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远距离泵送混凝土在地铁工程中的应用
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[摘要]混凝土泵送技术在我国已发展和应用多年，但长距离或超高层混凝土泵送技术又具有特殊性。本文主要介绍混凝土水平长距离泵送特点，从泵送设备选型、混凝土配合比设计、原材料选择和工程应用施工要点等加以说明和介绍。[关键词]远距离；泵送混凝土；工程应用1前言 随着近年来基建项目日益扩大和预拌混凝土的大力发展，混凝土泵送技术已在我国得到普遍应用。应用泵送技术能够有效解决混凝土水平运输和垂直运输，其效率高、费用低、单位时间输送量大是其它运输工具所不能比拟的。尤其是预拌混凝土生产与泵送施工相结合，彻底改变了施工现场混凝土工程的面貌。1995年10月，国家正式批准施行了混凝土泵送施工技术规程JGJT10-95，为混凝土泵送技术提供了法规。 2004年12月开始，我公司接到为天津地铁工程土城段到新华路段轨道铺设混凝土浇筑任务。因主体都已完成，地下轨道梁混凝土浇筑的运输问题成为施工的头等大事，工期紧，混凝土浇筑量大，地铁每站间距2km~4km，站间约每1km左右留一通风口，如果用轨道车一点一点地运输混凝土浇筑，工期根本完不成。根据我公司的泵送机械能力和对混凝土原材料的选择及质量控制，为客户设计了远距离泵送混凝土施工方案，最长泵送距离为670m，一次性浇筑560m3混凝土，取得了很好的效果。2设备选择2.1管路布置 地铁轨道梁混凝土输送，主要为水平输送，依靠站间的通风口布置管路，每通风口间距大约为1000m左右，故泵送距离为垂直向下40m，水平550m。设计最多使用4个R=1m弯头，锥形管一根，软管1根。选择内径125mm的无缝输送管。水平输送换算长度 Lmax=L1+L2+L3+L4 =550+4×9+1×10+1×8 =604m L1水平长度水平换算长度1m=1m L2弯头换算长度水平换算长度1m=9m L3软管换算长度水平换算长度1m=10m L4锥形管水平换算长度1根=8m 考虑尚有临时增加的管路，故设计水平输送长度为650米2.2混凝土输送泵选择 混凝土泵送时，在泵压的推动下，混凝土以等速、柱塞状向前运动。泵送距离取决于混凝土泵在管根部所能产生的最大根部输送压力。这个压力来源于泵车液压缸内溢流阀开始运转时的油压。混凝土进行泵送时，混凝土中的水泥砂浆在压力作用下挤向外围，在输送管表面起润滑剂作用。泵送时，只要混凝土泵的推力产生的剪切应力大于水泥砂浆的屈服应力，管路中的混凝土就会流动。随着管路加长，泵送压力损失增大，泵送阻力增大。当泵送压力损失超出泵送设备能力时，就会造成堵泵。泵送压力的变化与许多因素有关，如水平换算泵送距离、输送管径、混凝土粘性系数、摩擦系数、泵送速度、输送管起始处的泵压力等。 根据《混凝土泵送施工技术规程》JGJT10-95标准，混凝土泵送最大水平距离计算公式： 式中Lmax混凝土泵的最大水平输送距离 Pmax混凝土泵的最大出口压力 △PH混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失 r0混凝土输送管半径 K1粘着系数 K2速度系数 S1混凝土塌落度，选择22.0cm t2t1混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，一般取0．3； V2混凝土拌合物在输送管内的平均流速考虑泵送速度越快，摩擦阻力越大，选择1m α2径向压力与轴向压力之比，普通混凝土取0．