余成行：泵送技术与高强混凝土的超高泵送

北京中超混凝土有限责任公司副总经理、副总工余成行

　　4月24日，全国超高层泵送混凝土技术研讨会在北京隆重召开。北京中超混凝土有限责任公司副总经理、副总工余成行作《泵送技术与高强混凝土的超高泵送》主题报告，他介绍了国内外泵送混凝土技术的发展、泵送的实质与条件、可泵性的评价与指标确定、高强泵送混凝土的配制、泵的选型与现场施工工艺、泵送高度与压力计算及高强混凝土超高泵送工程案例。

　　混凝土可泵性的评价与指标确定

　　超高泵送混凝土技术一般是指泵送高度超过200m 的现代混凝土泵送技术。对于高度大于200m的高标号混凝土超高层泵送来说，混凝土强度高、黏度大，因此泵送压力较高，泵送施工尤其困难，给整个施工浇筑过程带来一系列有待探讨的技术难题。余成行表示，超高泵送混凝土技术已成为超高层建筑施工技术不可缺少的一个方面，并且已成为一种发展趋势而受到各国工程界的重视。不断研究高标号混凝土的超高泵送技术，对于提高超高层建筑施工质量及施工效率具有相当的实用价值和经济意义。

　　混凝土可泵性是表示混凝土在泵压下沿输送管道流动的难易程度以及稳定程度的特性。可泵性主要表现为流动性和内聚性。流动性是能够泵送的主要性能；内聚性是抵抗分层离析的能力，即使在振动状态下或在压力条件下也不易发生水与骨料的分离。 要较好的可泵性，就要保证混凝土在泵送过程中具有良好的流动性、阻力小、不离析、不易泌水、不堵塞管道等性质。

　　超高泵送混凝土技术的实用价值和经济意义使得该技术的普及推广成为趋势，也对泵送混凝土提出了以下要求：

　　1、混凝土与管壁的摩擦阻力要小，泵送压力合适，否则输送的距离和单位时间内输送量受到限制；混凝土承受的压力加大，混凝土质量会发生改变。

　　2、泵送过程中不得有离析现象，否则粗骨料在砂浆中则处于非悬浮状态，骨料相互接触，摩擦阻力增大，超过泵送压力时，将引起堵管。造成堵塞的原因也有很多：离析（内聚性太差，黏度过低），各物料不能同步移动；细颗粒含量太高，拌合物的摩擦阻力大（黏度过大），活塞通过水传递的压力不足以推动混凝土；水在压力下在拌合物内部发生了大的转移，水不连续导致压力无法传递。

　　3、在泵送过程中（压力条件下）混凝土质量不得发生明显变化。本来泵压足够，但浆体保水差、骨料吸水率大，在压力条件下，水分向前方迁移和骨料内部迁移，使混凝土浆体流动性降低、润滑层水分丧失而干涩、含气量降低，局部混凝土受到挤压密实，引起摩擦阻力加大，超过泵送压力，引起堵管；本来因输送距离和摩擦阻力原因造成泵压不足，同时浆体流动性不足，拌和物移动速度过缓，混凝土承受压力时间过长，持续压力条件下，保水性好的混凝土虽然无水分迁移但含气量引起损失，使局部混凝土受到挤压而密实并丧失流动性，摩擦阻力进一步加大，泵压更为不足，引起堵管。

　　国内主要采用坍落度和压力泌水率对混凝土可泵性进行评价。坍落度试验法是经典的评价方法，虽然有缺陷，但表征混凝土的流动性简便易行、指标明确，是目前评价混凝土可泵性的最主要方法。主要缺陷在于受操作技术影响大，观察粘聚性、保水性受主观影响。采用坍落度方法测定可泵性时，通常通过坍落度、扩展度和倒坍落度筒的流下时间来评价拌合物流动性、粘度等式性能。实验结果表明，倒坍落度筒的流下时间t在5~30s、扩展度SF ≥ 450mm、坍落度SL在180~220mm时，混凝土可泵性好、阻力小、容易泵送；当t ≥ 30s、SF ≤ 450mm时，混凝土不易泵送。超高泵送时，SL ≥ 240mm，SF ≥ 600mm，t ≤ 15s。

