高强混凝土超高泵送综合技术应用案例

周吉林，贝宝荣

（1、珠海十字门中央商务区建设控股有限公司 珠海519030；2、上海宝冶集团有限公司 上海201900）

1 工程概况

珠海十字门中央商务区会展商务组团珠海中心大厦工程建筑高度328.8 m，总建筑面积约15万m2（其中地上约13万m2，地下约2万m2），地下2层，地上65层。结构为框架核心筒结构，核心筒-11.5 m～203.75 m的混凝土强度等级为C60、203.75 m以上为C50，水平楼板混凝强度等级为C30。混凝土最大泵送高度327.2 m。

超高泵送设备选型包括泵机、管道及布料机选型。泵送设备的选型应考虑泵送高度及方量、混凝土配比等因素。泵机的选择应考虑泵送高度、混凝土强度及单位时间泵送方量的影响；混凝土管道的选择应考虑泵送方量及泵送压力的影响；布料机的选择应考虑安装条件、布料范围及布料盲区的影响。

2 泵机数量确定

混凝土泵及管道的配备数量可按式⑴计算：

式中：N1为混凝土泵及管道数量，按计算结果取整，小数点后部分进位；Q为混凝土单次最大浇筑体积量（m3），暂取750 m3；Q1为每台混凝土泵的实际平均输出量每小时泵送量（m3/h）；T0为混凝土泵计划施工作业的工作时间（h），暂取14。其中：Q1=ηα1Qmax；η为作业效率，根据混凝土搅拌输送车向混凝土泵供料的间断时间、拆装混凝土输送管和布料停歇等情况，可取0.5～0.7；α1为配管条件系数，可取0.8～0.9；Qmax为每台混凝土泵理想状态下连续工作输送方量（m3/h），可取50；代入上述数值计算得，N1=1.91，取N1=2。

故本项目施工的单次最大混凝土浇筑需2台泵机同时作业才能满足完成泵送施工要求。

3 泵送压力确定

高层泵送时，泵出口压力不仅要克服管道对混凝土产生摩擦阻力，还要克服由于混凝土自重产生的阻力，且随着泵送高度的增加，混凝土泵出口压力要求越高。高层泵送混凝土往往多为粘度较高的高强混凝土，其特点为坍落度偏大，但泵送所需压力较大，采用《混凝土泵送技术规程：JGJ/T 10-2011》中推荐的公式难以真实反映其泵送所需压力。因此，通过理论计算及工程类比计算综合分析泵送所需出口压力。

混凝土在管道内流动的沿程摩擦所产生的阻力造成的压力损失P1、混凝土经过弯管的产生的局部压力损失P2以及混凝土在垂直高度方向因重力产生的压力在高度方向上产生的重力势能压力P3三部分组成了混凝土泵送所需压力P。

3.1 压力损失P1计算公式：

式中：△pl为每米压力损失；l为泵送管道的总长度（垂直高度方向的长度按混凝土结构的最高泵送高度327.2 m计算，取水平管道70 m，布料机及平台接管50 m，总长按450 m计算）；kl为粘着系数，取kl=（3.0-0.10S）102Pa；S为坍落度，本工程S=200mm，则kl=100Pa；d为混凝土输送管直径为125 mm；k2为速度系数，取k2=（3.0-0.10S）102Pa，则k2=200 Pa；t2/t1为混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土的时间之比值，根据计算取0.3；V2为混凝土在管道内的流动速度流速，当流动量为40 m3/h时，速度约0.63 m/s；α2为压力在径向与轴向的比值，其值约0.95。

将上述参数代入式⑵中计算得：P1=4.5 MPa。

3.2 弯管的压力损失P2：

每套管道设置1个截止阀和1个分配阀，截止阀压力损失0.05 MPa，分配阀压力损失0.2 MPa。每套管道约20个90°弯管（含地面水平弯管、竖管S弯管及布料机弯管），约20个；每套管道设置1个截止阀。每个90°弯管压力损失等效10 m水平管道，即1个90°弯管压力损失0.1 MPa；每个截止阀压力损失0.05 MPa；分配阀压力损失0.2 MPa。计算得到P2=20×0.1+1×0.2+1×0.05=2.25 MPa。

