泵送技术与超高泵送-北京中超-余成行

泵送技术与超高泵送北京市中超混凝土有限责任公司二○一三年十二月余成行高级工程师[e-mail]内容1前言4超高泵送混凝土的配制2泵送过程分析3可泵性的评价与指标确定5泵的选型与现场施工6高强混凝土超高泵送工程案例1前言泵送混凝土技术1927年创于德国，现成为建筑施工的重要技术手段，广泛应用于各类土木、建筑工程中。20世纪50年代从国外引进泵送混凝土技术，目前，国内混凝土泵车生产企业有十余家。液压活塞式混凝土泵是主流，泵的输出压力越来越高。世界高层都市建筑学会CTBUH（CouncilonTallBuildingsandUrbanHabitat）认为，建筑高度在300m以上的建筑物称为超高层建筑。超高泵送混凝土技术一般是指泵送高度超过200m的现代混凝土泵送技术。2泵送过程分析活塞式混凝土泵示意图S管阀混凝土泵的工作原理料斗分配阀搅拌机构摆动油缸砼缸砼活塞水箱主油缸泵送的实质与条件材料必须能连续传递足够的压力来克服管道的阻力只有水是传递压力的介质通过泵管时，由于材料产生部分密实和摩擦的影响，在流动方向上产生压力梯度泵的压力大小能够在整个管线上产生足够的压力梯度较好的可泵性：混凝土在泵送过程中具有良好的流动性、阻力小、不离析、不易泌水、不堵塞管道等性质。可泵性主要表现为：流动性和内聚性流动性是能够泵送的主要性能；内聚性是抵抗分层离析的能力，即使在振动状态下或在压力条件下也不易发生水与浆体或浆体与骨料的分离。3可泵性的评价与指标确定泵送过程中不得有离析现象。混凝土与管壁的摩擦阻力要小，泵送压力合适。在泵送过程中（压力条件下）混凝土质量不得发生明显变化：水分向前方迁移和骨料内部迁移；持续压力条件下，含气量引起损失堵塞可能之一：离析（内聚性太差，黏度过低），各物料不能同步移动；堵塞可能之二：细颗粒含量太高，拌合物的摩擦阻力大（黏度过大），活塞传递的压力不足以推动混凝土；堵塞可能之三：水在压力下在拌合物内部发生了大的转移，水不连续导致压力无法传递。泵送混凝土的要求可泵性评价方法国内主要采用坍落度和压力泌水率对可泵性进行评价：1、坍落度试验法经典的评价方法，虽然有缺陷，但表征混凝土的流动性简便易行、指标明确，是目前评价混凝土可泵性的最主要方法。主要缺陷在于受操作技术影响大，观察粘聚性、保水性受主观影响。采用坍落度方法测定可泵性时，通常通过坍落度、扩展度和倒坍落度筒的流下时间来评价拌合物流动性、粘度等式性能。实验结果表明，倒坍落度筒的流下时间t在5~30s、扩展度SF≥450mm、坍落度SL在180~220mm时，混凝土可泵性好、阻力小、容易泵送；当t≥30s、SF≤450mm时，混凝土不易泵送。超高泵送时，SL≥240mm，SF≥600mm，t≤15s。2、压力泌水试验法水是混凝土泵送过程中传递压力的介质，如果在泵送过程中，由于压力大或管道弯曲、变径等出现“脱水现象”，水分通过固体颗粒间空隙渗透，而使骨料聚结，引起堵塞。压力泌水试验法可以测定拌和料的保水性、反映阻止拌和水在压力下渗透流动的内阻力。压力泌水率不宜超过20%。容易脱水的混凝土在开始10s内的出水速度很快，V10大，因而V140-V10值小，可泵性不好，反之，则表明可泵性好。高强砼与普通砼SL和SF相同时，但SFt不同（粘度较大）黏度与和易性之间的矛盾坍落度与扩展度泵送损失的控制扩展度和黏度经时损失的问题高流动性混凝土的抗压强度保证问题超高泵送混凝土的关键与难点超高泵送混凝土拌合物控制（评价）指标指标名称必控指标任选其一必控指标参考指标含气量/%坍落度SL/mm扩展度SF/mm扩展时间T50V漏斗试验倒置坍落度筒排空时间U型箱试验/mmL型流平仪圆筒贯入试验压力泌水率/%参数要求3～5≥240≥600≤15s≤25s≤15s≥320≥0.8020mm～40mm≤204超高泵送混凝土的配制配制思路是：首先确定水泥和外加剂品种→确定优质矿物掺合料→寻找最佳掺合料用量比例→确定掺和料的最佳替代掺量→通过调整外加剂性能、砂率、粉体含量等措施，进一步降低混凝土和易性尤其是黏度的经时变化率→确定试验室最佳配合比→根据现场实际泵送高度变化（混凝土性能、泵送损失）情况，采用不同的配合比进行生产施工。