　　混凝土拌和物在管道中于压力推动下进行输送，水是传递压力的介质，如果在泵送过程中，由于压力大或管道弯曲、变径等出现“脱水现象”，水分通过骨料间空隙渗透，而使骨料聚结，引起堵塞。压力泌水试验法可以测定拌和料的保水性、反映阻止拌和水在压力下渗透流动的内阻力。

　　超高泵送高强混凝土的关键与难点在于，高强砼与普通砼SL和SF相同时，但SFt不同（粘度较大），要解决黏度与和易性之间的矛盾、坍落度与扩展度泵送损失的控制、扩展度和黏度经时损失的问题、高流动性混凝土的抗压强度保证问题。解决这些问题要优化原材料品种和混凝土配合比；经时损失问题通过调整外加剂组分解决；强度问题通过提高配比强度富余系数、规范现场取样和现场养护等内容进行控制。

　　高强泵送混凝土的配制

　　混凝土的可泵性与混凝土组成材料及其配合比密切相关，与混凝土和管壁间的摩擦、压力条件下浆体性能及混凝土质量变化等有关。

　　配制思路是，首先确定水泥和外加剂品种，确定优质矿物掺合料，寻找最佳掺合料用量比例，然后确定掺和料的最佳替代掺量，通过调整外加剂性能、砂率、粉体含量等措施，进一步降低混凝土和易性尤其是黏度的经时变化率。确定试验室最佳配合比，根据现场实际泵送高度变化（混凝土性能、泵送损失）情况，采用不同的配合比进行生产施工。

　　混凝土配合比对可泵性的影响主要表现在以下几个方面：

　　坍落度（或扩展度，均为流动性表征参数）：坍落度（扩展度）大的混凝土，流动性好，在不离析、少泌水（水分不游离）的条件下，混凝土黏度合适（不粘管壁），具有粘着系数和速度系数小的性质。

　　胶凝材料用量：胶凝材料用量增加、水胶比降低，一般均引起粘着系数和速度系数随之增大，但过少（水胶比大）时，容易发生离析、泌水造成拌和物不均匀而引起堵管。

　　砂率：砂率过高，需要足够的浆体才能提供合适的润滑层，否则粘着系数和速度系数会加大，适当降低砂率可以提供适当的浆体包裹量，但过低则容易发生离析。通常，由于粗骨料空隙率较大，相对而言浆体含量不足，砂率偏高，应提供适当数量的细粉料（增加粉煤灰、引气剂用量以增加浆体体积含量），保证混凝土有足够的和易性。

　　粗骨料的影响：骨料粒径大小、颗粒形状、表面结构、级配组成、吸水性能对混凝土可泵性影响很大，应选择空隙率小、针片状含量少、吸水率小的骨料，堆积密度≥1500kg/m³。

　　细骨料的影响：细骨料比粗骨料对可泵性的影响作用大。泵送混凝土用细骨料应尤其注意0.3mm和0.15mm筛通过的细砂含量，应分别在15%～30%和5%～10%。这部分砂对浆体的流动性、离析和泌水、黏度性能、含气量等影响作用极大，极易影响混凝土的可泵性。

　　含气量：3%～5%，气泡的结构（数量及大小）合理。

　　原材料因素对混凝土可泵性的影响：

　　1、水泥与胶凝体系

　　混凝土拌和物中石子本身并无流动性，它必须均匀分散在水泥浆体中通过水泥浆体带动一起向前移动，石子随浆体的移动受的阻力与浆体在拌和物中的充盈度有关，在拌和物中，水泥浆填充骨料颗粒间的空隙并包裹着骨料，在骨料表面形成浆体层，浆体层的厚度越大（前提是浆体与骨料不易分离），则骨料移动的阻力就会越小，同时，浆体量大，骨料相对减少，混凝土流动性增大，在泵送管道内壁形成的薄浆层可起到润滑层的作用，使泵送阻力降低，便于泵送。 水泥浆体的含量对混凝土泵送特别重要，国内外对泵送混凝土的最小水泥用量都有明确的规定，其规定的目的是保证拌和物中的最低浆体含量，实质是保证填充骨料空隙、包裹骨料的浆体体积含量。 水泥品种、细度、矿物组成与掺合料等对达到同样流动性的混凝土需水性、保持流动性的能力、泌水特性、黏度影响差异较大，是影响可泵性的主要因素。