3.3 竖管中混凝土自重压力损失计算公式：

式中：ρ为混凝土密度，取2 500 kg/m3；g为重力加速度，取9.8m/S2；H为泵送高度，按330 m计算。

计算得到P3=2 500×9.8×330×10-7＝8.25 MPa。

泵送混凝土高度330 m时理论计算所需要的压力为：P=P1+P2+P3=4.5+2.25+8.25=15 MPa。

对普通混凝土的泵送压力损失的测算，可按《混凝土泵送施工技术规程》推荐的计算方法。但《混凝土泵送施工技术规程》不太适用于在高强混凝土上，主要因为是C50及以上的混凝土强度等级越高，其拌合物的粘性就越大，泵送过程中的压力损失也就越大。根据现场经验积累的高性能、超高混凝土施工数据，如表1所示。

从混凝土分布情况来看，本项目泵送难点在高强混凝土C50泵送至327.2 m；由表1可知，泵送C50高强混凝土在水平管道中压力损失为0.020 MPa/m，在垂直管道中压力损失为0.0405 MPa/m。

取水平管道长度为70 m（地面管道）+50 m（楼面或平台管道）；垂直管道327.2 m，计算得：

C60混凝土泵送至327.2 m高泵送压力损失：

式中：3 MPa为截止阀、锥管及弯管压力损失估算值。

上述计算基于泵送方量为25～35 m3/h工况下所需出口压力数据。

超高混凝土泵送设备的选择应留有一定的泵送压力富余量，一般取20%。因此本项目现场实际的泵送压力选取应不小于1.2×18.65=22.38 MPa。故采用HBT110.26.390RS拖泵，出口压力最大为26 MPa，泵送能力满足施工需要。

表1 不同等级混凝土压力损失测算平均值Tab.1 Mean Value of Concrete Pressure Loss of Different Grades

4 管道选型

根据计算压力数值和工程实际的情况，进行选择。

混凝土输送管道通径选用125规格；整条管道壁厚采用等寿命设计，水平管道采用壁厚10 mm的高强耐磨输送管，垂直管道采用7 mm壁厚的高强耐磨输送管；平面浇注和布料机采用125B耐磨混凝土输送管，使用寿命约2万m3（见表2）；配合爬模工艺，本项目设计多种管道长度组合，组合长度满足楼层高度和爬模步距的变化；楼面浇注时，在相应楼层拆开垂直管道，采用弯管、过渡管连接到125管直接浇筑楼板；在制作耐磨合金钢复合材料的制作过程中，将其内表面高频淬火，从而达到高强度及高硬度的目的。

表2 不同规格管道使用寿命Tab.2 Pipe Life of Different Specifications

5 垂直管道布置

5.1 垂直管道在35层设置S弯头，避开新增墙体，同时可减缓混凝土自重对管道、泵机的冲击；

5.2 本方案中垂直管道规格依据楼层高度模数确定，垂直管道规格也可以根据现场施工需求而变动。

6 布料机布置

核心筒最高点327.2 m的混凝土浇筑仍需必须依靠泵送。因爬模架顶部平台的面积有限较小，且为了满足进度要求，在混凝土浇筑的过程中，上一层结构所需的钢筋将陆续吊上平台，此时接管过长将会造成诸多不便。经综合考虑，在爬模架顶安装布置两台随爬模架一起顶升的混凝土布料机，爬模顶升时布料机一同爬升，从而避免了布料机上下调运耗费时间的问题。

⑴由上述泵机数量计算，塔楼核心筒浇筑应配置布料机2台，1台为HGC29D-3R液压顶升布料机，1台为12 m人工手动式布料机。⑵铺设两条超高压耐磨管道，水平段60 m、垂直段320 m。

7 混凝土质量控制

若要混凝土具有良好的可泵送性，且配合比设计既满足强度、耐久度要求，又经济合理，应综合考虑如下因素：

7.1 水泥

宜采用选用硅酸盐或普通硅酸盐水泥，不宜采用选用早强型水泥。本项目现场选用42.5#普通硅酸盐水泥，适用于超高泵送混凝土。水泥用量须同时考虑可泵送性及混凝土的强度，用量大则混凝土粘性大，将会增大泵送阻力并增加泵送难度，如果用量少则强度达不到要求。

