超高層混凝土泵送技術(shù)研究與應(yīng)用

1、超高層混凝土泵送技術(shù)研究與應(yīng)用易小剛，易秀明，楊新華，戴獻(xiàn)軍(三一重工股份有限公司,湖南長(zhǎng)沙410100)摘 要 超高層混凝土泵送壓力高、難度大，給泵送施工帶來(lái)一系列的技術(shù)難題，研究超高層混凝土泵送中的關(guān)鍵技術(shù)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益關(guān)鍵詞 混凝土；泵送技術(shù)；水洗技術(shù)；超高層建筑超高層建筑是現(xiàn)代城市建設(shè)的特征，也使現(xiàn)代建筑的科技力量得到完美體現(xiàn)，超高層的混凝土施工，隨著泵送高度的增加，混凝土的輸送壓力也不斷提高。對(duì)于垂直高度大于400m的超高層建筑，一般采用高強(qiáng)度混凝土，粘度大，其混凝土泵的出口壓力需要在20MPa以上，泵送非常困難，給泵送施工帶來(lái)一系列的技術(shù)難題。這種高強(qiáng)度混凝土的超高壓

2、泵送因混凝土壓力過(guò)高，容易產(chǎn)生泄漏導(dǎo)致混凝土離析、堵管等諸多問(wèn)題，一直是混凝土施工的一大難題，要解決此難題，必須解決設(shè)備的高可靠性和超強(qiáng)的泵送能力，超高壓混凝土的密封、超高壓管道、超高壓混凝土泵送施工工藝及管道內(nèi)剩余混凝土的水洗等方面的技術(shù)問(wèn)題。一、超高層混凝土泵送技術(shù)1 設(shè)備的泵送能力對(duì)于混凝土泵來(lái)說(shuō)，體現(xiàn)其泵送能力的兩個(gè)關(guān)健參數(shù)為出口壓力與整機(jī)功率，出口壓力是泵送高度的保證，而整機(jī)功率是輸送量的保證。設(shè)備最大泵送能力應(yīng)有一定的儲(chǔ)備，以保證輸送順利、避免堵管。針對(duì)400m以上的超高層建筑，三一專門(mén)研制了HBT90CH2122D及HBT90CH2135D超高壓泵拖泵。具體技術(shù)參數(shù)如下： 拖泵型

3、號(hào)技術(shù)參數(shù)HBT90CH-2135DHBT90CH-2122D混凝土理論輸送排量m³/h低壓/高壓100/78105/75混凝土理論輸送壓力MPa低壓/高壓19/3514/22輸送缸直徑×行程mm180 × 2100200 × 2100主油泵排量cm³/r260×2190×2主動(dòng)力：柴油機(jī) 功率kW273×2181×2料斗容積m³0.70.7上料高度mm14201420外型尺寸長(zhǎng) ×寬×高mm7930×2480×2800 7126×2330

4、15;2750整機(jī)質(zhì)量 kg1300012000HBT90CH2135D超高壓泵出口壓力高達(dá)35MPa，整機(jī)功率為（273×2）kW，在超高樓泵送施工過(guò)程中出口壓力和整機(jī)功率方面能夠達(dá)到雙重保證，理論泵送高度超過(guò)700m。2雙動(dòng)力結(jié)構(gòu) HBT90CH超高壓泵采用兩臺(tái)柴油機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩套泵組。應(yīng)用雙泵合流技術(shù)，平時(shí)兩套泵組同時(shí)工作,當(dāng)一組出故障時(shí)可切斷該組，另一組仍維持50%的排量繼續(xù)工作，避免施工過(guò)程中斷造成損失，既可同時(shí)工作以提高工作效率，也可單獨(dú)作業(yè)，大大提高了施工過(guò)程的可靠性。3超高壓混凝土密封技術(shù)超高壓混凝土密封包括動(dòng)密封與靜密封。動(dòng)密封關(guān)鍵要解決眼鏡板與切割環(huán)這一對(duì)偶合件之間

5、的密封，靜密封主要是輸送管道內(nèi)混凝土的密封。1-S管；2-橡膠彈簧；3-切割環(huán)；4-眼鏡板動(dòng)密封：盡管采取特殊措施提高眼鏡板、切割環(huán)這一對(duì)偶合件的耐磨性，但這對(duì)摩擦副之間的磨損是不可避免的，因此如何消除磨損之后產(chǎn)生的間隙，是超高壓混凝土動(dòng)密封要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了如右圖所示的間隙自動(dòng)補(bǔ)償裝置，該自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)主要是依靠被壓縮的零件2橡膠彈簧的彈性，來(lái)推動(dòng)零件3切割環(huán)與零件4眼鏡板緊密貼合，消除間隙。因橡膠彈簧的彈性是線性變化的，故可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)間隙的自動(dòng)補(bǔ)償。靜密封：當(dāng)管道內(nèi)的壓力較高時(shí)，普通混凝土密封圈很容易從管夾的間隙中被擠出來(lái)，導(dǎo)致密封圈損壞而出現(xiàn)壓力泄漏。一旦漏漿，混凝

