超高层泵送混凝土技术发展趋势

兰聪，刘东，陈景，罗源兵

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

随着世界经济的迅速增长，为满足人们对活动空间的需求，各国的超高层建筑日渐增多。国内建筑规范定义超过 200m 的建筑属于超高层建筑。据不完全统计，国内外在建或建成的超过 600 米的超高层建筑已越来越多，详见表1。基于建筑高度的不断刷新以及建筑结构向着超高化、大跨度化、结构复杂化的趋势发展，泵送作为混凝土工程效率最高和最主要的施工方式，使得国内外对混凝土配制及泵送技术进行不断研究和优化。

表1 世界超高层建筑高度排名

超高层泵送混凝土混凝土配制和施工技术是影响超高层建筑建设进度和结构耐久性安全性最重要的因素之一；影响超高层泵送混凝土质量主要的因素有混凝土原材料、配合比、泵送设备和方案以及后期混凝土管理等。

1 超高层建筑混凝土材料及配合比设计

胶凝材料作为混凝土强度的来源，是原材料组成中最重要的组分之一。它不仅影响混凝土强度，还对新拌混凝土泵送性能和体积稳定性影响显著。目前胶凝材料主要有水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、偏高岭土、磷渣粉等。水泥要求是 C2S 含量高、C3A 含量尽量小[1]。

品质较好的粉煤灰是由表面圆滑的球形颗粒，作为胶凝材料掺入混凝土中，其拌合物流动性显著提高，并能有效的降低新拌混凝土泌水率和硬化混凝土干缩；当新拌混凝土中水泥用量较少或细集料级配中小于0.3mm含量少时，也可掺入粉煤灰进行优化。矿渣粉为水淬后磨细后具有极强活性的矿物掺合料，掺入矿渣粉一般采用等量法，能有效降低混凝土水化热，延缓混凝土凝结时间，提高混凝土密实性改善其耐久性。

在同一水胶比条件下，水泥用量越高，混凝土拌合物粘度越大，且水化温升越高。超高层泵送混凝土应采用双掺或三掺技术，使用磨细矿渣和粉煤灰双掺技术配制 C60 及以上的高性能泵送混凝土可以提高混凝土拌合物抗离析性能和泵送性能，降低水化温升，并且低高强或超高强混凝土经时损失，更有利于混凝土高压泵送；同时掺入活性矿物掺合料后，可明显改善混凝土的后期强度，并提高其耐久性[2]。

在超高层泵送混凝土配比设计时，粗骨料选择应满足最大粒径与输送管径之比为 1:4～1:5；且采用两级配进行粗骨料级配调整，一般采用级配 5～25mm 和5～16mm 两种连续级配碎石，调整级配曲线至最优，分别计量混合使用，且针片状含量须小于 5%[3]。

细骨料各项指标应符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，超高层泵送混凝土配制应选用中砂，其细度模数应保持在 2.7 左右；粒级0.3mm 以下的细骨料不宜少于 20%，细骨料中粒级小于0.3mm 以下有利于改善新拌混凝土泵送性能。根据超高层泵送混凝土不同强度等级的要求和特征，其砂率选择范围为 40%～50%，具体由试配原材料确定。

影响混凝土性能最主要的因素有水胶比、砂率、单位用水量等。同等成型条件下，水胶比越低水泥石越密实，混凝土强度越高；但过低水灰比易造成混凝土粘度大、泵送性差，施工难度大[4]。高强高性能混凝土配合比设计，水胶比宜控制在0.24～0.38 范围内，砂率控制在0.32～0.38。近年来我国混凝土材料和配合比设计理念不断发展和完善，结合对粒化高炉磨细矿渣、偏高岭土、应用经验，采用粉煤灰和磨细矿渣粉双掺、且大掺量配合比设计的思路[5]。

结合 JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》、JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技术规程》和JGJ/T 2841—2012《高强度混凝土应用技术规程》中对混凝土工作性的相关要求，结合实际工程情况和环境，对混凝土性能指标及参数控制可参照表2。

表2 高强超高层泵送混凝土评价指标及参数要求

2 超高层混凝土施工布管及设备选型方法

混凝土泵管布置主要根据实际工程现场、环境等特点，科学合理布置泵送系统，其主要遵循弯头尽量少、泵管总长尽量短，需具备一定的缓冲距离及地面水平管的长度应大于垂直高度的四分之一，在地面水平管道上应布置截止阀的原则；并且需确定符合最优运输方案的泵机选位与固定、泵管的布置、弯头设置等进行全面详细设计和复验[6]。

混凝土泵送设备的选型与混凝土工作性、泵送垂直高度、泵送总距离、混凝土粘度等密切相关。一般先估算混凝土在泵送过程中的泵损，按泵压损失与混凝自重估算的最低压力值进行泵送设备的型号的初选；再根据实际工程布管情况，对泵送压力和混凝土排量等进行核验，从而最终确定混凝土泵机型号[7]。

