余成行，師衛(wèi)科

（北京市中超混凝土有限責任公司，北京 100024）

0 前言

泵送混凝土，是指混凝土拌合物坍落度不低于100mm 并用泵送施工的混凝土（JGJ/T55-2000）；可在施工現(xiàn)場通過壓力泵及輸送管道進行澆筑的混凝土（JGJ/T55-2011）。

泵送混凝土技術1927 年創(chuàng)于德國，現(xiàn)成為建筑施工的重要技術手段，廣泛應用于各類土木、建筑工程中。德國是歐洲混凝土泵發(fā)展最快的國家，對混凝土泵的發(fā)展和改進做出了很大貢獻，技術先進，是混凝土泵和泵送技術主要出口國之一。1927 年德國Fritz.Hell 設計制造了第一次獲得成功應用的混凝土泵；20 世紀50 年代中期，德國Torkret 公司發(fā)展了以水為工作介質的混凝土泵，進入新的發(fā)展階段；1959 年德國Schwing公司生產(chǎn)出第一臺全液壓的混凝土泵，液壓驅動，功率大、振動小、排量大、運輸距離遠并可實現(xiàn)無級調節(jié)；20 世紀60 年代中期研制了混凝土泵裝載車，混凝土泵由固定式發(fā)展為移置式，更加靈活機動，為了澆筑和布料方便，又加裝了可以回轉伸縮的布料桿。德國生產(chǎn)的最大功率的混凝土泵，最大排量為159m3/h，最大水平運距1600m，最大垂直運距400m，是目前世界上最大的混凝土泵之一。

國內在20 世紀50 年代從國外引進泵送混凝土技術，但缺少混凝土泵，設備不配套以及技術、管理上的原因，在施工中無大規(guī)模推廣。20 世紀60 年代，上海重型機器廠生產(chǎn)了仿原蘇聯(lián)C-284 型排量40m3/h 的固定式混凝土泵；20 世紀70年代，自行研制活塞式泵，同時，大量進口日本和前聯(lián)邦德國的混凝土泵，原第一機械研究所和沈陽振搗器廠合作研究，于1975 年試制成功排量為8m3/h 的HB-8 型固定式活塞泵。從1980 年開始，在對泵送混凝土施工技術試驗研究的基礎上，我國從德國、日本、美國等國家大量引進大批混凝土泵、攪拌設備、攪拌運輸車以及大型攪拌站，才大量采用泵送混凝土施工方法。目前，國內混凝土泵車生產(chǎn)企業(yè)有十余家，主要集中在中聯(lián)重科、三一重工、遼寧海諾、安徽星馬、上海普斯特等企業(yè)，泵車型號有多種，泵送高度從20 到50 多米，目前生產(chǎn)的混凝土泵車大多集中在47 米以下。

0.1 泵的發(fā)展特點

（1）發(fā)展液壓活塞式混凝土泵是主流。發(fā)展大體經(jīng)歷了從活塞式泵到擠壓式泵再到活塞式泵、從機械式到液壓式、從低壓到高壓、從固定式到拖式再到汽車式的演變過程。

（2）發(fā)展帶布料桿的汽車式混凝土泵車。此種泵車移動靈活，布料澆筑便捷。

（3）提高混凝土泵的輸出壓力。由于混凝土中復合膠凝材料的大量使用，混凝土拌合物的黏度增大，給泵送增加的難度越來越大，同時，輕集料混凝土的特點也決定了小坍落度混凝土在泵送過程中出現(xiàn)的可能性，泵送阻力較大情況下的混凝土要求混凝土泵的輸出壓力高、閥門密封性能好、輸送管耐高壓。

（4）提高混凝土泵的工作可靠性和效率。

0.2 超高泵送

超高泵送混凝土技術一般是指泵送高度超過200m 的現(xiàn)代混凝土泵送技術。對于高度大于200m 的高強混凝土超高層泵送來說，因泵送壓力過高，混凝土強度高、黏度大，泵送施工尤其困難，給整個施工澆筑過程帶來一系列有待探討的技術難題。超高泵送混凝土技術已成為超高層建筑施工技術不可缺少的一個方面，并且已成為一種發(fā)展趨勢而受到各國工程界的重視。不斷研究高強混凝土的超高泵送技術，對于提高超高層建筑施工質量及施工效率具有相當?shù)膶嵱脙r值和經(jīng)濟意義。