9计算如下： 故需要混凝土泵最大出口压力=Lmax×△PH=600×9043.2=5425920Pa=54．26×105Pa我公司现有德国普茨迈斯特移动固定泵型号为2112H2台，其设计输送压力为112×105Pa，112×105Pa54．26×105，泵车输送压力大于泵管压力损失。 按照泵设计能力最大泵送距离Lmax=112×105Pa9043．2=1238．5m650m满足泵送650米需要。故选用此泵。3混凝土配合比设计 泵送混凝土配合比设计与传统的设计方法不同，泵送混凝土是在混凝土泵的推动下沿输送管进行混凝土拌合物的运送。因此，不仅要求要满足设计规定的强度、耐久性要求，还要满足管道输送对混凝土拌合物的要求，既要求混凝土拌合物要有较好的和易性、泌水少、摩擦阻力小、不离析、不堵塞和粘塑性良好的性能。对该工程而言，泵送距离长，泵送阻力大，混凝土在输送管内存留时间长，还必须根据气候条件增加混凝土的坍落度保留时间和混凝土凝结时间。并且该泵送混凝土必须要经过仔细的设计，必须要有良好的可泵性。 混凝土材料选择 a水泥品种和胶结料用量 在泵送混凝土中，水泥砂浆起到润滑输送管和传递压力的作用，所以在泵送混凝土中，水泥用量和掺合料用量是非常重要的。胶结料过少，混凝土和易性差，泵送阻力大，泵和输送管的磨损也加剧，容易产生阻塞。水泥量过多，不但不经济，混凝土的粘性增高，也会增大泵送阻力。在国标准《混凝土泵送施工技术规程》JGJT10-95中规定，泵送混凝土最小水泥用量宜为300kgm3。该工程混凝土强度等级为C30和C20混凝土。结合我公司普通泵送混凝土配合比设计经验，选用天津水泥厂普通42．5强度等级的水泥，同时加入矿渣粉和粉煤灰活性材料，总胶结料用量达到360kgm3。通过增加了活性掺合料用量，降低了水泥用量，减少混凝土水化热，有利于延长混凝土凝结时间，提高了混凝土的耐久性。 b骨料级配 骨料的粒径和级配，对混凝土的泵送性能有很大影响，必须要严格控制。控制骨料最大粒径，这是从三个石子在同一断面处相遇，最容易引起阻塞的原理推算出来的。《混凝土泵送施工技术规程》JGJT10-95中规定，泵送高度在100m以上时，粗骨料最大粒径与输送管径之比宜在1：4~1：5。由于输送管内径为125mm，故选用最大粒径为25mm的连续级配石子。 关于粗、细骨料的级配，国内外均有规定。我国《混凝土泵送施工技术规程》JGJT10-95中也有推荐的级配曲线。由于我国的骨料级配曲线不完全符合泵送混凝土所要求的曲线，存在有时泵送时会产生一些问题。所以在本工程实际使用时，人工级配5mm~25mm和5mm~16mm两种石子，调整到理想曲线，分别计量混合使用。所采用的石子均为连续级配，针片状含量均小于5%。 细骨料应符合JGJ52-2002标准，采用中砂。粒径在0．315mm以下的细骨料所占的比例按标准要求不应少于15%，使用时最好能达到20%，这对改善混凝土的泵送性能非常重要。许多情况下就是因为这部分所占比例过少，而影响了正常泵送施工。由于天然砂的砂源日益减少，符合级配要求的砂子不是价格太高就是货源太少，所以我公司利用机制砂和部分细砂，人工级配，分别计量，砂子的细度模数可稳定保持在2．7左右。混合砂的质量指标均符合国家标准，而且因其不含天然砂中常见的硕石，配合比更加准确，使混凝土泵送性能得到保证。 c外加剂 外加剂用来改善泵送混凝土的性能，例如增加管壁与混凝土之间的润滑，减少混凝土的离析、泌水等，可以增加混凝土的流动性，有利于泵送施工。目前常用的外加剂为萘系高效减水剂和渐露头角的聚羧酸高效减水剂，这两种外加剂都在此工程中得到很好的应用。 