工程中混凝土泵送过程中其泵送压力的计算主要有以下 4 种：标准法、文献常用法、中联重科经验法和三一重工经验法。

标准法是参照 JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技术规程》规定进行混凝土泵送压力计算，通过将所有泵管折算为水平泵管进行泵损计算。

水平输送压力损失：混凝土在水平管输送管内流动每米产生的压力损失宜按公式 (1)～(3) 计算，采用其他方法确定压力损失时，宜通过试验验证：

注：根据国外 S·Morinaga 公式制定。

式中：

△PH——混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失，Pa/m；

r——混凝土输送管半径，m；

K1——粘着系数，Pa；

K2——速度系数，Pa·s/m；

S1——混凝土坍落度，mm；

t2/t1——混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，当设备性能未知时，可取0.3；

V2——混凝土拌合物在输送管内的平均流速，m/s；

α2——径向压力与轴向压力之比，对普通混凝土取0.90。

文献常用法主要对管道内、弯管、椎管等压力损失以及混凝土自身压力等因素计算泵机泵送压力，文献中对混凝土泵送压力常按照公式 (4) 计算：

式中：

P1——混凝土在管道内流动的沿程压力损失，MPa；

P2——凝土经过弯管及锥管的局部压力损失，MPa；

P3——混凝土在垂直高度方向因重力产生的压力，MPa。

（注：P1中沿程垂直管压力损失按实际长度进行计算）

混凝土在管道内流动的沿程阻力造成的压力损失P1，按标准法公式进行计算，P2、P3分别通过表3 和表4 进行计算。

表3 混凝土输送管水平换算长度表

表4 混凝土泵送部件的压力损失换算表

中联经验法：其中泵送压力损失值 P1中联重科根据以往工程实际泵送施工经验按经验取0.017～0.021MPa/m，后续计算同文献常用法。

除中联重科经验法，三一重工也根据以往工程实际泵送施工得到的压力损失经验值为：

每米水平管的压力损失为：△P1=0.02MPa/m

每米垂直管的压力损失为：△P1=0.045MPa/m

采用以上 4 中方法，以垂直泵送距离 300m，水平管长度为垂直距离 1/4，75m 进行模拟计算，具体见表5。

表5 各方法泵送压力比较 MP a

以上 4 种方法对混凝土工作性都未进行规定，存在一定的局限性；为更精确度的计算出泵送压力，可定量的引入混凝土拌合物工作性能的粘度系数进行计算，完善以上计算方法的不足。

基于泵压估算值，可对泵机型号进行选择，并可对布管方案进行优化，降低泵压损失。泵机选型应考虑至少 20%～25% 的富余值。

目前对超高层泵送设备和混凝土性能进行验证主要采用模拟泵送盘管试验，该模拟方法能较真实的反应实际泵送情况，但需耗费大量的人力、物力、财力及极大的场地需求；北京金隅对 C130 超高强高性能混凝土进行了 2160m 的盘管试验，以模拟垂直高度 880m 的超高层泵送过程。

3 超高层建筑混凝土施工应注意的问题

超高层建筑混凝土施工过程应重视质量控制与管理以及成本控制等问题。

超高层建筑具有施工工期长、季节跨度大的特点，随季节和气候的变化，需对混凝土配合比调整外，需特别注意夏季施工和冬季施工的差异和措施。夏日高温需重点关注混凝土坍落度经时损失和入模温度的问题，需保证混凝土具有良好的保坍性以及混凝土中心温度不超过 70℃，保证混凝土良好的体积稳定性。施工策略方面可尽量优选在晚上或凌晨气温较低、交通畅通的时段进行混凝土浇筑施工。冬期施工时，应重点关注混凝土缓释以及入泵和入模温度，泵管和混凝土保温措施，保证混凝土早期的正常水化[8]。

随着绿色生产与建造理念的提升，在超高层施工过程中混凝土主体结构高度越高，混凝土泵管内混凝土剩余的混凝土将越来越多，为了节约混凝土，应采用水洗和气洗相结合的方式进行余料回收。再有统计泵送现场泵管总长，估算泵管中余料量，合理的控制收盘混凝土量，优先采用水洗技术将泵管内混凝土泵送利用，达到最优最省泵送的目的[9]。

4 超高层建筑混凝土技术发展趋势

结合超高层建筑发展的趋势和区域性特点，超高层泵送混凝土技术趋势主要集中在以下几个方面：

（1）混凝土防裂技术包括超大筏板大体积混凝土温控和防裂技术、钢板剪力墙结构防裂技术以及组合楼板防裂技术的研究。

（2）超高层建筑关键特殊部位难点施工技术主要涉及超大筏板、超长超大桩基基础以及巨型柱等特殊部位混凝土的制备和施工方向。

（3）超高层模拟泵送方面，包括超高层泵送混凝土匀质性定量测定分析以及开发科学合理简单的超高层泵送模拟方法和系统。

（4）超高层泵送施工智能监控和分析，包括混凝土原材料、混凝土生产、混凝土泵送以及混凝土养护等全过程的智能监控评价。