遠(yuǎn)距離泵送混凝土在地鐵工程中的應(yīng)用
2006-12-12 00:00
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[摘要] 混凝土泵送技術(shù)在我國已發(fā)展和應(yīng)用多年，但長距離或超高層混凝土泵送技術(shù)又具有特殊性。本文主要介紹混凝土水平長距離泵送特點(diǎn)，從泵送設(shè)備選型、混凝土配合比設(shè)計(jì)、原材料選擇和工程應(yīng)用施工要點(diǎn)等加以說明和介紹。
[關(guān)鍵詞] 遠(yuǎn)距離；泵送混凝土；工程應(yīng)用
1 前言
隨著近年來基建項(xiàng)目日益擴(kuò)大和預(yù)拌混凝土的大力發(fā)展，混凝土泵送技術(shù)已在我國得到普遍應(yīng)用。應(yīng)用泵送技術(shù)能夠有效解決混凝土水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸，其效率高、費(fèi)用低、單位時間輸送量大是其它運(yùn)輸工具所不能比擬的。尤其是預(yù)拌混凝土生產(chǎn)與泵送施工相結(jié)合，徹底改變了施工現(xiàn)場混凝土工程的面貌。1995 年10 月，國家正式批準(zhǔn)施行了“混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程”JG J/T 10-95，為混凝土泵送技術(shù)提供了法規(guī)。
2004 年12 月開始，我公司接到為天津地鐵工程土城段到新華路段軌道鋪設(shè)混凝土澆筑任務(wù)。因主體都已完成，地下軌道梁混凝土澆筑的運(yùn)輸問題成為施工的頭等大事，工期緊，混凝土澆筑量大，地鐵每站間距2km ~4km ，站間約每1km 左右留一通風(fēng)口，如果用軌道車一點(diǎn)一點(diǎn)地運(yùn)輸混凝土澆筑，工期根本完不成。根據(jù)我公司的泵送機(jī)械能力和對混凝土原材料的選擇及質(zhì)量控制，為客戶設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)距離泵送混凝土施工方案，最長泵送距離為670m ，一次性澆筑560m 3 混凝土，取得了很好的效果。
2 設(shè)備選擇
2.1 管路布置
地鐵軌道梁混凝土輸送，主要為水平輸送，依靠站間的通風(fēng)口布置管路，每通風(fēng)口間距大約為1000m 左右，故泵送距離為垂直向下40m ，水平550m 。設(shè)計(jì)最多使用4 個R =1m 彎頭，錐形管一根，軟管1 根。選擇內(nèi)徑125 m m 的無縫輸送管。水平輸送換算長度
Lm ax = L1 + L2 + L3 + L4
= 550 + 4 ×9 + 1 ×10 +1 ×8
= 604 m
L1———水平長度 水平換算長度1m = 1m （水平）
L2———彎頭換算長度 水平換算長度1m = 9m （水平）
L3———軟管換算長度 水平換算長度1m = 10m （水平）
L4———錐形管 水平換算長度1 根=8m （水平）
考慮尚有臨時增加的管路，故設(shè)計(jì)水平輸送長度為650 米
2.2 混凝土輸送泵選擇
混凝土泵送時，在泵壓的推動下，混凝土以等速、柱塞狀向前運(yùn)動。泵送極限距離取決于混凝土泵在管根部所能產(chǎn)生的最大根部輸送壓力。這個壓力來源于泵車液壓缸內(nèi)溢流閥開始運(yùn)轉(zhuǎn)時的油壓?；炷吝M(jìn)行泵送時，混凝土中的水泥砂漿在壓力作用下擠向外圍，在輸送管表面起潤滑劑作用。泵送時，只要混凝土泵的推力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于水泥砂漿的屈服應(yīng)力，管路中的混凝土就會流動。隨著管路加長，泵送壓力損失增大，泵送阻力增大。當(dāng)泵送壓力損失超出泵送設(shè)備能力時，就會造成堵泵。泵送壓力的變化與許多因素有關(guān)，如水平換算泵送距離、輸送管徑、混凝土粘性系數(shù)、摩擦系數(shù)、泵送速度、輸送管起始處的泵壓力等。
