超高层混凝土泵送技术研究与应用

[摘 要] 超高层混凝土泵送压力高、难度大，给泵送施工带来一系列的技术难题，研究超高层混凝

土泵送中的关键技术具有很高的经济效益和社会效益

[关键词] 混凝土；泵送技术；水洗技术；超高层建筑

超高层建筑是现代城市建设的特征，也使现代建筑的科技力量得到完美体现，超高层的混凝土施工，随着泵送高度的增加，混凝土的输送压力也不断提高。对于垂直高度大于400m的超高层建筑，一般采用高强度混凝土，粘度大，其混凝土泵的出口压力需要在20MPa以上，泵送非常困难，给泵送施工带来一系列的技术难题。这种高强度混凝土的超高压泵送因混凝土压力过高，容易产生泄漏导致混凝土离析、堵管等诸多问题，一直是混凝土施工的一大难题，要解决此难题，必须解决设备的高可靠性和超强的泵送能力，超高压混凝土的密封、超高压管道、超高压混凝土泵送施工工艺及管道内剩余混凝土的水洗等方面的技术问题。

一、超高层混凝土泵送技术

1．设备的泵送能力

对于混凝土泵来说，体现其泵送能力的两个关健参数为出口压力与整机功率，出口压力是泵送高度的保证，而整机功率是输送量的保证。设备最大泵送能力应有一定的储备，以保证输送顺利、避免堵管。针对400m以上的超高层建筑，我们专门研制了HBT90CH2122D及HBT90CH2135D超高压泵拖泵。

具体技术参数如下：

拖泵型号 技术参数 混凝土理论输送排量m³/h 混凝土理论输送压力MPa 低压/高压 低压/高压 HBT90CH-2135D 100/78 19/35 Φ180 × 2100 260×2 273×2 0.7 1420 7930×2480×2800 13000 HBT90CH-2122D 105/75 14/22 Φ200 × 2100 190×2 181×2 0.7 1420 7126×2330×2750 12000 输送缸直径×行程mm 主油泵排量cm³/r 主动力：柴油机 功率kW 料斗容积m³ 上料高度mm 外型尺寸长 ×宽×高mm 整机质量 kg HBT90CH2135D超高压泵出口压力高达35MPa，整机功率为（273×2）kW，在超高楼泵送施工过程中出口压力和整机功率方面能够达到双重保证，理论泵送高度超过700m。

2．双动力结构

HBT90CH超高压泵采用两台柴油机分别驱动两套泵组。应用双泵合流技术，平时两套泵组同时工作,当一组出故障时可切断该组，另一组仍维持50%的排量继续工作，避免施工过程中断造成损失，既可同时工作以提高工作效率，也可单独作业，大大提高了施工过程的可靠性。

3．超高压混凝土密封技术

超高压混凝土密封包括动密封与静密封。动密封关键要解决眼镜板与切割环这一对偶合件之间的密封，静密封主要是输送管道内混凝土的密封。

动密封：尽管采取特殊措施提高眼镜板、切割环这一对偶合件的耐磨性，但这对摩擦副之间的磨损是不可避免的，因此如何消除磨损之后产生的间隙，是超高压混凝土动密封要解决的一个关键问题。为此，我们设计了如右图所示的间隙自动补偿装置，该自动补偿结构主要是依靠被压缩的零件2—橡胶弹簧的弹性，来推动零件3—切割环与零件4—眼镜板紧密贴

1-S管；2-橡胶弹簧；3-切割环；4-眼镜板

合，消除间隙。因橡胶弹簧的弹性是线性变化的，故可实现一定范围内间隙的自动补偿。

静密封：当管道内的压力较高时，普通混凝土密封圈很容易从管夹的间隙中被挤出来，导致密封圈损坏而出现压力泄漏。一旦漏浆，混凝土就无法流动，发生堵管。我们充分考虑了此问题，打破成规，把管道密封改为锥面定心，O型密封圈密封结构，成功解决了该难题。

4．耐超高压的管道系统

我们采用合金钢特制耐磨超高压管道，经特殊淬火处理，寿命比普通Q345钢管提高3-5倍，保障了管道的抗爆能力和耐磨损寿命，管道寿命≥50000m³。

在超高压泵送施工中，超高压管道内压力最大达到35MPa，纵向将产生42t的拉力，常规的连接与密封方式已不能满足要求，如果管道密封不好，就会发生漏浆，严重时导致堵管。因管道特别重，且受施工环境影响，管道拆装很不方便。我们采取专利技术特制耐磨管道成功解决了以上问题。