1 泵送過程分析

圖1 活塞式混凝土泵示意圖

圖2 混凝土泵管內流動模型

泵送過程的實質是：

（1）通過泵管時，由于材料產(chǎn)生部分密實和摩擦的影響，在流動方向上產(chǎn)生壓力梯度。

（2）泵的壓力大小滿足壓力梯度要求。

（3）材料必須能傳遞足夠的壓力來克服管道的所有阻力。

（4）混凝土的所有組分中，只有水才能在自然狀態(tài)下可泵，所以，只有水才能傳遞壓力。

由此可以分析混凝土產(chǎn)生堵塞的可能主要是：

（1）離析。

（2）細顆粒含量太高，（內聚力過大導致）拌合物的摩擦阻力大，活塞通過水傳遞的壓力不足以推動混凝土。

（3）水脫離了拌合物，壓力無法傳遞。

在泵送過程中，混凝土拌合物的性能會發(fā)生一定變化，原因是水分的遷移和氣體的壓縮。因此，在泵送混凝土配合比設計時，重要的目標之一就是在最小空隙的拌合物中產(chǎn)生最大的內摩擦阻力以及用比表面積小的骨料，以使管壁的摩擦阻力最小，根本解決方法之一就是調整混凝土材料的顆粒組成使其具有合理的級配。

圖3 泵送混凝土在泵壓下性能變化分析示意圖

2 可泵性的評價與指標確定

一般情況下，混凝土具有較好的可泵性是指：混凝土在泵送過程中具有良好的流動性、阻力小、不離析、不易泌水、不堵塞管道等性質?？杀眯灾饕憩F(xiàn)為：流動性和內聚性。流動性是能夠泵送的主要性能；內聚性是抵抗分層離析的能力，即使在振動狀態(tài)下和在壓力條件下也不容易發(fā)生水與骨料的分離。

2.1 泵送混凝土的要求

通常情況下，泵送混凝土的要求是：

（1）混凝土與管壁的摩擦阻力要小，泵送壓力合適，否則：

a.輸送的距離和單位時間內輸送量受到限制；

b.混凝土承受的壓力加大，混凝土質量會發(fā)生較大改變。

（2）泵送過程中不得有離析現(xiàn)象，否則：粗骨料在砂漿中處于非懸浮狀態(tài)，骨料相互接觸，摩擦阻力增大，超過泵送壓力時，將引起堵管。

（3）在泵送過程中（壓力條件下）混凝土質量不得發(fā)生明顯變化。

a.本來泵壓足夠，但漿體保水差、骨料吸水率大，在壓力條件下，水分向前方遷移和骨料內部遷移，使混凝土漿體流動性降低、潤滑層水分喪失而干澀、含氣量降低，局部混凝土受到擠壓密實，引起摩擦阻力加大，超過泵送壓力，引起堵管；

b.本來因輸送距離和摩擦阻力原因造成泵壓不足，同時漿體流動性不足，拌合物移動速度過緩，混凝土承受壓力時間過長，持續(xù)壓力條件下，保水性好的混凝土雖然無水分遷移但引起含氣量損失，使局部混凝土受到擠壓而密實并喪失流動性，摩擦阻力進一步加大，泵壓更為不足，引起堵管。

2.2 可泵性評價方法

國內主要采用坍落度法和壓力泌水試驗法進行可泵性評價，對常用的泵送混凝土適用性較強。

2.2.1 坍落度試驗法

經(jīng)典的評價方法，雖然有缺陷，但表征混凝土的流動性簡便易行、指標明確，是目前評價混凝土可泵性的最主要方法。主要缺陷在于受操作技術水平影響大，觀察粘聚性、保水性受主觀影響。

采用坍落度方法測定可泵性時，通常通過坍落度、擴展度和倒坍落度筒的流下時間來評價拌合物流動性、黏度性能。實驗結果表明，倒坍落度筒的流下時間t 在5～30s、擴展度SF≥450mm、坍落度SL 在180 ～220mm 時，混凝土可泵性好、阻力小、容易泵送；當t ≥ 30s、SF ≤ 450mm 時，混凝土不易泵送。超高泵送時，SL ≥ 250mm，SF ≥600mm，t ≤ 15s。