7.2 粗骨料

在混凝土的泵送过程中，石子粒径越大，就越容易堵管，常规的泵送工作也要求粗骨料的最大粒径与管径之比不大于1∶3。在超高层混凝土泵送时，因泵送管道里压力很大，容易出现离析，故粗骨料的最大粒径与管径之比宜小于1∶5，且其中尖锐和扁平石子应尽量少。本项目配制高强高性能混凝土的粗骨料选用反击破碎石字，采用5～25 mm碎石和5～10 mm瓜米石两级粗骨料配合成5～20 mm连续级配骨料，两种骨料的搭配比例为3∶7。

7.3 粉煤灰和外加剂

外加剂和粉煤灰复合使用可明显减少拌和用水量，从而改善混凝土拌合物的和易性，由于外加剂品种较多，对粉煤灰的适应性也各不相同，其最佳用量应从水化热、活性、减水的效果、颗粒组成以及泵送性能等多方面加以平衡选择。

为适应不同高度的泵送要求，相同混凝土强度等级随着泵送高度的变化，水泥用量逐渐增大，粗骨料使用量逐渐减少。而200 m以上泵送，为减少泵送阻力，混凝土坍落度显著提高（见表3）。

表3 本项目混凝土配合比Tab.3 Concrete Mix Ratio of the Project

8 混凝土泵送及管路清洗

8.1 混凝土超高泵送施工工艺流程

现场布置混凝土泵机→配备混凝土输送直管和弯管→固定输送管→混凝土配合比设计→混凝土搅拌、运输→润管检查→检查罐车→卸料→测扩展度→泵送。

超高层泵送管路清洗方式：混凝土浇筑完成后，将海绵球塞入顶层的管头内，再打开首层的截水阀，则管路中混凝土因自重力的作用而下降，在下降的时候造成真空将海绵球吸入从而清洗管壁。但回泵的混凝土因不能重复利用而浪费，为了充分利用泵管中的混凝土，减少混凝土用量，减少混凝土浇筑过程中对环境的污染影响，可采用水洗泵送施工技术。固定泵将最后部分混凝土泵送至管内后，在固定泵料斗内加入一定数量的纯水泥浆，固定泵将纯水泥浆泵送入管后，在料斗内加入清水利用清水将混凝土顶推泵送至需要的高度，结束混凝土泵送。

8.2 控制混凝土管道内余料

在混凝土即将完成浇筑时，估计管道内剩余混凝土能满足至结构浇筑结束时即关上截止阀；（长度350 m管道容积约6.75 m3，430 m时容积约7.75 m3）再加砂浆（水、水泥、砂）1.5 m3入料斗，泵送砂浆1 m3。

8.3 加入足够的纸质水泥袋和海绵球

放掉地泵料斗内剩余砂浆→拆开出口处三通管的盖板→泵机反泵清除锥管、S管、混凝土缸内的砂浆→在三通管处加入足够纸质水泥袋和海绵球。

8.4 泵送水

往料斗内注水进行泵送→泵送压力达到4～6 MPa时打开截止阀→持续开泵直至布料机出口冒出水后停止泵送（应水源充足，确保泵送连续性）→关上截止阀。

8.5 泵送水放水

立起布料机臂架→拆开泵机出口处三通管的盖板（或拆除泵机与截止阀之间的弯管）→打开截止阀，管道内的水受重力作用呈喷射状冲出（三通管出水口附近不能有人）。

8.6 清洗管道及后续操作

水流完后，关上截止阀并清洗混凝土缸，恢复三通管的盖板（或弯管）安装复位，清理泵机。

8.7 堵管操作

一旦发生堵管，应采取措施将泵管内的混凝土清除干净，可重复使用泵管。本项目制作了专门的管道清除装置，并采用冲击钻将泵管中的混凝土击穿、破碎，完成管道的清理。

9 结语

在珠海中心大厦项目施工过程中，通过对泵送设备的选择、混凝土配合比的确定等关键步骤进行详细计算分析，并结合经验数据，解决了混凝土超高泵送的技术难点，保证了施工质量及工期要求，相关经验和数据可供后续同类项目借鉴参考。