6、土就無(wú)法流動(dòng)，發(fā)生堵管。我們充分考慮了此問(wèn)題，打破成規(guī)，把管道密封改為錐面定心，O型密封圈密封結(jié)構(gòu)，成功解決了該難題。4耐超高壓的管道系統(tǒng)三一采用合金鋼特制耐磨超高壓管道，經(jīng)特殊淬火處理，壽命比普通Q345鋼管提高3-5倍，保障了管道的抗爆能力和耐磨損壽命，管道壽命50000m³。在超高壓泵送施工中，超高壓管道內(nèi)壓力最大達(dá)到35MPa，縱向?qū)a(chǎn)生42t的拉力，常規(guī)的連接與密封方式已不能滿足要求，如果管道密封不好，就會(huì)發(fā)生漏漿，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致堵管。因管道特別重，且受施工環(huán)境影響，管道拆裝很不方便。三一采取專利技術(shù)特制耐磨管道成功解決了以上問(wèn)題。 公母扣固定連接 公母扣活動(dòng)連不常拆卸管道連接

7、采用公母扣固定結(jié)構(gòu)形式， O型密封圈密封，錐面定心，確保連接密封可靠，防止泵送時(shí)漏漿。需拆卸管道連接采用公母扣活動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，拆裝方便、O型密封圈密封，錐面定心，確保連接密封可靠。5超高壓液壓截止閥混凝土泵送施工中，有時(shí)需要對(duì)泵機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)或維修。為保證此時(shí)的保養(yǎng)或維修工作正常進(jìn)行，需在混凝土泵出口端附近管路接入液壓截止閥，如右圖，用于阻止垂直泵管內(nèi)混凝土回流。液壓截止閥采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)，控制閥操作；插板采用浮動(dòng)密封環(huán)結(jié)構(gòu),密封性能好，無(wú)壓力泄漏。6. 設(shè)備配置的可靠性設(shè)備的配置應(yīng)以可靠性為首要原則，超高層混凝土輸送合理的布置管道至關(guān)重要，一旦因設(shè)備故障而中止泵送2小時(shí)以上時(shí)，混凝土在輸送管內(nèi)會(huì)出

8、現(xiàn)泌水、離析，將使整個(gè)管道系統(tǒng)內(nèi)混凝土報(bào)廢而嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。三一HBT90CH泵采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，既可同時(shí)工作以提高工作效率，也可單獨(dú)作業(yè)，大大提高了施工過(guò)程的可靠性。此外，兩套獨(dú)立的泵和管道系統(tǒng)也是順利施工強(qiáng)有力的保障。二、超高層混凝土泵送施工工藝除了在設(shè)備方面滿足超高層建筑工程混凝土的泵送要求外，我們還對(duì)混凝土施工工藝和混凝土配合比進(jìn)行了研究，研究表明在超高層泵送過(guò)程中應(yīng)注意以下一些問(wèn)題： 1合理布管超高壓管道布管時(shí)，應(yīng)適當(dāng)使用彎管的數(shù)量，在底部應(yīng)設(shè)有垂直高度1/4左右的水平管道，當(dāng)泵送高度超過(guò)200m時(shí)，應(yīng)考慮在高空布置水平管道，來(lái)抵消垂直管道內(nèi)混凝土的自重產(chǎn)生的反壓。輸送管直徑越小，輸

9、送阻力越大，但過(guò)大的輸送管抗爆能力差，而且混凝土在管道內(nèi)停留的時(shí)間長(zhǎng)，影響混凝土的性能，最好選用直徑為125mm的輸送管。超高壓管道的固定與安裝為了解決因泵送震動(dòng)而引起的管道松動(dòng)問(wèn)題，無(wú)論是地面水平管還是墻壁垂直管，均需使用特殊固定裝置U碼固定牢固。管道固定裝置如下圖所示。 水平安裝 垂直安裝2 合理適用的混凝土配合比配合比設(shè)計(jì)的原則是既滿足強(qiáng)度、耐久性要求，又要經(jīng)濟(jì)合理、具有良好的可泵性，因此除通常須考慮的因素外必須處理好如下幾個(gè)方面。水泥用量 適用于超高層泵送混凝土，其水泥用量必須同時(shí)考慮強(qiáng)度與可泵性，水泥用量少?gòu)?qiáng)度達(dá)不到要求，過(guò)大則混凝土的粘性大、泵送阻力增大則增加泵送難度，而且降低吸入

