超高层泵送混凝土的研究与应用Word格式.docx
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与非泵送混凝土相比,泵送混凝土具有流动性大的特点,一些对混凝土性能一知半解的技术人员、监理人员,在施工过程中不是根据实际工程结构特点的需要来控制混凝土的坍落度,而是生搬硬套一些标准规范上的数据作为要求,而混凝土浇筑工人则一味要求加大混凝土坍落度,以便于施工操作,这就造成混凝土供应方(如商品混凝土公司)的技术人员无所适从。
评价泵送混凝土质量优劣主要从以下几个方面考虑:
1.混凝土的强度及耐久性能
当前我国大部分地区还是把混凝土的强度要求放在第一位的,设计单位一般只针对特殊部位(如地下水位变动范围内、水下工程、有氯离子、硫酸盐侵蚀等环境)的混凝土提出耐久性设计指标。
根据鲍罗米公式可知,C60以下等级的混凝土符合“水灰比定则”,只要水胶比不变,多大的坍落度与混凝土的强度基本没有关系,所以完全不用担心大坍落度混凝土强度等级不够的问题。
混凝土的耐久性能最主要的和其本身的密实度息息相关,高性能减水剂的使用使得混凝土在保证工作性能的前提下水胶比显著下降,内部结构更密实;
活性掺合料的火山灰反应不但能够提高后期强度,而且能改善水泥石与骨料之间的界面结构,它的微集料效应使胶凝材料形成粒径梯度,进一步降低内部孔隙率,减少有害孔隙的数量。
这些效应综合作用,大大提高了混凝土的耐久性能,如抗渗性、抗蚀性、抗碳化性、抗冻融性,这些都是已经通过试验证明了的。
2.混凝土的工作性能
混凝土的工作性能,也叫“和易性”,一般指混凝土的流动性、粘聚性、保水性。
流动性一般用坍落度值来测定,坍落度值越大,代表流动性越好。
当坍落度值大于220mm时,以扩展度来表征其流动性能的优劣,此外也有用倒坍落度桶法、U形箱法等来测定流动性能的。
笔者经历的工程中,有监理人员提出坍落度要小,流动性能还要好的说法,此种说法,无疑是对坍落度表达的意义不甚了解。
混凝土的粘聚性和保水性一般情况下是通过目测来观察的(当然保水性还可以用压力泌水法来定量测定),这就需要技术人员有一定的经验。
粘聚性差必然导致混凝土易离析,保水性差则会导致泵送过程中水份流失大,在泵送压力下浆体与骨料分离,从而造成泵送困难、坍落度泵送损失大甚至会形成骨料聚集造成堵管。
综上所述,评价混凝土质量优劣,其一是看强度和耐久性试验结果,这可以通过施工现场取样送检来确定,其二则是现场测试混凝土坍落度,目测混凝土的粘聚性和保水性好坏,而绝非是单纯以坍落度大小来评价混凝土的质量。
1.2国内外研究现状
高强高性能混凝土是12世纪混凝土技术的重要发展方向。
随着高层及超高层建筑的风靡,因为提高了浇筑质量与速度,混凝土泵送技术逐渐得到推广普及。
与常规混凝土相比,高强高性能混凝土单位水泥用量多,水用量少,戮度大,超高层泵送时尤其困难。
对于垂直高度大于400m的超高层建筑,其混凝土泵的输出压力需要在20MPa以上。
混凝土在超高压泵送过程中容易产生泄漏,从而导致混凝土离析、堵管等诸多问题,这一直是混凝土施工的一大难题。
随着泵送混凝土的大量应用以及泵送高度和泵送距离的大幅增加,泵送混凝土的工作性能越来越受到各国研究人员的关注。
经过国内众多学者的研究,目前已多次成功将高强高性能混凝土泵送到40Om以上的高度。
郭佩玲[5]等使用常规的P·
H42.5水泥,普通中砂,粒形较好的石灰石为主要原材料,选用双掺技术,成功配制出超大流动、免振、自密实C01O混凝土,在沈阳远吉大厦钢管混凝土柱中应用。
2007年21月01日,在上海环球金融中心施工现场,三一重工的超高压泵送技术将混凝土一次泵送至942m高度。
李伟中困等采用常规的混凝土优质原材料和生产设施,配制出了C100超高性能混凝土,在广州国际金融中心(广州西塔)项目中,成功地将C100超高性能混凝土一次顺利泵到33m高,并创下了泵送到4llm高的世界新纪录。
2011年4月10日,京基010大厦项目的总承包方中国建筑第四工程局有限公司将C12O超高性能混凝土泵送到417m高度。
以往的研究多侧重于泵送设备与工艺的研究,以及混凝土的配合比改善,并未系统的研究泵送过程中混凝土性状的变化,从而优化混凝土配合比。
而且,对于水灰比较小的高性能混凝土还没有合适的方法来评价其泵送性。
