余成行：泵送技術(shù)與高強混凝土的超高泵送

北京中超混凝土有限責(zé)任公司副總經(jīng)理、副總工余成行

　　4月24日，全國超高層泵送混凝土技術(shù)研討會在北京隆重召開。北京中超混凝土有限責(zé)任公司副總經(jīng)理、副總工余成行作《泵送技術(shù)與高強混凝土的超高泵送》主題報告，他介紹了國內(nèi)外泵送混凝土技術(shù)的發(fā)展、泵送的實質(zhì)與條件、可泵性的評價與指標(biāo)確定、高強泵送混凝土的配制、泵的選型與現(xiàn)場施工工藝、泵送高度與壓力計算及高強混凝土超高泵送工程案例。

　　混凝土可泵性的評價與指標(biāo)確定

　　超高泵送混凝土技術(shù)一般是指泵送高度超過200m 的現(xiàn)代混凝土泵送技術(shù)。對于高度大于200m的高標(biāo)號混凝土超高層泵送來說，混凝土強度高、黏度大，因此泵送壓力較高，泵送施工尤其困難，給整個施工澆筑過程帶來一系列有待探討的技術(shù)難題。余成行表示，超高泵送混凝土技術(shù)已成為超高層建筑施工技術(shù)不可缺少的一個方面，并且已成為一種發(fā)展趨勢而受到各國工程界的重視。不斷研究高標(biāo)號混凝土的超高泵送技術(shù)，對于提高超高層建筑施工質(zhì)量及施工效率具有相當(dāng)?shù)膶嵱脙r值和經(jīng)濟意義。

　　混凝土可泵性是表示混凝土在泵壓下沿輸送管道流動的難易程度以及穩(wěn)定程度的特性?？杀眯灾饕憩F(xiàn)為流動性和內(nèi)聚性。流動性是能夠泵送的主要性能；內(nèi)聚性是抵抗分層離析的能力，即使在振動狀態(tài)下或在壓力條件下也不易發(fā)生水與骨料的分離。 要較好的可泵性，就要保證混凝土在泵送過程中具有良好的流動性、阻力小、不離析、不易泌水、不堵塞管道等性質(zhì)。

　　超高泵送混凝土技術(shù)的實用價值和經(jīng)濟意義使得該技術(shù)的普及推廣成為趨勢，也對泵送混凝土提出了以下要求：

　　1、混凝土與管壁的摩擦阻力要小，泵送壓力合適，否則輸送的距離和單位時間內(nèi)輸送量受到限制；混凝土承受的壓力加大，混凝土質(zhì)量會發(fā)生改變。

　　2、泵送過程中不得有離析現(xiàn)象，否則粗骨料在砂漿中則處于非懸浮狀態(tài)，骨料相互接觸，摩擦阻力增大，超過泵送壓力時，將引起堵管。造成堵塞的原因也有很多：離析（內(nèi)聚性太差，黏度過低），各物料不能同步移動；細顆粒含量太高，拌合物的摩擦阻力大（黏度過大），活塞通過水傳遞的壓力不足以推動混凝土；水在壓力下在拌合物內(nèi)部發(fā)生了大的轉(zhuǎn)移，水不連續(xù)導(dǎo)致壓力無法傳遞。

　　3、在泵送過程中（壓力條件下）混凝土質(zhì)量不得發(fā)生明顯變化。本來泵壓足夠，但漿體保水差、骨料吸水率大，在壓力條件下，水分向前方遷移和骨料內(nèi)部遷移，使混凝土漿體流動性降低、潤滑層水分喪失而干澀、含氣量降低，局部混凝土受到擠壓密實，引起摩擦阻力加大，超過泵送壓力，引起堵管；本來因輸送距離和摩擦阻力原因造成泵壓不足，同時漿體流動性不足，拌和物移動速度過緩，混凝土承受壓力時間過長，持續(xù)壓力條件下，保水性好的混凝土雖然無水分遷移但含氣量引起損失，使局部混凝土受到擠壓而密實并喪失流動性，摩擦阻力進一步加大，泵壓更為不足，引起堵管。

