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超高层混凝土泵送技术研究

作者:梁朝明 选编于《中国商品混凝土与水泥制品》杂志    发布时间:2017-11-28    点击:

    预拌砼采用泵送施工已广泛用于建筑工程中,但对于高度大于300m的超高层泵送,因泵送压力过高,所用砼强度高、粘度大,泵送尤其困难,给泵送施工带来一系列有待探讨的技术难题。随着泵送砼的普及推广和迅猛发展,不断研究高强度砼的超高层泵送技术,对于提高超高层建筑施工质量及施工效率具有相当的实用价值和经济意义。

香港国际金融中心主楼88层、高420m,是世界第五、亚洲第二高楼。其砼泵送最大高度408m,对施工安全、可靠性、环境保护和自动化程度要求都高,为保证工程质量和结构强度主楼全部采用C60砼,这些对砼输送设备提出了严峻的挑战。为此在砼配方上也采取了一些有利于泵送的措施,并将商砼站建在工地内、距砼泵约300m,保证砼在20min内到达浇筑面,减小坍落度损失。
  此工程每层砼用量约240m3,分两次施工,采用两台三一重工的HBT90CH-2122D超高压砼输送泵,同时布置了两套同样管道,两台泵可同时泵送。在400m高度的泵送过程中砼泵液压系统的工作压力为24~25MPa,砼出口压力16MPa,每分钟换向10~11次,输送量约40m3/h。其设备要求:

一是选用1HBT90CH砼泵1)双动力结构。为确保施工过程的可靠性,整机动力采用两台柴油机分别驱动两套泵组。应用双动力功率合流技术,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。

二是全自动高低压切换。液压系统高低压泵送模式切换过程全部由计算机控制,只需按1个按钮就在瞬间完成切换,不需停机,没有污染。

三是高压砼活塞。由于泵送最大高度达408m,管道内的砼对砼活塞反压极大,针对这一关键工况特点,采用增强聚氨脂材料开发了适应超高层泵送结构的高压砼活塞。

四是眼镜板、切割环。液压系统高低压泵眼镜板的反推力,导致密封失效,而这一对耦合件间的密封性是保证超高层泵送的关键。HBT90CH砼泵通过优化S管的流线减小反推力,同时采用高预紧力技术使切割环与眼镜板紧密贴合,保证可靠密封。

五是水洗。在408m超高层泵送中HBT90CH砼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,砼的浪费减至最低程度,整个工程可节省砼2640m3,折合港币190万。此外由于没有剩余砼,减轻了渣土处理及管理的负担,降低了施工过程的工作量和成本。  

整个施工过程中,对辅助设备、输送管也相应提出要求:

一是配合工程要求配套设计了布料半径为32.5m的无尾拖自动爬升布料杆,其主要参数为布料半径32.5m,塔身高度31m,爬升方式自动连续爬升,爬升速度0.5m/s,整机功率30kW,整机质量24t。

二是布料杆用4个液压马达减速机组驱动,通过齿轮齿条带动布料杆及支撑框交互上升而实现整机自动连续爬升,整个爬升过程可由1人操作完成。由于建筑结构的限制,布料杆的支撑跨距最大达10m,最小只有3.5m,为此,三一重工专门设计了大跨度变幅横梁。
  三是在泵出口布置了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,整套管道包括固定式布料杆塔身外露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。
  泵送施工技术十分关键,因超高层建筑砼泵送施工存在诸多技术问题,应从以下几个方面采取措施:
  一是设备的泵送能力。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。在本次408m高度的泵送过程中,砼泵的液压系统工作压力为24~25MPa,砼出口压力16MPa,而HBT90CH超高压砼泵的液压系统工作压力可达35MPa,砼出口最高压力可达22MPa,这也是HBT90CH顺利完成400m超高层泵送的至关因素。
  二是设备配置的可靠性。设备的配置应以可靠性为首要原则,超高层砼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2h以上时,砼在输送管内会出现泌水、离析,将使整个管道系统内砼报废而严重影响施工质量。三一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,即使1台发生故障仍有备用发动机继续工作,大大提高了施工过程的可靠性。此外,两套独立的泵和管道系统也是顺利施工强有力的保障。
  三是耐超高压的管道系统。在进行超高压泵送时,管道内压力最大可达到22MPa,纵向将产生27t的拉力,必须采用耐超高压的管道系统。此外常规的连接与密封方式也不能满足要求,需采取下述解决方案。
  (一)采用壁厚为9.5mm以上的超高压管道,保障管道的抗爆能力。
  (二)管道间的连接用螺杆强度级别保证,纵向拉力由螺杆承受,使接头处得到可靠保障。
  (三)带骨架的超高压砼密封圈能防止砼在22MPa的高压下从管夹间隙中挤出,确保密封长久可靠。
  (四)输送管管径越小则输送阻力越大,但过大的输送管抗爆能力差,而且砼在管道内流速慢、停留时间长,影响砼的性能,最好选用直径为125mm的输送管。
  四是合理布管。布管应根据砼的浇注方案设置并少用弯管和软管,尽可能缩短管线长度。本工程管道沿楼地面或墙面铺设,在砼地面或墙面上用膨胀螺栓安装一系列支座,每根管道均由两个支座固定。为了减少管道内砼反压力在泵的出口布置了100m的水平管及若干弯管,取得了较好的效果。
  五是合理适用的砼配合比。配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。
  (一)水泥用量
适用于超高层泵送砼的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,过大则砼的粘性大、泵送阻力增大则增加泵送难度,而且降低吸入效率。本例中水泥用量为375kg/m\+3,在施工中取得了很好的效果。
  (二)粗骨料
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,此比例宜小于1∶5,而其中尖锐扁平的石子要少,以免增加水泥用量。
  (三)坍落度
普通的泵送作业中砼的坍落度在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,同时为防止砼离析可掺入沸石粉以减少泌水。
  (四)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,改善砼拌和物的和易性。但由于外加剂品种较多,对粉煤灰的适应性也各不相同,其最佳用量应通过试验来确定。
  六是保证砼的连续供给。针对砼粘性好、凝结快的特性,为保证砼的均质性,水泥搅拌运输车在向泵机喂料前反向高速转动20~30s,泵送过程应迅速连续进行并不停地搅拌,避免因砼在泵送过程中滞留过长而造成凝结堵管现象。
  七是保证砼的顺利泵送。压送前应用水湿润泵的料斗、泵室、输送管道等与砼接触的部分,检查管路无异常后方可采用水泥砂浆润滑压送。
开始泵送时泵机应处于低速运转状态,注意观察泵的压力和各部分工作情况,待顺利泵送后方可提高到正常运输速度。
当砼泵送困难、泵的压力突然升高时会导致管路产生振动,可用槌敲击管路、找出堵塞的管段,采用正反泵点动处理或拆卸清理,经检查确认无堵塞后继续泵送,以免损坏泵机。
施工时采用由远至近的退管法与二次布管法,本工程砼浇注方向与泵送方向相同。
 八是其它注意事项:

(一)不得使用产生裂缝和表面凹陷的管道,管箍必须紧牢,防止爆管伤人;
  (二)及时进行故障处理和更换必要的易损件;
  (三)停机后应及时清洗并注意泵机的保养。