混凝土沿程泵送压力损失测定与影响因素分析*

韩建国，阎培渝，陈喜旺，余成行

(1.清华大学土木工程系，北京 100084； 2.北京建工新型建材有限责任公司，北京 100015；3.北京市中超混凝土有限责任公司，北京 100024)

0 引言

目前，高层建筑、大跨度桥梁、大体积结构常采用混凝土流态化泵送技术，避免出现泵送压力异常、堵泵、混凝土离析或内部不密实并提高泵送效率等是需重点关注的问题[1-2]。为使混凝土高效顺利地泵送至指定部位，需根据泵送距离与高度、混凝土强度等级与工作性预测泵送压力，以选择合适的泵机和泵送速度，并据此安排施工进度[3-4]。Petrou等[5]研究了骨料颗粒形状对管道中混凝土流场和流速的影响，研究结果表明，骨料颗粒形状对管道中润滑层和混凝土流速具有重要影响，针片状骨料颗粒对混凝土泵送压力和泵送效率不利；Choi等[6]研究了混凝土泵送过程中润滑层典型厚度及其作用，研究结果表明，润滑层品质是决定混凝土泵送压力的关键因素；JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技术规程》[7]中采用Morinaga 经验公式预测混凝土泵送过程中的沿程泵送压力损失，该公式表明沿程泵送压力损失与泵管内混凝土流速成正比，且与混凝土坍落度密切相关，但Morinaga经验公式未考虑泵送距离和高度的影响；陈喜旺等[8]研究结果表明，混凝土超长泵送过程中的沿程泵送压力损失随与泵车出口距离的增大而减小，因此，Morinaga经验公式对于超高层或长距离混凝土泵送过程中的沿程泵送压力损失预测结果难以令人满意；李悦等[9]采用水平盘管泵送试验测试了C60 混凝土水平泵送过程中的泵送压力损失，并通过不同方法得到泵送压力损失计算值，发现计算值与实测值存在较大偏差；魏子易等[10]通过计算流体动力学方法研究了混凝土流变参数对沿程泵送压力损失的影响，并将计算结果与试验结果进行对比，结果表明，SSTk-ω湍流模型能够针对混凝土材料特性，较准确地预测沿程泵送压力损失，但该计算方法较复杂，难以应用于实际工程中；林家超等[11]指出，依托坍落度试验结果的混凝土泵送压力损失预测方法已不能反映高强、高性能混凝土泵送性能，需建立科学可行的泵送性能综合评估指标与方法，需了解泵管中流动的混凝土泵送压力变化规律。

本研究对混凝土泵送过程中沿程泵送压力损失进行测定，并分析混凝土强度等级、工作性、泵送速度等对沿程泵送压力损失的影响，研究结果可为施工现场混凝土泵送压力监测、泵送设备选型、混凝土工作性调整提供参考。

1 泵管内混凝土泵送压力监测

可采用开孔式或贴片式压强计测定泵管内混凝土泵送压力。开孔式压强计为平面隔膜式结构，在泵管上开孔，通过螺栓连接压强计与泵管，如图1所示。当泵管内混凝土压迫平面隔膜时，平面隔膜内的流体压迫内部第2层隔膜，第2层隔膜表面应变片测量的应变可表征平面隔膜受到的流体泵送压力，通过信号转换，以输出电压或电流信号表征泵管内混凝土泵送压力。

图1 开孔式压强计

贴片式压强计是在泵管表面粘贴应变花，结合应变监测装置，测定泵送过程中泵管在内部混凝土压力作用下所发生应变的装置，如图2所示。

图2 贴片式压强计

应变花粘贴方向及各方向应变定义如图3所示，可根据应变花测得的3个方向应变计算泵管内部混凝土泵送压力。

图3 应变花粘贴方向及各方向应变定义

将泵管视为薄壁管，泵管外壁应力与泵管内部混凝土泵送压力的关系如下：

(1)

(2)

式中：σL表示泵管外壁纵向应力(MPa)；σs表示泵管外壁环向应力(MPa)；P表示泵管内部混凝土泵送压力(MPa)；D表示泵管平均直径(mm)；S0表示泵管壁厚(mm)。

根据应变花测得的ε0，ε45，ε90及泵管钢材弹性模量E和泊松比ν，可求得泵管表面相互垂直的主应力σ1和σ2：

(3)

(4)

根据ε0，ε45，ε90可求得主应力σ1与泵管环向夹角θ：

(5)

将主应力σ1，σ2沿泵管环向进行合成，可求得：

(6)

通过水平盘管泵送试验验证开孔式及贴片式压强计测试结果相关性，将不同压强计安装在泵管相近位置，如图4所示。采用ZLJ5121THB型车载泵，泵管采用钢材制成，内径127.6mm，支线直管段长21m，弯管段半径0.5m。2个开孔式压强计分别安装在距车载泵2，45.2m位置处，2个贴片式压强计分别安装在距车载泵2.5，48.3m位置处。通过调节车载泵输送排量改变泵管内部混凝土流速，泵送压力损失相关性试验结果如图5所示。由图5可知，在2种压强计安装位置基本一致的情况下，测试结果具有良好的线性关系，比例系数为1.367，表明贴片式压强计测试结果高于开孔式压强计，具体原因及测试绝对精度有待深入研究。