　　2、骨料

　　骨料占的体积最大，其特性对混合料的可泵性影响很大，包括级配、颗粒形状、表面状态、最大粒径、吸水性能等。

　　级配好的骨料，其空隙率小，同样浆体量的前提下，可以获得更好的可泵性，但在富浆的混合料中，级配的影响显著减少；

　　骨料级配中，显著影响可泵性的是0.3~10mm的中等颗粒含量。如其含量过多，即石子偏细、砂子偏粗，极容易导致拌和物粗涩、松散，流动性差、摩擦阻力大、可泵性差；如含量过少，即石子偏粗、砂子偏细，则极容易使外加剂用量和用水量增大、使拌和物粘聚性变差发生离析；混凝土拌和物的流动性通过填充完砂石间的空隙而富余的包裹骨料表面的水泥浆体层来实现。砂率的变动会使骨料的总表面积和空隙率发生改变，因此，对拌和物的和易性、流动性、黏度有明显的影响，尤其是采用棱角系数大、吸水率大的砂的情况下，影响明显。

　　浆体量一定的情况下，砂率过大，骨料的总表面积增大，骨料间的浆体层减薄，流动性差，拌和物干稠；砂率过小，砂子不足以填充粗骨料间的空隙而需额外的浆体补充，骨料表面的裹浆层变薄，石子间内摩擦阻力增大，降低拌和物的流动性，严重影响拌和物的粘聚性和保水性，使粗骨料离析、浆体流失甚至溃散。合理的砂率可以使相同浆体量达到最大的坍落度、流动性，或达到相同坍落度、流动性时胶凝材料用量最少。

　　配合比相同的条件下，骨料平均粒径增大，质量相同的骨料颗粒总数减少，则同样数量的浆体对骨料的裹浆层变厚，流动性改善；随着骨料最大粒径的减小，浆体含量需要增加。

　　颗粒形状和表面状态也极容易影响可泵性，颗粒圆润、表面光滑的石子，空隙率小、表面积小，填充空隙和包裹颗粒所需的浆体较少，相同浆体量时，裹浆层和管道润滑层厚，流动性大、摩擦阻力小，对可泵性有利。

　　骨料的吸水率也是影响可泵性的因素，未饱和吸水的骨料在压力条件下会使水分向骨料内部孔隙发生迁移，虽然在压力解除时有部分得到释放，但也会造成影响，极端的例子是在多孔的轻骨料泵送混凝土中，因此，对于吸水率较大的骨料用于施工时应湿润处理，但对抗冻要求高的地区，骨料的吸水率应有所限制。

　　3、外加剂

　　由于泵送工艺的需要，为了满足适当的浆体含量和适宜的流动性，泵送混凝土用水量通常较大，而从混凝土性能考虑，则需要控制水胶比，需借助外加剂的功效来解决其中的矛盾：降低用水量、改善和易性、增大浆体的流动性。

　　外加剂在泵送混凝土中的功效体现在如下方面：降低用水量、增大流动性、改善和易性；改善泌水性能；改善因水胶比降低而增加的混凝土粘度以降低拌和物摩擦阻力；延长凝结时间以适应施工操作时间，改善水化；降低坍落度经时损失，改善浆体流动性丧失的缺陷。

　　4、水和细粉

　　水是混凝土拌和物各组成材料间的联络相，也是泵送压力传递的关键介质，主宰混凝土泵送的全过程，但用水量太多，浆体过分稀释不利于泵送而且对混凝土强度及耐久性不利。

　　如果混凝土中细粉料（胶凝材料和0.3mm以下的细料）对水没有足够的吸附能力和阻力，一部分水在泵送压力下从固体颗粒间的空隙流向阻力较小的区域，造成输送管道内压力传递不均，使水先流失、骨料与浆体分离。