混凝土配合比与可泵性的关系混凝土的可泵性与混凝土和管壁间的摩擦、压力条件下浆体性能及混凝土质量变化等有关，与混凝土组成材料及其配合比有关。胶凝材料用量：会引起粘着系数和速度系数变化。砂率：提供适当的浆体包裹层。粗骨料的影响：骨料粒径大小、颗粒形状、表面结构、级配组成、吸水性能对混凝土可泵性影响很大。细骨料的影响：尤其注意0.3mm和0.15mm筛通过的细砂含量。含气量：3%～5%，气泡的结构（数量及大小）合理。原材料与可泵性的关系•水泥与胶凝体系混凝土拌和物中石子本身并无流动性，它必须均匀分散在水泥浆体中通过水泥浆体带动一起向前移动。国内外对泵送混凝土的最小水泥用量都有明确的规定，其实质是保证填充骨料空隙、包裹骨料的浆体体积含量。水泥品种、细度、矿物组成与掺合料等对达到同样流动性的混凝土需水性、保持流动性的能力、泌水特性、黏度影响差异较大，是影响可泵性的主要因素。FA,X800C,X1000SL,X2100SF,X20000•骨料骨料占的体积最大，其特性对混合料的可泵性影响很大，包括级配、颗粒形状、表面状态、最大粒径、吸水性能等。级配好的骨料，其空隙率小，包裹层厚；砂率的变动会使骨料的总表面积和空隙率发生改变。影响浆体层的厚薄，导致骨料间摩擦阻力变化。骨料平均粒径增大，质量相同的骨料颗粒总数减少，则同样数量的浆体对骨料的裹浆层变厚；随着骨料最大粒径的减小，浆体含量需要增加。骨料的吸水率也是影响可泵性的因素，未饱和吸水的骨料在压力条件下会使水分向骨料内部孔隙发生迁移，虽然在压力解除时有部分得到释放，但也会造成影响。•外加剂由于泵送工艺的需要，为了满足适当的浆体含量和适宜的流动性，泵送混凝土用水量通常较大，而从混凝土性能考虑，则需要控制水胶比，需借助外加剂的功效来解决其中的矛盾：降低用水量、改善和易性、增大浆体的流动性。早期强度好、收缩低、后期强度好的外加剂。其品质在压力作用下较稳定。•水和细粉水主宰混凝土泵送的全过程。如果混凝土中细粉料（胶凝材料和0.3mm以下的细料）对水没有足够的吸附能力和阻力，一部分水在泵送压力下从固体颗粒间的空隙流向阻力较小的区域，造成输送管道内压力传递不均，使水先流失、骨料与浆体分离。由于细粉料对水的阻力作用，满足可泵性时应保证混凝土中具有合适的数量，实质上是提高浆体的内聚性需要，防止在泵送压力下的脱水作用。脱水具有逐渐增大的反作用，降低混凝土流动性并减少管壁润滑层的流动润滑体，逐渐引起阻力加大导致管道堵塞。关于坍落度（流动度）的泵送损失减水剂压力下的稳定性（萘系与聚羧酸的差别？）经时损失要小增加初始（入泵）值胶凝体系级配要合理←采用净浆流动度法检测固体体系空隙率要小双掺SL和FA，改为单掺FA或SL掺加石灰石粉更换骨料（常常是砂子）掺加硅粉泵送后混凝土含气量的变化：↑？or↓？5泵的选型与现场施工超高泵送是一个系统工程设备要有超强的泵送能力和较高可靠性超高压泵送因压力过高，必须解决超高压管道的密封、管道布置、超高压混凝土泵送施工工艺及管道内剩余混凝土处理与清洗等诸多问题设备的泵送能力（最大出口压力）对于混凝土泵来说，体现其泵送能力的两个关健参数为出口压力与整机功率。超高压管道密封管道直径输送管直径越小，输送阻力越大，但过大的输送管抗爆能力差，而且混凝土在管道内停留的时间长，影响混凝土的性能，最好选用直径为125mm的输送管管道材质采用合金钢特制耐磨超高压管。