2.2.2 壓力泌水試驗法

混凝土拌合物在管道中于壓力推動下進行輸送，水是傳遞壓力的介質。如果在泵送過程中，由于壓力大或管道彎曲、變徑等出現(xiàn)“脫水現(xiàn)象”，水分通過骨料間空隙滲透，而使骨料聚結，引起堵塞。壓力泌水試驗法可以測定拌合料的保水性、反映阻止拌合水在壓力下滲透流動的內阻力。

壓力泌水試驗通過對拌合物施加3.0MPa 的壓力，恒壓下測得開始10s 內的出水量V10和140s 內的出水量V140。對于任何坍落度的拌和物，140s 后的壓力泌水都是很小的。容易脫水的混凝土在開始10s 內的出水速度很快，V10大，因而V140-V10值小，可泵性不好，反之，則表明可泵性好。

壓力泌水試驗確定的可泵性區(qū)間通過140s 的泌水量V140和壓力泌水率BP[BP=（V10/V140）×100%]指標衡量。壓力泌水率不宜超過40%，對于泵送混凝土，壓力泌水有一最佳范圍，超出此范圍，泵壓將明顯增大、波動甚至造成阻泵。實驗表明，泵壓與壓力泌水量有如下關系：

1）當V140小于80ml 時，泵壓隨其降低而增大；

2）當80ml ≤V140＜110ml 時，泵壓與V140無關；

3）高層泵送時，當V140＞110ml 時，泵壓波動；

4）當 V140＞130ml 時，容易堵泵。

一般來說，泵送混凝土適宜泵送區(qū)的V140值為40 ～110ml。

2.3 超高泵送混凝土的關鍵與難點

超高泵送的建筑結構一般常常伴隨著高強混凝土。眾所周知，高強混凝土與普通混凝土坍落度和擴展度相同時，擴展時間大不相同，高強混凝土的粘度較大。因此，在其超高泵送時，面臨的關鍵問題是：

（1）黏度與和易性之間的矛盾。

（2）坍落度與擴展度泵送損失的控制。

（3）擴展度和黏度經(jīng)時損失的問題。

（4）高流動性混凝土的抗壓強度保證問題。

上述問題的解決通常需要綜合采取措施來解決，如優(yōu)化原材料品種和混凝土配合比、調整外加劑組分解決經(jīng)時損失、提高配比強度富余系數(shù)、規(guī)范現(xiàn)場取樣和現(xiàn)場養(yǎng)護等內容解決強度問題等。

表1 超高泵送混凝土拌合物控制（評價）指標

3 混凝土的配制

配制思路是：首先確定水泥和外加劑品種→確定優(yōu)質礦物摻合料→尋找最佳摻合料雙摻比例→確定摻合料的最佳替代摻量→通過調整外加劑性能、砂率、粉體含量等措施，進一步降低混凝土和易性尤其是黏度的經(jīng)時變化率→確定試驗室最佳配合比→根據(jù)現(xiàn)場實際泵送高度變化（混凝土性能泵送損失）情況，采用不同的配合比進行生產(chǎn)施工。

3.1 混凝土配合比與可泵性的關系

混凝土的可泵性和混凝土與管壁間的摩擦、壓力條件下漿體性能及混凝土質量變化等有關，即與混凝土組成材料及其配合比有關。

（1）坍落度（或擴展度，均為流動性表征參數(shù)）：坍落度（擴展度）大的混凝土，流動性好，在不離析（骨料不聚集、漿體不分離）、少泌水（水分不游離）的條件下，混凝土黏度合適（不粘管壁），具有粘著系數(shù)和速度系數(shù)小的性質。

（2）膠凝材料用量：膠凝材料用量增加、水膠比降低，一般均引起粘著系數(shù)和速度系數(shù)隨之增大，但過少 （水膠比大）時，容易發(fā)生離析、泌水造成拌合物不均勻而引起堵管。