引气混凝土比非引气混凝土有较好的和易性与粘性，可减少粗骨料的离析，也可以减少混凝土的泌水，而且在停机后再启动也较为容易。本工程混凝土也掺用了引气剂，引气量目标值为3%。混凝土和易性良好。本工程所用外加剂均为瑞士独资企业西卡公司的产品。 d矿物掺合料 粉煤灰是一种表面圆滑的微细颗粒，掺入混凝土拌合物后，使流动性显著增加，而且能减少混凝土拌合物的泌水和干缩。当泵送混凝土中水泥量较少或细集料中粒径小于0．315mm含量少时，也可掺用粉煤灰进行弥补。矿渣粉的活性极强，掺入矿渣粉后可等量替代水泥，减少了混凝土水化热，延长了混凝土凝结时间，提高了混凝土的耐久性。本工程混凝土中掺入了大港发电厂二级粉煤灰和S95级磨细矿渣粉。 配合比参数 a砂率 输送混凝土的输送管，除直管外还有锥形管、弯管和软管等。当混凝土经过锥形管和弯管时，混凝土颗粒间的位置就会发生变化，此时如果砂浆量不足，容易产生堵塞。为此，泵送混凝土与普通混凝土相比，要适当提高砂率，以适应管道输送的需要。《混凝土泵送施工技术规程》JGJT10-95中规定，泵送混凝土的砂率宜为38%~45%，本工程混凝土配合比经过多次试验，选用砂率为44%。 b水灰比选择 混凝土中拌合水，除供给水泥水化需要外，还使混凝土拌合物获得必要的施工性能。此外，水灰比还与泵送混凝土在输送管中的流动阻力有关，混凝土拌合物的流动阻力随着水灰比的减小而增大。一些文献资料介绍，当水灰比低于0．45时，流动阻力显著增大，而当水灰比大于0．60时，流动阻力虽然减小，但是混凝土拌合物的和易性降低离析，也会使混凝土的可泵性恶化。该工程混凝土强度等级为C30，选择水灰比为0．52。 c混凝土坍落度选择 普通方法施工的混凝土的坍落度，是根据振捣方式确定的，而泵送混凝土除去考虑振捣方式外，还要考虑其可泵性。坍落度小的混凝土进行泵送的摩阻力大，要求有较高的泵送压力。坍落度大，如果混凝土拌合物在管道中滞留时间长，则泌水就多，容易产生离析骨料沉降而形成阻塞堵泵。故选择坍落度值为220mm。经工程实际检测，泵管末端混凝土坍落度为200mm~160mm，坍落度损失20mm~60mm。经检查，泵管连接处胶圈不严有渗水现象，是造成坍落度损失的主要原因。 4实际效果 在混凝土供应时，我公司在现场做了大量的试验，取得了一些数据。 混凝土干缩试验 混凝土干缩值与普通混凝土相当。 混凝土压力泌水试验 混凝土含气量检测 多次现场抽查混凝土含气量，检测值稳定为2%~3%。达到预计目标。 混凝土强度统计 共在现场留置试件170组，强度统计如下： 混凝土抗压强度全部合格。5总结 长距离泵送混凝土的施工，不仅要有良好的混凝土配合比设计，还要有相应的施工措施支持。在一些不引人注意的环节可能会隐藏很大的危险。如连接泵管的胶圈问题，如果连接处不严紧，长距离泵管上的几百个接口就有可能漏水，造成混凝土塌落度损失加大、接口处管内混凝土失水干涩，堵管、堵泵。如不及时发现仍然加大泵送压力，又可能造成其它地方的管路爆裂等，增加了拆除修复时间，就可能造成泵管内的混凝土坍落度降低、凝固，以至全线崩溃的危险。 需在高效减水剂中复合缓凝成分，延长混凝土的凝结时间，混凝土初凝时间不少于6小时，避免因各种原因造成混凝土在泵管中长时间滞留时凝固。 混凝土砂浆泵送前需用不少于2000kg的清水润泵，发现有漏水的地方及时修复。 每次泵管安装时，对泵车前200m的泵管、泵管卡子、胶圈要认真筛选。 | |
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原作者：张哲明卞振江 | |
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