　　國內(nèi)主要采用坍落度和壓力泌水率對混凝土可泵性進行評價。坍落度試驗法是經(jīng)典的評價方法，雖然有缺陷，但表征混凝土的流動性簡便易行、指標(biāo)明確，是目前評價混凝土可泵性的最主要方法。主要缺陷在于受操作技術(shù)影響大，觀察粘聚性、保水性受主觀影響。采用坍落度方法測定可泵性時，通常通過坍落度、擴展度和倒坍落度筒的流下時間來評價拌合物流動性、粘度等式性能。實驗結(jié)果表明，倒坍落度筒的流下時間t在5~30s、擴展度SF ≥ 450mm、坍落度SL在180~220mm時，混凝土可泵性好、阻力小、容易泵送；當(dāng)t ≥ 30s、SF ≤ 450mm時，混凝土不易泵送。超高泵送時，SL ≥ 240mm，SF ≥ 600mm，t ≤ 15s。

　　混凝土拌和物在管道中于壓力推動下進行輸送，水是傳遞壓力的介質(zhì)，如果在泵送過程中，由于壓力大或管道彎曲、變徑等出現(xiàn)“脫水現(xiàn)象”，水分通過骨料間空隙滲透，而使骨料聚結(jié)，引起堵塞。壓力泌水試驗法可以測定拌和料的保水性、反映阻止拌和水在壓力下滲透流動的內(nèi)阻力。

　　超高泵送高強混凝土的關(guān)鍵與難點在于，高強砼與普通砼SL和SF相同時，但SFt不同（粘度較大），要解決黏度與和易性之間的矛盾、坍落度與擴展度泵送損失的控制、擴展度和黏度經(jīng)時損失的問題、高流動性混凝土的抗壓強度保證問題。解決這些問題要優(yōu)化原材料品種和混凝土配合比；經(jīng)時損失問題通過調(diào)整外加劑組分解決；強度問題通過提高配比強度富余系數(shù)、規(guī)范現(xiàn)場取樣和現(xiàn)場養(yǎng)護等內(nèi)容進行控制。

　　高強泵送混凝土的配制

　　混凝土的可泵性與混凝土組成材料及其配合比密切相關(guān)，與混凝土和管壁間的摩擦、壓力條件下漿體性能及混凝土質(zhì)量變化等有關(guān)。

　　配制思路是，首先確定水泥和外加劑品種，確定優(yōu)質(zhì)礦物摻合料，尋找最佳摻合料用量比例，然后確定摻和料的最佳替代摻量，通過調(diào)整外加劑性能、砂率、粉體含量等措施，進一步降低混凝土和易性尤其是黏度的經(jīng)時變化率。確定試驗室最佳配合比，根據(jù)現(xiàn)場實際泵送高度變化（混凝土性能、泵送損失）情況，采用不同的配合比進行生產(chǎn)施工。

　　混凝土配合比對可泵性的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　坍落度（或擴展度，均為流動性表征參數(shù)）：坍落度（擴展度）大的混凝土，流動性好，在不離析、少泌水（水分不游離）的條件下，混凝土黏度合適（不粘管壁），具有粘著系數(shù)和速度系數(shù)小的性質(zhì)。

　　膠凝材料用量：膠凝材料用量增加、水膠比降低，一般均引起粘著系數(shù)和速度系數(shù)隨之增大，但過少（水膠比大）時，容易發(fā)生離析、泌水造成拌和物不均勻而引起堵管。

　　砂率：砂率過高，需要足夠的漿體才能提供合適的潤滑層，否則粘著系數(shù)和速度系數(shù)會加大，適當(dāng)降低砂率可以提供適當(dāng)?shù)臐{體包裹量，但過低則容易發(fā)生離析。通常，由于粗骨料空隙率較大，相對而言漿體含量不足，砂率偏高，應(yīng)提供適當(dāng)數(shù)量的細粉料（增加粉煤灰、引氣劑用量以增加漿體體積含量），保證混凝土有足夠的和易性。