（3）砂率：砂率過高，需要足夠的漿體才能提供合適的潤滑層，否則粘著系數(shù)和速度系數(shù)會加大，適當降低砂率可以提供適當?shù)臐{體包裹量，但過低則容易發(fā)生離析。通常情況下，若粗骨料空隙率較大，相對而言漿體含量不足，砂率偏高，應提供適當數(shù)量的細粉料（增加粉煤灰、引氣劑用量以增加漿體體積含量），保證混凝土有足夠的和易性。

（4）粗骨料的影響：骨料粒徑大小、顆粒形狀、表面結構、級配組成、吸水性能對混凝土可泵性影響很大，應選擇空隙率小、針片狀含量少、吸水率小的骨料，堆積密度≥1500kg/m3。

（5）細骨料的影響：細骨料比粗骨料對可泵性的影響作用大。泵送混凝土用細骨料應尤其注意0.3mm 和0.15mm 篩通過的細砂含量，應分別在15%～30%和5%～10%。這部分砂對漿體的流動性、離析和泌水、黏度性能、含氣量等影響作用極大，極易影響混凝土的可泵性。

（6）含氣量：3%～5%，氣泡的結構（數(shù)量及大?。┮侠怼?/p>

3.2 原材料性能與可泵性的關系

3.2.1 水泥

混凝土拌合物中石子本身并無流動性，它必須均勻分散在水泥漿體中通過水泥漿體帶動一起向前移動，石子隨漿體的移動受到的阻力與漿體在拌合物中的充盈度有關。在拌合物中，水泥漿填充骨料顆粒間的空隙并包裹著骨料，在骨料表面形成漿體層，漿體層的厚度越大（前提是漿體與骨料不易分離），則骨料移動的阻力就會越小，同時，漿體量大，骨料相對減少，混凝土流動性增大，在泵送管道內壁形成的薄漿層可起到潤滑層的作用，使泵送阻力降低，便于泵送。應注意：

（1）水泥漿體的含量對混凝土泵送特別重要，國內外對泵送混凝土的最小水泥用量都有明確的規(guī)定，其規(guī)定的實質應是保證拌合物中的最低漿體含量，即保證填充骨料空隙、包裹骨料的漿體體積含量。

（2）水泥品種、細度、礦物組成與摻合料等對達到同樣流動性的混凝土需水性、保持流動性的能力、泌水特性、稠度影響差異較大，是影響可泵性的主要因素。

3.2.2 骨料

基于成本和混凝土性能的考慮，通常施工的混凝土一般是骨料含量最大而又能滿足施工的混合料，泵送混凝土除了漿體以外，其余的就是骨料，骨料占的體積最大，其特性對混合料的可泵性影響很大，包括級配、顆粒形狀、表面狀態(tài)、最大粒徑、吸水性能等。

（1）級配好的骨料，其空隙率小，同樣漿體量的前提下，可以獲得更好的可泵性，但在富漿的混合料中，級配的影響顯著減少。

（2）骨料級配中，顯著影響可泵性的是0.3 ～10mm 的中等顆粒含量，如其含量過多，即石子偏細、砂子偏粗，極容易導致拌合物粗澀、松散，流動性差、摩擦阻力大、可泵性差，如含量過少，即石子偏粗、砂子偏細，則極容易使外加劑用量和用水量增大、使拌合物粘聚性變差而發(fā)生離析。

（3）混凝土拌合物的流動性通過填充完砂石間的空隙而富余的包裹骨料表面的水泥漿體層來實現(xiàn)。砂率的變動會使骨料的總表面積和空隙率發(fā)生改變，因此，對拌合物的和易性、流動性有明顯的影響，尤其是采用棱角系數(shù)大、吸水率大的砂的情況下，影響明顯。

（4）漿體量一定的情況下，砂率過大，骨料的總表面積和空隙率均增大，骨料間的漿體層減薄，流動性差，拌合物干稠；砂率過小，砂子不足以填充粗骨料間的空隙而需額外的漿體補充，骨料表面的裹漿層變薄，石子間內摩擦阻力增大，降低拌合物的流動性，嚴重影響拌合物的粘聚性和保水性，使粗骨料離析、漿體流失甚至潰散。合理的砂率可以使相同漿體量達到最大的坍落度、流動性，或達到相同坍落度、流動性時膠凝材料用量最少。