10、效率。粗骨料 在泵送混凝土中，粗骨料粒徑越大，越容易堵管，常規(guī)的泵送作業(yè)要求最大骨料粒徑與管徑之比不大于13，在超高層泵送中，因管道內(nèi)壓力大，易出現(xiàn)離析，大骨料粒徑與管徑之比宜小于15，而且其中的尖銳扁平的石子要少，以免增加水泥用量。坍落度 普通的泵送作業(yè)中混凝土的坍落度在160mm左右最利于泵送，坍落度偏高易離析、低則流動(dòng)性差。在超高層泵送中為減小泵送阻力，坍落度宜控制在180200mm。粉煤灰及外加劑 粉煤灰和外加劑復(fù)合使用可顯著減少用水量，改善混凝土拌和物的和易性。但由于外加劑品種較多，對(duì)粉煤灰的適應(yīng)性也各不相同，其最佳用量應(yīng)從活性、顆粒組成、減水效果、水化熱、泵送性能等多方面加以平衡選

11、擇。 3超高壓水洗技術(shù) 水洗技術(shù)本身是一種施工方法，關(guān)鍵是需要具備下述保障條件，即混凝土泵具有足夠的壓力、輸送管道不漏水，眼睛板、切割環(huán)密封良好。傳統(tǒng)的水洗方法是在混凝土管道內(nèi)放置一海綿球，用清水作介質(zhì)進(jìn)行泵送，通過(guò)海綿球?qū)⒐艿纼?nèi)的混凝土頂出。由于海綿球不能阻止水的滲透，水壓越高，滲透量就越大。大量的水透過(guò)海綿球后進(jìn)入混凝土中，會(huì)將混凝土中的砂漿沖走，剩下的粗骨料失去流動(dòng)性引起堵管，使水洗失敗。所以傳統(tǒng)的水洗方法水洗高度一般不超200m。在多年的泵送施工實(shí)踐中，我們研究出了一套針對(duì)200m以上垂直高度管道的超高壓水洗方法（如右圖）：管道中不加海綿球，而是加入12m3的砂漿進(jìn)行泵送，然后再加入水

12、進(jìn)行泵送。由于在混凝土與水之間有一較長(zhǎng)段的砂漿過(guò)渡段，不會(huì)出現(xiàn)混凝土中砂漿與粗骨料分離的狀況，保證了水洗的順利進(jìn)行。而且水洗可將殘留在輸送管內(nèi)的混凝土全部輸送至澆筑點(diǎn)，幾乎沒(méi)有混凝土浪費(fèi)。三、超高層混凝土泵送技術(shù)的應(yīng)用 超高壓混凝土泵送技術(shù)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，已得到普遍應(yīng)用，以下是部分超高層泵送施工范例： 1香港國(guó)際金融中心香港國(guó)際金融中心主樓91層、高399.5m，采用C60混凝土，實(shí)際要求泵送高度為406米。（1） 泵送混凝土至406米高度所需壓力的理論計(jì)算：混凝土泵送所需壓力： P = P1 + P2 + P3 P1 混凝土在管道內(nèi)流動(dòng)的沿程壓力損失。P2 混凝土經(jīng)過(guò)彎管及錐管的局部壓力損失

13、。P3 混凝土在垂直高度方向因重力產(chǎn)生的壓力。 P1 = 式中：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的沿程壓力損失。 管道總長(zhǎng)度，垂直高度406m，加上布料桿長(zhǎng)度及水平管道部分，總長(zhǎng)約600m。 粘著系數(shù)，取=（3.00-0.10S）×102 (Pa),S為塌落度，約S=18cm。=（3.00-0.10S）×102 (Pa)=120 Pa混凝土輸送管直徑128mm。速度系數(shù),取=（4.00-0.10S）×102 (Pa/m/s)。=（4.00-0.10S）×102 =220Pa混凝土泵分配閥切換時(shí)間與活塞推壓混凝時(shí)間之比，其值約0.2-0.3混凝土在管道內(nèi)的流速，當(dāng)排量為40 m3