不常拆卸管道连接采用公母扣固定结构形式， O型密封圈密封，锥面定心，确保连接密封可靠，防止泵送时漏浆。

需拆卸管道连接采用公母

公母扣固定连接 公母扣活动连

扣活

动结构形式，拆装方便、O型密封圈密封，锥面定心，确保连接密封可靠。

5．超高压液压截止阀

混凝土泵送施工中，有时需要对泵机进行保养或维修。为保证此时的保养或维修工作正常进行，需在混凝土泵出口端附近管路接入液压截止阀，如右图，用于阻止垂直泵管内混凝土回流。

液压截止阀采用液压油缸驱动，控制阀操作；插板采用浮动密封环结构,密封性能好，无压力泄漏。 6. 设备配置的可靠性

设备的配置应以可靠性为首要原则，超高层混凝土输送合理的布置管道至关重要，一旦因设备故障而中止泵送2小时以上时，混凝土在输送管内会出现泌水、离析，将使整个管道系统内混凝土报废而严重影响施工质量。我们的HBT90CH泵采用两台发动机，既可同时工作以提高工作效率，也可单独作业，大大提高了施工过程的可靠性。此外，两套的泵和管道系统也是顺利施工强有力的保障。

二、超高层混凝土泵送施工工艺

除了在设备方面满足超高层建筑工程混凝土的泵送要求外，我们还对混凝土施工工艺和混凝土配合比进行了研究，研究表明在超高层泵送过程中应注意以下一些问题： 1．合理布管

①．超高压管道布管时，应适当使用弯管的数量，在底部应设有垂直高度1/4左右的水平管道，当泵送高度超过200m时，应考虑在高空布置水平管道，来抵消垂直管道内混凝土的自重产生的反压。

②．输送管直径越小，输送阻力越大，但过大的输送管抗爆能力差，而且混凝土在管道内停留的时间长，影响混凝土的性能，最好选用直径为125mm的输送管。

③．超高压管道的固定与安装

为了解决因泵送震动而引起的管道松动问题，无论是地面水平管还是墙壁垂直管，均需使用特殊固定装置U码固定牢固。管道固定装置如下图所示。

2． 合理适用的混凝土配合比

配

水平安装

垂直安装

合比设计的原

则是既满足强度、耐久性要求，又要经济合理、具有良好的可泵性，因此除通常须考虑的因素外必须处理好如下几个方面。

①．水泥用量

适用于超高层泵送混凝土，其水泥用量必须同时考虑强度与可泵性，水泥用量少强度达不到要求，过大则混凝土的粘性大、泵送阻力增大则增加泵送难度，而且降低吸入效率。

②．粗骨料

在泵送混凝土中，粗骨料粒径越大，越容易堵管，常规的泵送作业要求最大骨料粒径与管径之比不大于1︰3，在超高层泵送中，因管道内压力大，易出现离析，大骨料粒径与管径之比宜小于1︰5，而且其中的尖锐扁平的石子要少，以免增加水泥用量。

③．坍落度

普通的泵送作业中混凝土的坍落度在160mm左右最利于泵送，坍落度偏高易离析、低则流动性差。在超高层泵送中为减小泵送阻力，坍落度宜控制在180~200mm。

④．粉煤灰及外加剂

粉煤灰和外加剂复合使用可显著减少用水量，改善混凝土拌和物的和易性。但由于外加剂品种较多，对粉煤灰的适应性也各不相同，其最佳用量应从活性、颗粒组成、减水效果、水化热、泵送性能等多方面加以平衡选择。 3．超高压水洗技术

水洗技术本身是一种施工方法，关键是需要具备下述保障条件，即混凝土泵具有足够的压力、输送管道不漏水，眼睛板、切割环密封良好。

传统的水洗方法是在混凝土管道内放置一海绵球，用清水作介质进行泵送，通过海绵球将管道内的混凝土顶出。由于海绵球不能阻止水的渗透，水压越高，渗透量就越大。大量的水透过海绵球后进入混凝土中，会将混凝土中的砂浆冲走，剩下的粗骨料失去流动性引起堵管，使水洗失败。所以传统的水洗方法水洗高度一般不超200m。

在多年的泵送施工实践中，我们研究出了一套针对200m以上垂直高度管道的超高压水洗方法（如右图）：管道中不加海绵球，而是加入1～2m3的砂浆进行泵送，

然后再加入水进行泵送。由于在混凝土与水之间有一较长段的砂浆过渡段，不会出现混凝土中砂浆与粗骨料分离的状况，保证了水洗的顺利进行。而且水洗可将残留在输送管内的混凝土全部输送至浇筑点，几乎没有混凝土浪费。