可靠性泵的选型管道布置原则出泵口处水平管长度不低于泵送高度的1/4，包括弯管折算长度第一道水平弯管距离泵最短距离要大于3m当泵送高度超过200m时，应考虑在高空布置水平管道（缓冲层）距离泵10m左右设置一个截止阀超高压管的布置应避开人流量较大的区域，并在两边设安全防护设置现场施工工艺泵管固定水平管应采用预埋件固定在混凝土墩上竖向管应每隔4～5m设置一个固定在墙体上的管夹缓冲层在泵送高度的1/3～1/2处或160m～180m处设置水平缓冲管管道连接高压管采用法兰连接管道清洗管件名称水平输送距离，每20m垂直输送距离，每5m每个90°弯管每1个管卡每根5m软管合计理论压降/MPa0.100.100.100.100.20实际用量150m330m8个110个1个计算压力损失/MPa0.756.600.8011.00.2019.35当采用压力损失计算法时，换算水平管长度和压力损失的计算结果如下表所示。混凝土泵送的配管换算的总压力损失为ΔPH=19.35MPa＜22MPa，满足要求。根据施工经验判断时，经验表明，垂直泵送的难度是水平泵送的3~4倍。泵送高度与压力计算6高强混凝土超高泵送工程案例注：“混凝土等级”10000Psi相当于C69。工程名称结构高度/m最高楼层高度/m屋顶高度/m层数（地上/地下）建筑面积/m2混凝土最高标号泵送高度/m上海金茂大厦40336640393/3287360C60174香港金融中心42041542088/2200000C90392台北101大厦508438448101/541250010000psi429上海环球492484492101/3381600C60240左右北京国贸三期33033033074/3297000C60330天津津塔330330336.975/4346400C60330广州西塔440433440.75103/445万C90/C60168/432深圳京基441.8423441.898/4602402C60422中国国际贸易中心三期A阶段工程位于北京市建国门外大街1号国贸中心院内，是北京市重点工程之一，是北京市重要的标志性建筑之一，主塔楼高330m，是全球最大的国际贸易中心。本工程墙柱结构混凝土为C60，其中核心筒柱为型钢混凝土巨型柱，单柱截面达3.6m，柱间为实腹式工字型钢梁支撑连接。混凝土施工时如果采用塔吊吊运，显然无法满足施工需求；如果增设接力泵采用分级泵送，则必定增加施工步骤，多用施工机械，而且排污问题很难解决；最终决定采用一次泵送到顶工艺。泵送高度/m入泵入模最大泵送损失/mm主油泵压力/MPa泵送速率/(m3/h)扩展度/mm坍落度/mm扩展度/mm坍落度/mm扩展度坍落度201.450680250650250303012～1435～45251.500680260630250503012～1830～35299.740700260640230604016～2020～30330.000700260610230904019～2220～30现场C60混凝土拌合物性能泵送损失统计情况中央电视台新台址工程型钢柱混凝土标号为C60，泵送高度超过200米部分型钢柱属于偏心受压（部分柱子受拉），要求型钢柱发生一定挠度变形的同时（倾斜度约0.286度，变形值约为12.5με），所出现的裂缝在控制范围之内（裂缝宽度小于1mm，深度小于50mm）。在混凝土中掺加钢纤维以增加混凝土的韧性。由于型钢混凝土柱设计受力复杂，钢筋密集（最小净间距为70mm），对掺入的钢纤维要求较高，并且由于施工、振捣困难等原因，必须使用自密实混凝土，即C60钢纤维自密实混凝土。北京财富中心二期写字楼工程总建筑面积175919㎡，其中地上建筑面积151585㎡，地下建筑面积24334㎡。地下4层，地上58层+3层避难层，建筑檐高258m，建筑总高度为265.15m。采用了大直径钢管柱－钢框架结构，顶升施工。石砂水泥水粉煤灰矿渣硅灰减水剂配比18308103201701800255.25配比283083030017012080255.25足尺模拟浇筑试验检验配合比的泵送性能检验自密实混凝土的密实性和强度检测混凝土内部