14、 /h時(shí)，流速約0.9m/s。徑向壓力與軸向壓力之比，其值約0.9。計(jì)算得: P1 = 5.8 MPaP2= 12×0.1+0.2 = 1.4MPa彎管：90º，R=1000，1個(gè)；90º，R=500，10個(gè)；錐管1個(gè)，每個(gè)彎管、錐管壓力損失0.1 Mpa，分配閥壓力損失0.2 Mpa。P3 = gH = 9.5 MPa式中： 混凝土密度，取2400kg/m3g重力加速度H泵送高度，按406m計(jì)算計(jì)算結(jié)果為：泵送406米高所需總壓力為：P= P1+ P2+ P3=5.8+1.4+9.5=16.7 MPa 最終選用三一HBT90CH-2122D出口壓力為22 MPa

15、超高壓拖泵承擔(dān)泵送施工。 (2) 管道布置：為了抵消垂直管道內(nèi)混凝土的自重產(chǎn)生的反壓，在泵出口布置了100m水平管、90°彎管4個(gè)、45°彎管1個(gè)、15°彎管2個(gè)；在高140m的32樓層，布置了30m水平管、90°彎管3個(gè)；在高200m的45層布置90°彎管2個(gè)；在高240m的55層布置90°彎管2個(gè)；然后一直往上，整套管道包括布料機(jī)塔身外露10m、臂長(zhǎng)32m、彎管折算44m，全長(zhǎng)622m。直管兩端都用剛性支撐固定牢靠。2002年9月，三一HBT90CH-2122D超高壓拖泵垂直向上將C60混凝土泵送至406米高度，此時(shí)液壓系統(tǒng)的工作

16、壓力為24 MPa25MPa，混凝土出口壓力16MPa，每分鐘換向1011次，輸送量約40m3/h。(3) 管道內(nèi)剩余混凝土的處理在香港國(guó)際金融中心406m的混凝土泵送中，HBT90CH混凝土泵仍然沿用泵送多高，水洗多高這一具有傳奇色彩且創(chuàng)造了水洗最高世界紀(jì)錄的技術(shù)，混凝土泵送總層數(shù)為91層，每層泵送5次，混凝土管道總長(zhǎng)度 560m，輸送管直徑125mm。按平均長(zhǎng)度計(jì)算每次管道內(nèi)殘留的混凝土約3.5m3，施工完成后累計(jì)將有1592.5 m3殘留混凝土，在香港，C60混凝土的價(jià)格為HK$720/ m3，1592.5 m3混凝土折合港幣114.66萬(wàn)元。若不能將管道內(nèi)混凝土水洗到澆筑點(diǎn)而將之遺棄，

17、既浪費(fèi)了大量的混凝土，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。因此，超高壓水洗技術(shù)具有顯著的環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益。 2上海環(huán)球金融中心上海環(huán)球金融中心由兩臺(tái)三一HBT90CH-2135D超高壓拖泵承擔(dān)泵送施工，其混凝土總方量234500m³，最大泵送高度要求達(dá)到492m。 3蘇通大橋蘇通大橋每個(gè)主橋墩共需澆注27300m3混凝土，泵送高度達(dá)到308m，且全部采用C50高強(qiáng)度鋼纖維混凝土，黏度高、磨琢性強(qiáng)、泵送阻力大。其混凝土澆注任務(wù)由兩臺(tái)三一HBT90CH-2122D超高壓拖泵承擔(dān)，并于2006年10月順利完工。 4南京紫峰大廈南京紫峰大廈共70層，建筑高度450m，混凝土泵送高度381m，采用C60高

18、強(qiáng)度混凝土。由三一HBT90CH-2135D超高壓拖泵承擔(dān)泵送施工。 5歐洲第一高樓俄羅斯聯(lián)邦大廈俄羅斯聯(lián)邦大廈A座總建筑面積為28萬(wàn)m2，共93層，地上建筑總高度為354.2m，泵送混凝土總方量為220000 m3。為防止遭到類(lèi)似“9·11”事件那樣的襲擊，聯(lián)邦大廈的工程使用高標(biāo)號(hào)耐火混凝土B60、B80、B90。這三種混凝土相當(dāng)于國(guó)內(nèi)C70、C90、C100。俄羅斯聯(lián)邦大廈由三一HBT90CH-2122D超高壓泵承擔(dān)泵送施工任務(wù)。四、總結(jié)超高層混凝土泵送是一個(gè)系統(tǒng)工程，要有嚴(yán)密的施工組織體系，從混凝土泵的選型、混凝土配合比及混凝土拌制、運(yùn)輸、泵送的整個(gè)過(guò)程中，任意一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，都可能造成泵送失敗，這不僅影響進(jìn)度，而且影響工程質(zhì)量，所以整個(gè)超高層泵送的全過(guò)程要全方