根據(jù)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》JG J/T 10-95 標(biāo)準(zhǔn)，混凝土泵送最大水平距離計(jì)算公式：
 式中Lm ax ——混凝土泵的最大水平輸送距離（m ）
Pmax ——混凝土泵的最大出口壓力（Pa）
△PH ——混凝土在水平輸送管內(nèi)流動每米產(chǎn)生的壓力損失（Pa/m ）
r0 ———混凝土輸送管半徑（m ）
K1 ———粘著系數(shù)（Pa）
K2 ———速度系數(shù)（Pa/m /s）
S1 ———混凝土塌落度（ cm ），選擇22.0cm
t2 /t1——混凝土泵分配閥切換時間與活塞推壓混凝土?xí)r間之比，一般取0．3 ；
V2 ———混凝土拌合物在輸送管內(nèi)的平均流速（m /s）考慮泵送速度越快，摩擦阻力越大，選擇1m /s （按約40m 3/小時計(jì)算）
α2 ————徑向壓力與軸向壓力之比，普通混凝土取0．9計(jì)算如下：
 故需要混凝土泵最大出口壓力= Lmax×△PH = 600×9043.2=5425920 Pa =54．26×105Pa
我公司現(xiàn)有德國普茨邁斯特移動固定泵型號為2112H2臺，其設(shè)計(jì)輸送壓力為112×105 Pa，112×105 Pa> 54．26×105，泵車輸送壓力大于泵管壓力損失。
按照泵設(shè)計(jì)能力最大泵送距離Lmax = 112 ×105 Pa/9043．2= 1238．5 m > 650m滿足泵送650米需要。故選用此泵。
3 混凝土配合比設(shè)計(jì)
泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同，泵送混凝土是在混凝土泵的推動下沿輸送管進(jìn)行混凝土拌合物的運(yùn)送。因此，不僅要求要滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的強(qiáng)度、耐久性要求，還要滿足管道輸送對混凝土拌合物的要求，既要求混凝土拌合物要有較好的和易性、泌水少、摩擦阻力小、不離析、不堵塞和粘塑性良好的性能。對該工程而言，泵送距離長，泵送阻力大，混凝土在輸送管內(nèi)存留時間長，還必須根據(jù)氣候條件增加混凝土的坍落度保留時間和混凝土凝結(jié)時間。并且該泵送混凝土必須要經(jīng)過仔細(xì)的設(shè)計(jì)，必須要有良好的可泵性。
?。?） 混凝土材料選擇
a 水泥品種和膠結(jié)料用量
在泵送混凝土中，水泥砂漿起到潤滑輸送管和傳遞壓力的作用，所以在泵送混凝土中，水泥用量和摻合料用量是非常重要的。膠結(jié)料過少，混凝土和易性差，泵送阻力大，泵和輸送管的磨損也加劇，容易產(chǎn)生阻塞。水泥量過多，不但不經(jīng)濟(jì)，混凝土的粘性增高，也會增大泵送阻力。在國標(biāo)準(zhǔn)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 10-95 中規(guī)定，泵送混凝土最小水泥用量宜為300 kg/m 3。該工程混凝土強(qiáng)度等級為C30 和C20 混凝土。結(jié)合我公司普通泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選用天津水泥廠普通42 ．5強(qiáng)度等級的水泥，同時加入礦渣粉和粉煤灰活性材料，總膠結(jié)料用量達(dá)到360kg/m 3。通過增加了活性摻合料用量，降低了水泥用量，減少混凝土水化熱，有利于延長混凝土凝結(jié)時間，提高了混凝土的耐久性。