　　由于细粉料对水的阻力作用，满足可泵性时应保证混凝土中具有合适的数量，实质上是提高浆体的内聚性需要，防止在泵送压力下的脱水作用。脱水具有逐渐增大的反作用，降低混凝土流动性并减少管壁润滑层的流动润滑体，逐渐引起阻力加大导致管道堵塞。

　　泵的选型与现场施工

　　余成行说，高强混凝土超高泵送是一个系统工程，设备要有较高可靠性和超强的泵送能力。高强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，必须解决超高压管道的密封、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处理与清水洗等诸多问题。

　　在设备选择时，要考虑设备的泵送能力（最大出口压力）、超高压管道密封、管道直径、管道材质、可靠性等问题。

　　现场施工主要分为管道布置，泵管固定、设置水平缓冲层、高压管道连接、管道清洗等。管道布置原则：出泵口处水平管长度不低于泵送高度的1/4，包括弯管折算长度；第一道水平弯管距离泵最短距离要大于3m；当泵送高度超过200m时，应考虑在高空布置水平管道（缓冲层）；距离泵10m左右设置一个截止阀（进行保养或维修，用于阻止垂直泵管内混凝土回流）；竖向管道应在最前段或第一次穿越楼层处设置一个截止阀（由于混凝土泵前端输送管的压力最大，堵管和爆管总发生在管道的初段，特别是水平管与垂直管相连接的弯管处）；超高压管的布置应避开人流量较大的区域，并在两边设安全防护设置。

　　余成行在报告中详细介绍了高强混凝土超高泵送工程案例，包括上海金茂大厦、香港金融中心、台北101大厦、上 海 环 球、北京国贸三期、天津津塔、广州西塔、深圳京基等。分别介绍了这些建筑的基本信息，以及混凝土最高标号、泵送高度、超高泵送工程混凝土配合比等情况。这些工程具有以下几个特点：

　　①原材料方面：采用C2S含量高（40%～70%）的水泥（内地一般为15%～37%）；混凝土中掺加了矿粉或硅灰；石子粒径较小，为1/2″，即最大料径约为12.7mm（香港国际金融中心C60混凝土为10mm）；外加剂采用优质聚羧酸型泵送剂。

　　②配合比方面：单方用水量较小，在155kg～160kg。水泥用量较少，矿物掺和料掺量较大，接近40%。水胶比较小、砂率较大（墙和高强柱达54%～56%）。混凝土生产过程中适时地掺加一定量的石灰石粉。

　　③混凝土控制指标方面：坍落度较大，为250mm±20mm；扩展度为650mm±100mm；而且，浇筑高度大于400m时控制混凝土的扩展度不小于720mm，以避免过大的流动度泵送损失。采用60d强度为验收强度。

　　④施工方面：台北101大楼采用Schwing地泵，泵送顶升工艺（其它工程为泵送+振捣工艺），泵送速度控制在40m³/h～60m³/h，泵压控制在最大量程的3/4之内，实际压力在22MPa左右。泵送高度较大时，人为调降泵送速度至30m³/h，以降低泵送压力至最大量程的70%。实际检测扩展度泵送损失在50mm～100mm。

　　最后，余成行总结了多年来的一些经验，并提出了一些想法：

　　1、对常规原材料进行相容性优化选择试验，使胶凝材料之间及其与外加剂之间的相容性保持良好，能够配制出满足超高泵送混凝土。

　　2、相对而言，聚酯类外加剂的混凝土粘聚性好但坍损快，聚醚类的发散但损失小。

　　3、调整聚羧酸外加剂的成份可以明显改善混凝土的黏度，但不能仅靠提高混凝土的含气量来实现，否则混凝土的表面易出现“空鼓”现象。

　　4、在高性能混凝土配合比设计时应充分注意胶凝体系的组成结构尤其是水泥组成的影响。我国水泥的生产是在同种熟料的基础上掺加不同比例的矿物掺和料来调整品种和等级的，而不是根据混凝土的性能要求来调整矿物结构的，如C₃A含量没有根据气温进行调整、C₃S和C₂S也不能根据混凝土性能要求或使用部位进行控制等，希望这一点能够引起同行们的重视。