高强高性能混凝土超高泵送研究进展

高强高性能混凝土超高泵送研究进展吴艳青，郭中光，张云飞（山东华森混凝土有限公司，山东济南250101）［摘要］高强高性能混凝土单位水泥用量多，水用量少，黏度大，超高层泵送时尤其困难。随着泵送混凝土技术的普及推广以及超高层建筑的风靡，深入研究高强高性能混凝土的超高层泵送技术，对于提高超高层建筑施工质量及施工效率具有重大的实用价值和经济效益。本文介绍了混凝土泵送性能的影响因素及评价方法，以及高强高性能混凝土泵送中存在的问题，提出了下一步的研究方向。［关键词］高强高性能混凝土；泵送性；进展1研究现状高强高性能混凝土是21世纪混凝土技术的重要发展方向。随着高层及超高层建筑的风靡，因为提高了浇筑质量与速度，混凝土泵送技术逐渐得到推广普及。与常规混凝土相比，高强高性能混凝土单位水泥用量多，水用量少，黏度大，超高层泵送时尤其困难。对于垂直高度大于400m的超高层建筑，其混凝土泵的输出压力需要在20MPa以上[1]。混凝土在超高压泵送过程中容易产生泄漏，从而导致混凝土离析、堵管等诸多问题，这一直是混凝土施工的一大难题。随着泵送混凝土的大量应用以及泵送高度和泵送距离的大幅增加，泵送混凝土的工作性能越来越受到各国研究人员的关注。经过国内众多学者的研究[2-4]，目前已多次成功将高强高性能混凝土泵送到400m以上的高度。郭佩玲[5]等使用常规的P·Ⅱ42.5水泥，普通中砂，粒形较好的石灰石为主要原材料，选用双掺技术，成功配制出超大流动、免振、自密实C100混凝土，在沈阳远吉大厦钢管混凝土柱中应用。2007年12月10日，在上海环球金融中心施工现场，三一重工的超高压泵送技术将混凝土一次泵送至492m高度。李伟中[6]等采用常规的混凝土优质原材料和生产设施，配制出了C100超高性能混凝土，在广州国际金融中心（广州西塔）项目中，成功地将C100超高性能混凝土一次顺利泵到333m高，并创下了泵送到411m高的世界新纪录。2011年4月10日，京基100大厦项目的总承包方中国建筑第四工程局有限公司将C120超高性能混凝土泵送到417m高度。以往的研究多侧重于泵送设备与工艺的研究，以及混凝土的配合比改善，并未系统的研究泵送过程中混凝土性状的变化，从而优化混凝土配合比。而且，对于水灰比较小的高性能混凝土还没有合适的方法来评价其泵送性。2混凝土泵送性的影响因素采用泵送方法浇筑混凝土，成功的关键在于配合比设计。既要保证混凝土强度达到设计要求，又要考虑良好的可泵性。（1）水泥用量：水泥用量过少则强度达不到要求，而且水泥浆体的黏度太小，容易从骨料之间的空隙流动，导致缺少水泥浆的干硬骨料在管路中发生阻塞。水泥用量过大，则混凝土的黏性大、泵送阻力增大泵送难度增加。（2）粗骨料：粗骨料粒径越大，越容易造成堵管。且在超高层泵送中，管道内压力大，容易出现离析，粗骨料最大粒径与管径之比宜小于1∶5。同时，针片状的骨料过多可能引起堵管，应尽量减小针片状骨料的含量。（3）细骨料：砂率过小，则水泥砂浆在管道内壁的附着能力较差，且混凝土拌合物易分层、离析、泌水，导致粗骨料堆积而堵塞管道。砂率过大，则降低混凝土强度，增加拌合物与管道的粘滞阻力，使泵送压力增大，导致管道堵塞。（4）掺合料：混凝土经过长距离垂直泵送，尤其在夏季施工时，由于气温高、管壁摩擦升温、管接头漏水和压力泌水等原因，导致混凝土坍落度损失大。可以掺入粉煤灰及磨细矿渣，降低水泥用量，延缓水泥水化放热，改善新拌混凝土的和易性和抗离析性。此外，为防止混凝土离析、泌水，还可掺入沸石粉、硅灰。苏广洪[7]等针对广州珠江新城西塔混凝土工程，通过优化配合比，采用小粒径粗骨料，加入硅灰，明显降低了泵送压力，以增强混凝土的工作性能、黏度和抗离析性。