　　粗骨料的影響：骨料粒徑大小、顆粒形狀、表面結(jié)構(gòu)、級配組成、吸水性能對混凝土可泵性影響很大，應(yīng)選擇空隙率小、針片狀含量少、吸水率小的骨料，堆積密度≥1500kg/m³。

　　細骨料的影響：細骨料比粗骨料對可泵性的影響作用大。泵送混凝土用細骨料應(yīng)尤其注意0.3mm和0.15mm篩通過的細砂含量，應(yīng)分別在15%～30%和5%～10%。這部分砂對漿體的流動性、離析和泌水、黏度性能、含氣量等影響作用極大，極易影響混凝土的可泵性。

　　含氣量：3%～5%，氣泡的結(jié)構(gòu)（數(shù)量及大?。┖侠怼?

　　原材料因素對混凝土可泵性的影響：

　　1、水泥與膠凝體系

　　混凝土拌和物中石子本身并無流動性，它必須均勻分散在水泥漿體中通過水泥漿體帶動一起向前移動，石子隨漿體的移動受的阻力與漿體在拌和物中的充盈度有關(guān)，在拌和物中，水泥漿填充骨料顆粒間的空隙并包裹著骨料，在骨料表面形成漿體層，漿體層的厚度越大（前提是漿體與骨料不易分離），則骨料移動的阻力就會越小，同時，漿體量大，骨料相對減少，混凝土流動性增大，在泵送管道內(nèi)壁形成的薄漿層可起到潤滑層的作用，使泵送阻力降低，便于泵送。 水泥漿體的含量對混凝土泵送特別重要，國內(nèi)外對泵送混凝土的最小水泥用量都有明確的規(guī)定，其規(guī)定的目的是保證拌和物中的最低漿體含量，實質(zhì)是保證填充骨料空隙、包裹骨料的漿體體積含量。 水泥品種、細度、礦物組成與摻合料等對達到同樣流動性的混凝土需水性、保持流動性的能力、泌水特性、黏度影響差異較大，是影響可泵性的主要因素。

　　2、骨料

　　骨料占的體積最大，其特性對混合料的可泵性影響很大，包括級配、顆粒形狀、表面狀態(tài)、最大粒徑、吸水性能等。

　　級配好的骨料，其空隙率小，同樣漿體量的前提下，可以獲得更好的可泵性，但在富漿的混合料中，級配的影響顯著減少；

　　骨料級配中，顯著影響可泵性的是0.3~10mm的中等顆粒含量。如其含量過多，即石子偏細、砂子偏粗，極容易導(dǎo)致拌和物粗澀、松散，流動性差、摩擦阻力大、可泵性差；如含量過少，即石子偏粗、砂子偏細，則極容易使外加劑用量和用水量增大、使拌和物粘聚性變差發(fā)生離析；混凝土拌和物的流動性通過填充完砂石間的空隙而富余的包裹骨料表面的水泥漿體層來實現(xiàn)。砂率的變動會使骨料的總表面積和空隙率發(fā)生改變，因此，對拌和物的和易性、流動性、黏度有明顯的影響，尤其是采用棱角系數(shù)大、吸水率大的砂的情況下，影響明顯。

　　漿體量一定的情況下，砂率過大，骨料的總表面積增大，骨料間的漿體層減薄，流動性差，拌和物干稠；砂率過小，砂子不足以填充粗骨料間的空隙而需額外的漿體補充，骨料表面的裹漿層變薄，石子間內(nèi)摩擦阻力增大，降低拌和物的流動性，嚴(yán)重影響拌和物的粘聚性和保水性，使粗骨料離析、漿體流失甚至潰散。合理的砂率可以使相同漿體量達到最大的坍落度、流動性，或達到相同坍落度、流動性時膠凝材料用量最少。