b 骨料級配
骨料的粒徑和級配，對混凝土的泵送性能有很大影響，必須要嚴(yán)格控制?？刂乒橇献畲罅?，這是從三個石子在同一斷面處相遇，最容易引起阻塞的原理推算出來的?！痘炷帘盟褪┕ぜ夹g(shù)規(guī)程》JGJ/T 10-95 中規(guī)定，泵送高度在100m 以上時，粗骨料最大粒徑與輸送管徑之比宜在1：4~1：5。由于輸送管內(nèi)徑為125m m ，故選用最大粒徑為25m m 的連續(xù)級配石子。
關(guān)于粗、細(xì)骨料的級配，國內(nèi)外均有規(guī)定。我國《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 10-95 中也有推薦的級配曲線。由于我國的骨料級配曲線不完全符合泵送混凝土所要求的曲線，存在有時泵送時會產(chǎn)生一些問題。所以在本工程實(shí)際使用時，人工級配5m m ~25m m 和5m m ~16m m 兩種石子，調(diào)整到理想曲線，分別計(jì)量混合使用。所采用的石子均為連續(xù)級配，針片狀含量
均小于5% 。
細(xì)骨料應(yīng)符合JGJ 52-2002 標(biāo)準(zhǔn)，采用中砂。粒徑在0．315m m 以下的細(xì)骨料所占的比例按標(biāo)準(zhǔn)要求不應(yīng)少于15% ，使用時最好能達(dá)到20% ，這對改善混凝土的泵送性能非常重要。許多情況下就是因?yàn)檫@部分所占比例過少，而影響了正常泵送施工。由于天然砂的砂源日益減少，符合級配要求的砂子不是價格太高就是貨源太少，所以我公司利用機(jī)制砂和部分細(xì)砂，人工級配，分別計(jì)量，砂子的細(xì)度模數(shù)可穩(wěn)定保持在2．7 左右。混合砂的質(zhì)量指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，而且因其不含天然砂中常見的碩石，配合比更加準(zhǔn)確，使混凝土泵送性能得到保證。
c 外加劑
外加劑用來改善泵送混凝土的性能，例如增加管壁與混凝土之間的潤滑，減少混凝土的離析、泌水等，可以增加混凝土的流動性，有利于泵送施工。目前常用的外加劑為萘系高效減水劑和漸露頭角的聚羧酸高效減水劑，這兩種外加劑都在此工程中得到很好的應(yīng)用。
引氣混凝土比非引氣混凝土有較好的和易性與粘性，可減少粗骨料的離析，也可以減少混凝土的泌水，而且在停機(jī)后再啟動也較為容易。本工程混凝土也摻用了引氣劑，引氣量目標(biāo)值為3% 。混凝土和易性良好。本工程所用外加劑均為瑞士獨(dú)資企業(yè)西卡公司的產(chǎn)品。
d 礦物摻合料
粉煤灰是一種表面圓滑的微細(xì)顆粒，摻入混凝土拌合物后，使流動性顯著增加，而且能減少混凝土拌合物的泌水和干縮。當(dāng)泵送混凝土中水泥量較少或細(xì)集料中粒徑小于0．315m m含量少時，也可摻用粉煤灰進(jìn)行彌補(bǔ)。礦渣粉的活性極強(qiáng)，摻入礦渣粉后可等量替代水泥，減少了混凝土水化熱，延長了混凝土凝結(jié)時間，提高了混凝土的耐久性。本工程混凝土中摻入了大港發(fā)電廠二級粉煤灰和S95 級磨細(xì)礦渣粉。
（2 ）配合比參數(shù)
a 砂率