张海伟[8]等研究了磨细矿粉与粉煤灰双掺在超高层建筑泵送混凝土中的应用，减少了泵送过程中混凝土的摩阻力和温升，满足一次性垂直泵送混凝土192.5m的要求。（5）减水剂及泵送剂：采用减水剂及泵送剂可以在水泥用量较低的情况下，保证混凝土的泵送性。实践已经证明[9]，泵送水泥用量130kg/m3的混凝土是可能的，采用的泵送剂是聚环氧乙烷、纤维素衍生物和藻酸盐。3高强混凝土泵送性评价方法泵送性是反映混凝土拌合物采用泵送施工时被压送的难易程度的性质。混凝土泵送性取决于混凝土拌合物的抗分离性、在管内的流动阻力以及配管条件等因素。目前，有关混凝土泵送性的试验方法比较成熟的只有压力泌水率试验。此外，还有采用管内摩擦试验、水平压送试验等方法，但由于试验装置庞大，目前还很难用于现场施工[9]。同时，这些方法基本上都适用于水灰比在0.4以上的普通混凝土，而对于水灰比较小的高性能混凝土还没有合适的方法来评价其泵送性。定量地表达混凝土工作性的方法很多，在国内最常用的使用方法是坍落度试验，但是很多研究者认为坍落度试验对于测定泵送混凝土的可泵性存在很多缺陷。为准确评价混凝土可泵性，人们开始研究混凝土流变学原理，从本质上讨论混凝土可泵性。采用流变仪测试混凝土的屈服剪切应力和塑性粘度两参数表达其流变性能。而在实际工作中采用变形能力和变形速度两个指标来反映更为合理。3.1高强混凝土的流动性混凝土在泵送过程中，水是传递压力的媒介。因此水的含量对泵送混凝土的影响最大，水在压力下的稳定性决定着混凝土可泵性的优劣。混凝土拌合物形成塞流，必须首先在管壁表面形成润滑层，混凝土能形成这种滑动层能力的大小也反映了可泵性。另外，混凝土拌合物必须具有一定的变形能力，以抵抗由于普通管道弯曲和管径变化而引起的突变。总之，新拌混凝土拌合物必须满足以下要求，才具有良好的可泵性。（1）流动性：混凝土充满整个泵管呈塞状流动，与管壁的摩擦阻力小。（2）抗离析性即稳定性：混凝土拌合物在泵送过程中不离析、不泌水。（3）变形性：混凝土内部摩擦阻力小，易于改变。3.2高强混凝土泵送压力损失现代混凝土在泵送工程中泵管内壁上所产生的滑移阻力在压力损失中占很大一部分，所以与混凝土自身的变形性、流动性相比，正确的测量混凝土拌合物与泵管内壁之间的滑移阻力以及输送管中泵送压力变化，对于预测施工难易程度十分重要。混凝土泵的设计、泵送距离的确定、最优混凝土配合比的确定等皆与之有关。与常规混凝土相比，高强高性能混凝土因其水胶比很低，胶凝材料用量大，同时掺有硅粉等高黏性的胶凝材料，在泵送过程中混凝土的压力损失及其变化规律与普通混凝土有很大差异。高强高性能混凝土的强度等级越高，在同一泵送速度下测得的每米水平管道的沿程压力损失值越大，而且高强高性能混凝土的泵送沿程压力损失值是普通混凝土的2～4倍[10]。《混凝土泵送施工技术规程》[11]中提供的计算单位长度水平管压力损失的经验公式对高强高性能混凝土已不再适用高强高性能混凝土的泵送施工工况。目前行业内也没有一个成熟的方法，因此，探索高性能混凝土的泵送压力损失影响因素，找出相应的计算方法显得尤其重要。目前还没有高强高性能混凝土超高泵送的沿程压力损失的计算方法。李辽辽[12]设计了一种装置测量混凝土在管道中的摩擦阻力。陈保钢[13]等开发了一种高强高性能混凝土泵送粘阻力现场检测设备，能快速、准确的检测出高强高性能混凝土的泵送粘阻力。通过实验发现，高强高性能混凝土的强度等级越高，其粘着系数和速度系数越大，说明混凝土在管道内由静止状态下开始流动所需的压力越大，随着泵送速度的增加，其与管壁间的摩擦阻力越大，在压力受限的状态下，只能牺牲泵送速度来达到顺利泵送的目的。3.3高强混凝土组分抗分离性被压送的混凝土的组分分离性表现为在压力作用下脱水、含气量减少、骨料离析等现象，这是造成泵管堵塞的主要原因。