　　配合比相同的條件下，骨料平均粒徑增大，質(zhì)量相同的骨料顆?？倲?shù)減少，則同樣數(shù)量的漿體對骨料的裹漿層變厚，流動性改善；隨著骨料最大粒徑的減小，漿體含量需要增加。

　　顆粒形狀和表面狀態(tài)也極容易影響可泵性，顆粒圓潤、表面光滑的石子，空隙率小、表面積小，填充空隙和包裹顆粒所需的漿體較少，相同漿體量時，裹漿層和管道潤滑層厚，流動性大、摩擦阻力小，對可泵性有利。

　　骨料的吸水率也是影響可泵性的因素，未飽和吸水的骨料在壓力條件下會使水分向骨料內(nèi)部孔隙發(fā)生遷移，雖然在壓力解除時有部分得到釋放，但也會造成影響，極端的例子是在多孔的輕骨料泵送混凝土中，因此，對于吸水率較大的骨料用于施工時應(yīng)濕潤處理，但對抗凍要求高的地區(qū)，骨料的吸水率應(yīng)有所限制。

　　3、外加劑

　　由于泵送工藝的需要，為了滿足適當(dāng)?shù)臐{體含量和適宜的流動性，泵送混凝土用水量通常較大，而從混凝土性能考慮，則需要控制水膠比，需借助外加劑的功效來解決其中的矛盾：降低用水量、改善和易性、增大漿體的流動性。

　　外加劑在泵送混凝土中的功效體現(xiàn)在如下方面：降低用水量、增大流動性、改善和易性；改善泌水性能；改善因水膠比降低而增加的混凝土粘度以降低拌和物摩擦阻力；延長凝結(jié)時間以適應(yīng)施工操作時間，改善水化；降低坍落度經(jīng)時損失，改善漿體流動性喪失的缺陷。

　　4、水和細粉

　　水是混凝土拌和物各組成材料間的聯(lián)絡(luò)相，也是泵送壓力傳遞的關(guān)鍵介質(zhì)，主宰混凝土泵送的全過程，但用水量太多，漿體過分稀釋不利于泵送而且對混凝土強度及耐久性不利。

　　如果混凝土中細粉料（膠凝材料和0.3mm以下的細料）對水沒有足夠的吸附能力和阻力，一部分水在泵送壓力下從固體顆粒間的空隙流向阻力較小的區(qū)域，造成輸送管道內(nèi)壓力傳遞不均，使水先流失、骨料與漿體分離。

　　由于細粉料對水的阻力作用，滿足可泵性時應(yīng)保證混凝土中具有合適的數(shù)量，實質(zhì)上是提高漿體的內(nèi)聚性需要，防止在泵送壓力下的脫水作用。脫水具有逐漸增大的反作用，降低混凝土流動性并減少管壁潤滑層的流動潤滑體，逐漸引起阻力加大導(dǎo)致管道堵塞。

　　泵的選型與現(xiàn)場施工

　　余成行說，高強混凝土超高泵送是一個系統(tǒng)工程，設(shè)備要有較高可靠性和超強的泵送能力。高強混凝土的超高壓泵送因混凝土壓力過高，容易產(chǎn)生泄漏導(dǎo)致混凝土離析、堵管等諸多問題，必須解決超高壓管道的密封、超高壓管道、超高壓混凝土泵送施工工藝及管道內(nèi)剩余混凝土處理與清水洗等諸多問題。

