随后再泵送水，直到布料机出口出现清水为止。

1）在泵送接近结束时，预估泵管内剩余的混凝土能够满足浇筑结束，此时观察料斗内的混凝土，当混凝土处于搅拌轴以下时停止泵送并将截止阀关闭。再将预先拌合好的水泥砂浆加入料斗内，砂浆量控制在1.5 m3左右，将砂浆泵送至泵管内。

2）放掉料斗内的剩余砂浆并反泵清除，将纸质水泥袋和海绵球塞入到三通管处。

3）开始在料斗内注入水并进行泵送，泵送压力达到4耀6 MPa时打开截止阀，直至布料机出口出水时停止泵送，关上截止阀。立起布料机臂架，拆开泵机出口处三通管的盖板，打开截止阀，管道内的水受重力作用呈喷射状冲出；水流完后，关上截止阀，将布料机臂架调整与水平成约5毅夹角，从布料机出口处将水注满输送管，打开截止阀，让水再冲洗管道。

4）反泵清除锥管、S管、缸内的混凝土残留物，直至清洗干净。

5 结语

通常混凝土受当地材料的影响比较大，相同强度等级的混凝土会因材料的变化对一些工作性能产生较大的影响。通过对混凝土拌合物的试验，校验了影响混凝土泵送的相关参数，确定了满足本项目超高层泵送混凝土的技术要求；根据建筑物的高度和结构平面形状，确定了输送管道的布设，并针对混凝土泵送过程中的常见问题提出了具体的解决方法。为类似超高层工程提供参考。