组分分离性试验的目的是，检测混凝土拌合物浇筑、振捣之后组分分布的均匀性。到目前为止，曾有研究者提出采用筛分方法，在进行坍落度试验L型流动试验的同时采集不同部位的拌合物测量粗骨料的含量，进行对比来评价组分分离性。英国学者B.P.Hughes[9]对填充系数试验装置进行改良，将最下层的圆柱形容器改为锥形筒，观察落下来的混凝土拌合物的扩散状态，以此来评价组分的分离性，但这些方法均未被列为标准方法，没有得到普遍的使用。4混凝土泵送性的计算模拟研究传统上泵送混凝土的工作性能主要采用试验的方法确定，但随着泵送高度的大幅增加，采用试验的方法进行研究的难度越来越大。传统的实验与规范标准相结合的方法已经不能满足高性能混凝土超高泵送技术的要求，为解决复杂条件下混凝土的泵送施工问题，采用模拟计算结合试验进行研究是较为可行的方法。泵送混凝土工作性能的模拟计算有两种方法[14]，一种是基于泵送混凝土工作性能理论研究的结果进行的解析方法，用以计算泵送混凝土在输送管中泵送压力的变化；另一种是以高流动性混凝土的流变学理论为基础，利用数值方法计算泵送混凝土流变性、在管道中的流速和流态、对输送管道的冲击等。在泵送混凝土过程中，混凝土材料本身、混凝土与管壁之间的相互作用是一个非常复杂的课题。为解决复杂条件下混凝土的泵送施工问题，有必要采用计算机仿真模拟结合大量试验的方法进行研究。泵送混凝土在国内使用的时间不长，相关的资料和经验总结以及实验研究的成果仍十分有限。尽管对宾汉型流体的数值模拟已经在石油、化工和机械等行业有较多的应用，但国内在泵送混凝土方面尚未有效开展[15]。在今后泵送混凝土的工程应用中，分析简化模型，寻求简便的实用公式，仍然是最合适的方法。在超高、超远程的混凝土泵送的工程计算及研究中，随着高性能计算能力的提高，数值模拟方法将得到更广泛的应用。参考文献[1]张希黔，王伯成．超高层建筑及其现代施工技术的应用[J]．施工技术，2007,36(3):5-7．[2]刘光荣，陈涛，刘昆吾．超高压—低阻力管道在高强高性能混凝土超高泵送中的应用[J]．混凝土，2011,(2):142-144．[3]熊启发，郎占鹏，李瑞平．超高层混凝土泵送施工技术[J]．建筑技术，2011,42(2):141-143．[4]辛永顺，徐晋．超高泵送混凝土配合比优化[J]．广东建材，2011,(10):34-36．[5]郭佩玲，史冬青，朱新强，等．C100超高强泵送混凝土在沈阳远吉大厦工程中应用[J]．混凝土，2003,(7):48-49．[6]李伟中，李天浪，李桂青，等．C100超高性能混凝土(UHPC)超高泵送[J]．混凝土，2009,(3):82-84．[7]苏广洪，杨德龙．广州珠江新城西塔混凝土配合比对泵送性能的影响[J]．施工技术，2010,39(12):12-13．[8]张海伟，李统彬，蔡庆晓．矿粉和粉煤灰在超高层泵送混凝土中的应用[J]．广东建材，2008,(12):42-44．[9]冯乃谦．新实用混凝土大全[M]．北京：科学出版社,2005.[10]张晏清．砼的泵送压力与压力泌水[J]．混凝土与水泥制品，1995,(5):25-27．[11]JGJ/T10-2011．混凝土泵送施工技术规程[S]．[12]李辽辽，季广其，扬建新．混凝土在管道中的摩擦阻力[J]．建筑科学，1986,(3):39-43．[13]吴斌兴，陈保钢，杨岳锋，等．高强高性能混凝土泵送粘阻力的现场检测[J]．建设机械技术与管理，2011,(1):153-155．[14]刘红艳．高层建筑混凝土泵送施工系统分析与模拟[D]．大连：大连理工大学,2000．[15]张博．混凝土泵送模拟系统的设计和应用[D]．长安：长安大学，2010．［作者简介］吴艳青（1985—），男，汉，山东枣庄人，助理工程师。