輸送混凝土的輸送管，除直管外還有錐形管、彎管和軟管等。當(dāng)混凝土經(jīng)過錐形管和彎管時，混凝土顆粒間的位置就會發(fā)生變化，此時如果砂漿量不足，容易產(chǎn)生堵塞。為此，泵送混凝土與普通混凝土相比，要適當(dāng)提高砂率，以適應(yīng)管道輸送的需要?！痘炷帘盟褪┕ぜ夹g(shù)規(guī)程》JG J/T 10-95 中規(guī)定，泵送混凝土的砂率宜為38% ~45% ，本工程混凝土配合比經(jīng)過多次試驗(yàn)，選用砂率為44% 。
b 水灰比選擇
混凝土中拌合水，除供給水泥水化需要外，還使混凝土拌合物獲得必要的施工性能。此外，水灰比還與泵送混凝土在輸送管中的流動阻力有關(guān)，混凝土拌合物的流動阻力隨著水灰比的減小而增大。一些文獻(xiàn)資料介紹，當(dāng)水灰比低于0．45 時，流動阻力顯著增大，而當(dāng)水灰比大于0．60 時，流動阻力雖然減小，但是混凝土拌合物的和易性降低離析，也會使混凝土的可泵性惡化。該工程混凝土強(qiáng)度等級為C 30，選擇水灰比為0．52。
c 混凝土坍落度選擇
普通方法施工的混凝土的坍落度，是根據(jù)振搗方式確定的，而泵送混凝土除去考慮振搗方式外，還要考慮其可泵性。坍落度小的混凝土進(jìn)行泵送的摩阻力大，要求有較高的泵送壓力。坍落度大，如果混凝土拌合物在管道中滯留時間長，則泌水就多，容易產(chǎn)生離析骨料沉降而形成阻塞堵泵。故選擇坍落度值為220m m 。經(jīng)工程實(shí)際檢測，泵管末端混凝土坍落度為200m m ~160m m ，坍落度損失20m m ~60m m 。經(jīng)檢查，泵管連接處膠圈不嚴(yán)有滲水現(xiàn)象，是造成坍落度損失的主要原因。
4 實(shí)際效果
在混凝土供應(yīng)時，我公司在現(xiàn)場做了大量的試驗(yàn)，取得了一些數(shù)據(jù)。
（1 ）混凝土干縮試驗(yàn)（見表1）
 混凝土干縮值與普通混凝土相當(dāng)。
?。? ）混凝土壓力泌水試驗(yàn)（見表2）
?。? ）混凝土含氣量檢測
多次現(xiàn)場抽查混凝土含氣量，檢測值穩(wěn)定為2% ~3% 。達(dá)到預(yù)計(jì)目標(biāo)。
?。? ）混凝土強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)（見表3）
共在現(xiàn)場留置試件170 組，強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如下：
混凝土抗壓強(qiáng)度全部合格。
5 總結(jié)
（1 ）長距離泵送混凝土的施工，不僅要有良好的混凝土配合比設(shè)計(jì)，還要有相應(yīng)的施工措施支持。在一些不引人注意的環(huán)節(jié)可能會隱藏很大的危險。如連接泵管的膠圈問題，如果連接處不嚴(yán)緊，長距離泵管上的幾百個接口就有可能漏水，造成混凝土塌落度損失加大、接口處管內(nèi)混凝土失水干澀，堵管、堵泵。如不及時發(fā)現(xiàn)仍然加大泵送壓力，又可能造成其它地方的管路爆裂等，增加了拆除修復(fù)時間，就可能造成泵管內(nèi)的混凝土坍落度降低、凝固，以至全線崩潰的危險。
?。? ）需在高效減水劑中復(fù)合緩凝成分，延長混凝土的凝結(jié)時間，混凝土初凝時間不少于6 小時，避免因各種原因造成混凝土在泵管中長時間滯留時凝固。
?。? ）混凝土砂漿泵送前需用不少于2 000kg 的清水潤泵，發(fā)現(xiàn)有漏水的地方及時修復(fù)。
（4 ）每次泵管安裝時，對泵車前200m 的泵管、泵管卡子、膠圈要認(rèn)真篩選。 |
| 原作者： 張哲明 卞振江 |
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