（5）配合比相同的條件下，骨料平均粒徑增大，質量相同的骨料顆粒總數(shù)減少，則同樣數(shù)量的漿體對骨料的裹漿層變厚，流動性改善；隨著骨料最大粒徑的減小，漿體含量需要增加。

（6）顆粒形狀和表面狀態(tài)也極容易影響可泵性，顆粒圓潤、表面光滑的石子，空隙率小、表面積小，填充空隙和包裹顆粒所需的漿體較少，相同漿體量時，裹漿層和管道潤滑層厚，流動性大、摩擦阻力小，對可泵性有利，但對骨料與漿體的粘結有所削弱而使強度有所降低。

（7）骨料的吸水率也是影響可泵性的因素，未飽和吸水的骨料在壓力條件下會使水分向骨料內部孔隙發(fā)生遷移，雖然在壓力解除時有部分得到釋放，但也會造成影響，極端的例子是在多孔的輕骨料泵送混凝土中，因此，對于吸水率較大的骨料用于施工時應濕潤處理，但對抗凍要求高的地區(qū)，骨料的吸水率應有所限制。

3.2.3 外加劑

由于泵送工藝的需要，為了滿足適當?shù)臐{體含量和適宜的流動性，泵送混凝土用水量通常較大，而從混凝土性能考慮，則需要控制水膠比，需借助外加劑的功效來解決其中的矛盾：降低用水量、改善和易性、增大漿體的流動性。同時，要求外加劑具有早期強度好、收縮低、后期強度好的性能。

外加劑在泵送混凝土中的功效體現(xiàn)在如下方面：

（1）降低用水量、增大流動性、改善和易性；

（2）改善泌水性能；

（3）改善因水膠比降低而增加的混凝土黏度以降低拌合物摩擦阻力；

（4）延長凝結時間以適應施工操作時間，改善水化；

（5）改善漿體流動性喪失的缺陷，降低坍落度損失。

3.2.4 水和細粉

水是混凝土拌合物各組成材料間的聯(lián)絡相，也是泵送壓力傳遞的關鍵介質，主宰混凝土泵送的全過程，但水加的太多，漿體過分稀釋不利于泵送，而且對混凝土強度及耐久性不利。

如果混凝土中細粉料（膠凝材料和0.3mm 以下的細料）對水沒有足夠的吸附能力和阻力，一部分水在泵送壓力下從固體顆粒間的空隙流向阻力較小的區(qū)域，造成輸送管道內壓力傳遞不均，使水先流失、骨料與漿體分離。

由于細粉料對水的阻力作用，滿足可泵性時應保證混凝土中具有合適的數(shù)量，實質上是提高漿體的內聚性需要，防止在泵送壓力下的脫水作用。脫水具有逐漸增大的反作用，降低混凝土流動性并減少管壁潤滑層的流動潤滑體，逐漸引起阻力加大導致管道堵塞。

因此，在設計超高泵送配合比時尤其應注意細顆粒間的級配問題，使其空隙率最小，這一點對混凝土的泵送損失尤為重要。常采用的方法是通過檢測每一個摻合料體系的凈漿流動度來選擇確定各組份的最佳比例。而且，常用膠凝材料的顆粒組成、形狀和表面狀態(tài)各不相同、各有特點，應通過調整其組成結構以充分發(fā)揮各自的特點和優(yōu)勢，通過圖4 可以充分說明這一點。

圖4 常用膠凝材料的典型SEM 圖片

4 超高泵送的選型計算與管道布置

4.1 管道布置原則

（1）出泵口處水平管長度不低于泵送高度的1/4，包括彎管折算長度。

（2）距離泵10m 左右設置一個截止閥。

（3）第一道水平彎管距離泵最短距離要大于3m。

（4）豎向管道應在第一次穿越樓層處設置一個截止閥。

（5）超高壓管的布置應避開人流量較大的區(qū)域，并在兩邊設安全防護設置。

（6）在泵送高度的1/3 ～1/2 處或120m～160m 處設置水平緩沖層（如圖5 所示）。

圖5 水平緩沖層設置示意圖

4.2 泵管固定

（1）水平管應采用預埋件固定在混凝土墩上。

（2）豎向管應每隔4 ～5m 設置一個固定在墻體上的管夾。

（3）高壓管采用法蘭連接。

4.3 泵送高度與壓力計算

以北京國貿三期C60 混凝土一次泵送至330m 高度為例，采用三一地泵，最大出口泵壓22MPa。

（1）當采用換算水平長度計算法時，混凝土泵送所需最大水平輸送距離150m，最大垂直距離為330m，彎管水平換算長度按72m 計，軟管水平換算長度按20m 計，依據(jù)技術規(guī)程換算水平管總長度為1562m，則L=22/0.01=2200m ＞1562m，滿足要求。