图4 压强计安装位置示意

图5 不同压强计测试结果相关性

根据工作原理、安装方法、经济成本等，给出开孔式、贴片式压强计优缺点，如表1所示。

表1 开孔式、贴片式压强计优缺点

2 影响因素分析

通过贴片式压强计测试数据研究混凝土强度等级、工作性和输送距离对混凝土泵送压力及沿程泵送压力损失的影响，结果如表2所示。

表2 混凝土泵送压力及沿程泵送压力损失

表2中C30混凝土为塑性混凝土；C70-A混凝土为大流态混凝土，因过量掺入减水剂而产生离析；C70-A混凝土静停1h后得到C70-B混凝土，由于发生轻微坍落度损失而消除了离析现象，恢复至正常匀质状态。沿程泵送压力损失计算时未考虑弯管效应的影响，即认为弯管段长度与直管段长度相同。

由表2可知，随着泵送排量的增大，泵送C30混凝土所需的压力及沿程泵送压力损失均逐渐增大。这是因为提高泵送排量后，混凝土在泵管内部的运行速度加快，使粗骨料来不及发生取向重排，导致粗骨料间嵌锁状态加剧。随着泵送排量的增大，泵送C70-B混凝土所需的压力及沿程泵送压力损失也逐渐增大；泵送排量相近时，泵送C70-B混凝土产生的沿程泵送压力损失小于C30混凝土，这是因为随着混凝土强度等级的提高，胶凝材料用量和浆骨比增大，单位体积内粗骨料含量降低。因此，高强混凝土泵送难度不一定大于普通强度等级混凝土。泵送排量相近时，泵送C70-A混凝土产生的沿程泵送压力损失大于C70-B混凝土，这是因为离析状态的C70-A混凝土在泵送过程中粗骨料颗粒更可能相互嵌锁，增加了与泵管壁的接触面积，降低了砂浆携运粗骨料的能力；由于砂浆与粗骨料分离，改变了泵管壁润滑层组成与性质，使润滑层厚度减小，增大了混凝土与泵管壁摩擦力。因此，在混凝土泵送过程中，应尽量保证混凝土匀质性，避免发生离析，从而保证泵送效率，降低堵泵风险。

泵管内部混凝土泵送排量与流速成正比，由表2可知，当流速增大至一定范围后，沿程泵送压力损失与流速呈非线性关系，随着流速的增大，沿程泵送压力损失增幅更大。因此，对于坍落度较小的塑性混凝土，采用《混凝土泵送施工技术规程》推荐的Morinaga经验公式预测快速泵送产生的沿程泵送压力损失存在较大误差。

3 沿程泵送压力损失规律

采用贴片式压强计对某超高层建筑混凝土泵送过程中的沿程泵送压力损失进行测试，压强计布置如图6所示，水平泵管长63.94m，垂直泵管长459m，在垂直泵管0，50，100，150，200，250，290m高度处设置贴片式压强计，泵管采用钢材制成，内径150mm。使用HBT9050CH-5D型超高压混凝土输送泵，混凝土缸直径180mm，长2 100mm。

图6 沿程泵送压力损失测试点

泵送的大流态混凝土强度等级为C60，原材料包括P·O42.5硅酸盐水泥、I级粉煤灰、S95级矿渣粉、二氧化硅含量>90%的半凝聚态硅灰、自来水、II区中砂、粒径5～20mm连续级配片麻岩质碎石、聚羧酸系减水剂，混凝土配合比为水泥∶粉煤灰∶矿渣粉∶硅灰∶水∶中砂∶碎石∶减水剂=400∶100∶50∶25∶160∶780∶830∶14.4(kg/m3)。混凝土泵送前工作性良好，扩展度660mm，坍落度270mm，J环扩展度630mm，V形漏斗通过时间3.85s，屈服应力239.5Pa，塑性黏度13.3Pa·s，体积密度2 320kg/m3，混凝土温度26.2℃。混凝土泵送过程中采用高压模式，阀开度55%，换向时间6.7s，泵送排量28.7m3/h。

不同高度处泵管内部混凝土泵送压力如图7a所示，由图7a可知，泵送压力与高度呈良好的线性关系。图7a中混凝土泵送压力包括混凝土自重产生的静水压，去除静水压后得到可反映沿程泵送压力损失的混凝土泵送压力与高度关系，如图7b所示，经线性回归得到泵送大流态C60混凝土所需的压力PH与泵送高度H关系为：

图7 不同高度处泵送压力

PH=11.28-0.020H

(7)

由式(7)可知，沿程泵送压力损失为0.020MPa/m，而利用《混凝土泵送施工技术规程》推荐的Morinaga经验公式计算得到的沿程泵送压力损失为0.025MPa/m，可知计算结果大于实测结果，这会导致泵机选型升级，产生不必要的工程成本。

4 结语

1)开孔式压强计和贴片式压强计测试结果具有良好的线性关系，因此，宜采用简单易用的贴片式压强计测定泵管内部混凝土泵送压力及沿程泵送压力损失。

2)在保证混凝土均匀密实的前提下，高强混凝土和大流态混凝土泵送压力及沿程泵送压力损失较小。当混凝土匀质性较差或存在离析现象时，泵送压力及沿程泵送压力损失增大，具有较高的堵泵风险。

3)实测工作性良好的大流态C60混凝土超高程泵送过程中的沿程泵送压力损失为0.020MPa/m，小于Morinaga经验公式预测值(0.025MPa/m)。对于坍落度较小的塑性混凝土，利用Morinaga经验公式预测的快速泵送沿程泵送压力损失同样存在较大误差，这是因为快速泵送时，沿程泵送压力损失与流速呈非线性关系。