　　在設(shè)備選擇時，要考慮設(shè)備的泵送能力（最大出口壓力）、超高壓管道密封、管道直徑、管道材質(zhì)、可靠性等問題。

　　現(xiàn)場施工主要分為管道布置，泵管固定、設(shè)置水平緩沖層、高壓管道連接、管道清洗等。管道布置原則：出泵口處水平管長度不低于泵送高度的1/4，包括彎管折算長度；第一道水平彎管距離泵最短距離要大于3m；當(dāng)泵送高度超過200m時，應(yīng)考慮在高空布置水平管道（緩沖層）；距離泵10m左右設(shè)置一個截止閥（進行保養(yǎng)或維修，用于阻止垂直泵管內(nèi)混凝土回流）；豎向管道應(yīng)在最前段或第一次穿越樓層處設(shè)置一個截止閥（由于混凝土泵前端輸送管的壓力最大，堵管和爆管總發(fā)生在管道的初段，特別是水平管與垂直管相連接的彎管處）；超高壓管的布置應(yīng)避開人流量較大的區(qū)域，并在兩邊設(shè)安全防護設(shè)置。

　　余成行在報告中詳細介紹了高強混凝土超高泵送工程案例，包括上海金茂大廈、香港金融中心、臺北101大廈、上 海 環(huán) 球、北京國貿(mào)三期、天津津塔、廣州西塔、深圳京基等。分別介紹了這些建筑的基本信息，以及混凝土最高標(biāo)號、泵送高度、超高泵送工程混凝土配合比等情況。這些工程具有以下幾個特點：

　?、僭牧戏矫妫翰捎肅2S含量高（40%～70%）的水泥（內(nèi)地一般為15%～37%）；混凝土中摻加了礦粉或硅灰；石子粒徑較小，為1/2″，即最大料徑約為12.7mm（香港國際金融中心C60混凝土為10mm）；外加劑采用優(yōu)質(zhì)聚羧酸型泵送劑。

　?、谂浜媳确矫妫簡畏接盟枯^小，在155kg～160kg。水泥用量較少，礦物摻和料摻量較大，接近40%。水膠比較小、砂率較大（墻和高強柱達54%～56%）?；炷辽a(chǎn)過程中適時地摻加一定量的石灰石粉。

　?、刍炷量刂浦笜?biāo)方面：坍落度較大，為250mm±20mm；擴展度為650mm±100mm；而且，澆筑高度大于400m時控制混凝土的擴展度不小于720mm，以避免過大的流動度泵送損失。采用60d強度為驗收強度。

　?、苁┕し矫妫号_北101大樓采用Schwing地泵，泵送頂升工藝（其它工程為泵送+振搗工藝），泵送速度控制在40m³/h～60m³/h，泵壓控制在最大量程的3/4之內(nèi)，實際壓力在22MPa左右。泵送高度較大時，人為調(diào)降泵送速度至30m³/h，以降低泵送壓力至最大量程的70%。實際檢測擴展度泵送損失在50mm～100mm。

　　最后，余成行總結(jié)了多年來的一些經(jīng)驗，并提出了一些想法：

　　1、對常規(guī)原材料進行相容性優(yōu)化選擇試驗，使膠凝材料之間及其與外加劑之間的相容性保持良好，能夠配制出滿足超高泵送混凝土。

　　2、相對而言，聚酯類外加劑的混凝土粘聚性好但坍損快，聚醚類的發(fā)散但損失小。

　　3、調(diào)整聚羧酸外加劑的成份可以明顯改善混凝土的黏度，但不能僅靠提高混凝土的含氣量來實現(xiàn)，否則混凝土的表面易出現(xiàn)“空鼓”現(xiàn)象。

　　4、在高性能混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)充分注意膠凝體系的組成結(jié)構(gòu)尤其是水泥組成的影響。我國水泥的生產(chǎn)是在同種熟料的基礎(chǔ)上摻加不同比例的礦物摻和料來調(diào)整品種和等級的，而不是根據(jù)混凝土的性能要求來調(diào)整礦物結(jié)構(gòu)的，如C₃A含量沒有根據(jù)氣溫進行調(diào)整、C₃S和C₂S也不能根據(jù)混凝土性能要求或使用部位進行控制等，希望這一點能夠引起同行們的重視。