（2）當采用壓力損失計算法時，換算水平管長度和壓力損失的計算結果如表2 所示。

混凝土泵送的配管換算的總壓力損失為ΔPH=19.35MPa＜22MPa，滿足要求。

（3）當根據(jù)施工經(jīng)驗判斷時，經(jīng)驗表明，垂直泵送的難度是水平泵送的3 倍，也就是說能夠水平泵送300m 時，也能夠垂直泵送100m。垂直泵送330m，相當于水平990m，加之水平管長度為1040m，小于設備最大水平距離1800m，滿足要求。

5 超高泵送典型工程

上述配比主要有以下幾個特點：

（1）原材料方面：采用C2S 含量高（40%～70%）的水泥（內地一般為15%～37%）；混凝土中摻加了礦粉或硅灰；石子粒徑較小，為1/2″，即最大料徑約為12.7mm（香港國際金融中心C60 混凝土為10mm）；外加劑采用優(yōu)質聚羧酸型泵送劑。

（2）配合比方面：單方用水量較小，在155kg ～160kg。水泥用量較少，礦物摻合料摻量較大，接近40%。水膠比較小、砂率較大（墻和高強柱達54%～56%）。混凝土生產(chǎn)過程中適時地摻加一定量的石灰石粉。

（3）混凝土控制指標方面：坍落度較大，為（250±20）mm；擴展度為（650±100）mm；采用60d 強度為驗收強度。

（4）施工方面：臺北101 大樓采用Schwing 地泵，泵送頂升工藝，泵送速度控制在40 ～60m3/h，泵壓控制在最大量程的3/4 之內，實際壓力在22MPa 左右。泵送高度較大時，人為調降泵送速度至30m3/h，以降低泵送壓力至最大量程的70%。

臺北101 大樓實際檢測擴展度泵送損失在50 ～100mm。澆筑高度大于400m 時控制混凝土的擴展度不小于720mm，以避免過大的流動度泵送損失。北京國貿三期混凝土泵送損失情況如表5 所示。

表2 壓力損失計算法

表3 超高泵送工程概況

表4 超高泵送工程混凝土配合比情況

表5 國貿三期工程C60 混凝土拌合物性能泵送損失統(tǒng)計情況

理論分析和施工經(jīng)驗表明，泵送損失在超高泵送混凝土中容易發(fā)生，可從以下幾方面采取控制措施：

①混凝土拌合物的經(jīng)時損失要小。

②增加初始（入泵）值。

③骨料空隙率要小。

④粉料級配要合理。如雙摻礦粉和粉煤灰效果不好，可改為單摻粉煤灰或礦粉；也可摻加一定量的石灰石粉、硅粉；有時，甚至更換砂子也能得到很好的效果。

6 幾點想法

（1）對常規(guī)原材料進行相容性優(yōu)化選擇試驗，使膠凝材料之間及其與外加劑之間的相容性保持良好，能夠配制出滿足超高泵送混凝土。

（2）相對而言，聚酯類外加劑的混凝土粘聚性好但坍損快，聚醚類的發(fā)散但損失小。

（3）調整聚羧酸外加劑的成分可以明顯改善混凝土的黏度，但不能僅靠提高混凝土的含氣量來實現(xiàn)，否則混凝土的表面易出現(xiàn)“空鼓”現(xiàn)象。

[1]孫樹.泵送混凝土技術（內部學習材料）.2006

[2]馮乃謙.高性能混凝土結構[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.

[3]余成行.C60 泵送頂升自密實鋼管混凝土的配制與施工[J].混凝土,2010,234(10):91-96.