三、超高层混凝土泵送技术的应用

超高压混凝土泵送技术经过几年的发展，已得到普遍应用，以下是部分超高层泵送施工范例：

1．国际金融中心

国际金融中心主楼91层、高399.5m，采用C60混凝土，实际要求泵送高度为406米。

（1） 泵送混凝土至406米高度所需压力的理论计算： 混凝土泵送所需压力： P = P1 + P2 + P3

P1 混凝土在管道内流动的沿程压力损失。

P2 混凝土经过弯管及锥管的局部压力损失。

P3 混凝土在垂直高度方向因重力产生的压力。

P1 =

t24pllk1k21dt1V22l 式中：

pl—单位长度的沿程压力损失。

l —管道总长度，垂直高度406m，加上布料杆长度及水平管道部分，总长约600m。

k1 —粘着系数，取k1=（3.00-0.10S）×102 (Pa),S为塌落度，约S=18cm。

k1=（3.00-0.10S）×102 (Pa)=120 Pa

d —混凝土输送管直径128mm。

k2—速度系数,取k2=（4.00-0.10S）×10 (Pa/m/s)。

2

k2=（4.00-0.10S）×102 =220Pa

t2t1—混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝时间之比，其值约0.2-0.3

V2—混凝土在管道内的流速，当排量为40 m3 /h时，流速约0.9m/s。

2—径向压力与轴向压力之比，其值约0.9。

计算得: P1 = 5.8 MPa P2= 12×0.1+0.2 = 1.4MPa

弯管：90º，R=1000，1个；90º，R=500，10个；锥管1个，每个弯管、锥管压力损失0.1 Mpa，分配阀压力损失0.2 Mpa。 P3 = ρgH = 9.5 MPa

式中： ρ—混凝土密度，取2400kg/m3

g—重力加速度

H—泵送高度，按406m计算

计算结果为：

泵送406米高所需总压力为：

P= P1+ P2+ P3=5.8+1.4+9.5=16.7 MPa

最终选用我们的HBT90CH-2122D出口压力为22 MPa超高压拖泵承担泵送施工。 (2) 管道布置： 为了抵消垂直管道内混凝土的自重产生的反压，在泵出口布置了100m水平管、90°弯管4个、45°弯管1个、15°弯管2个；在高140m的32楼层，布置了30m水平管、90°弯管3个；在高200m的45层布置90°弯管2个；在高240m的55层布置90°弯管2个；然后一直往上，整套管道包括布料机塔身外露10m、臂长32m、弯管折算44m，全长622m。直管两端都用刚性支撑固定牢靠。 2002年9月，我们的HBT90CH-2122D超高压拖泵垂直向上将C60混凝土泵送至406米高度，此时液压系统的工作压力为24 MPa～25MPa，混凝土出口压力16MPa，每分钟换向10～11次，输送量约40m3/h。 (3) 管道内剩余混凝土的处理 在国际金融中心406m的混凝土泵送中，HBT90CH混凝土泵仍然沿用泵送多高，水洗多高这一具有传奇色彩且创造了水洗最高世界纪录的技术，混凝土泵送总层数为91层，每层泵送5次，混凝土管道总长度 560m，输送管直径125mm。按平均长度计算每次管道内残留的混凝土约3.5m3，施工完成后累计将有1592.5 m3残留混凝土，在，C60混凝土的价格为HK$720/ m3，1592.5 m3混凝土折合港币114.66万元。若不能将管道内混凝土水洗到浇筑点而将之遗弃，既浪费了大量的混凝土，同时对环境造成很大的污染。因此，超高压水洗技术具有显着的环保及经济效益。 2．上海环球金融中心

上海环球金融中心由两台HBT90CH-2135D超高压拖泵承担泵送施工，其混凝土总方量234500m³，最大泵送高度要求达到492m。 3．苏通大桥

苏通大桥每个主桥墩共需浇注27300m3混凝土，泵送高度达到308m，且全部采用C50高强度钢纤维混凝土，黏度高、磨琢性强、泵送阻力大。其混凝土浇注任务由两台

HBT90CH-2122D超高压拖泵承担，并于2006年10月顺利完工。 4．南京紫峰大厦

南京紫峰大厦共70层，建筑高度450m，混凝土泵送高度381m，采用C60高强度混凝土。由HBT90CH-2135D超高压拖泵承担泵送施工。 5．欧洲第一高楼俄罗斯联邦大厦

俄罗斯联邦大厦A座总建筑面积为28万m2，共93层，地上建筑总高度为3.2m，泵送混凝土总方量为220000 m3。为防止遭到类似“9·11”事件那样的袭击，联邦大厦的工程使用高标号耐火混凝土B60、B80、B90。这三种混凝土相当于国内C70、C90、C100。俄罗斯联邦大厦由HBT90CH-2122D超高压泵承担泵送施工任务。

四、总结

超高层混凝土泵送是一个系统工程，要有严密的施工组织体系，从混凝土泵的选型、混凝土配合比及混凝土拌制、运输、泵送的整个过程中，任意一个环节出现偏差，都可能造成泵送失败，这不仅影响进度，而且影响工程质量，所以整个超高层泵送的全过程要全方位严格控制，严格执行规范、规程和各项特定的技术要求，以保证施工顺利完成。不断研究高强度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要意义。