1.2.1国内研究现状
关于混凝土施工方的技术人员以及监理人员对泵送混凝土坍落度的控制依据,主要有两方面。
其一,以传统非泵送混凝土作为比较对象。
我国从20世纪50年代从国外引进泵送混凝土技术,但由于设备不配套以及技术、管理上的原因,在施工中未能大规模推广。
从1980年开始,我国从德国、日本、美国等国家大量引进混凝土泵、搅拌设备、搅拌运输车以及大型搅拌站,才大量采用泵送混凝土施工方法。
近些年来由于混凝土外加剂技术的发展、活性掺合料的大量应用,混凝土的技术已经朝着高性能方向发展,由传统混凝土只强调强度向改善施工性能和耐久性的方向转变。
而一些建筑施工的技术人员和监理人员对混凝土的性能及技术发展不甚了解,认知上还停留在传统混凝土的层面上,他们错误地认为大的坍落度意味着用水量大、水灰比大、强度低、易离析、易产生裂缝等,所以要严格限制混凝土坍落度的数值。
其二,他们对坍落度具体数值的要求是依据JGJ/T10—2011《混凝土泵送施工技术规程》中3.2.3条规定。
此规程中规定了最大泵送高度的入泵坍落度(扩展度)的取值范围,标准中的用词为“宜”,表示在条件许可的情况下首先这样做,说明此表中规定的数值并非是一个严格的要求,而且标准的条文说明里明确了此数值是借鉴上海建工集团等单位的经验数据,并无严格理论依据。
根据笔者多年的施工经验,此标准中规定的200米高度及以下的坍落度数值都是偏低的,特别是针对高层建筑墙、梁、柱等钢筋非常密集的部位,振捣棒不易插入,表中规定的100米高度及以下的坍落度值严重偏低,不符合施工现场的实际情况,严重制约着施工效率。
1.2.2国外研究现状
从开始使用泵和管道输送混凝土拌和物,工程技术人员就开始探索如何配制适合泵送的混凝土,可查阅到的最早相关文献发表在1936年。
探索工作一方面是根据工程实践积累的数据和经验,总结对原材料和配合比的技术要求,作为配制泵送混凝土的指导;
另一方面是研究尝试建立试验室方法,评价混凝土泵送性能。
在长期的混凝土泵送施工中,堵泵堵管是最常遇到的问题。
混凝土拌和物之所以可以泵送,是依靠水泥砂浆包裹粗骨料、水泥净浆包裹细骨料传递泵压力和润滑拌和物而流动。
在管道中如果拌和物发生泌水或泌浆离析,粗细骨料失去浆体的包裹润滑(如下图所示),骨料与管壁的摩擦阻力会骤然增大,就可能发生堵管。
同样,如果拌和物入泵时就发生离析,很可能导致堵泵。
因此,“可泵”的首要条件是拌和物不离析,至少不产生过度离析。
最早避免拌和物离析的方法,主要根据经验和依靠良好的骨料级配、砂浆含量、粉料(细砂和水泥)含量等保证。
图泌水、离析对泵送影响示意图
英国R.D.Browne和P.B.Bamforth[3]经过长达8年的泵送试验研究,试图建立检验新拌混凝土泵送性能特征值的测试方法,包括:
(1)用压力泌水试验测试混凝土“脱水”的内部阻力;
(2)测定总体骨料的空隙率,辅助泵送混凝土配制;
(3)在泵送管线上测试压力,评价泵的效率和性能,以及混凝土泵送性能。
他们认为,在压力作用下混凝土拌和物快速“脱水”是导致堵管的重要原因(参考上图),因此研制了图3下图所示压力泌水试验装置。
图压力泌水试验装置
法国D.Kaplan等[5]建立和使用一个148m长的“真实泵送”试验管线系统,进行了68次不同混凝土拌和物泵送测试(包括许多发生堵管情况),研究堵管产生的过程和机理,以及避免的方法。
其试验研究发现,混凝土拌和物组成、泵管系统设计或泵送过程操作不当,均可能诱发堵管,并可能发生在泵送的任何阶段包括润滑管道(润管)、泵送、中断重新启动和清洗管道阶段。
美国J.F.Best和R.O.Lane[6]曾研究一种“试验室混凝土泵送性能试验机”,分析混凝土拌和物中各因素(水灰比、砂浆体积、含气量、坍落度、粗骨料形状尺寸与用量、粉煤灰等)对泵送性能(易泵性)影响,并与真实泵送结果对比。
“试验机”测试混凝土,得到结果与真实泵送测试结果的相关性不强,但这项研究从真实泵送获得大量有价值数据,用于了解和分析多种因素对“易泵性”的影响。
瑞典Johansson和Tuutti[7]试验测试了粉状材料含量、粗骨料含量、工作性(坍落度)等对泵送压力的影响(可泵性与易泵性),获得结果包括:
粉状材料含量(水泥+粒径小于0.25mm砂)460kg/m3,坍落度在10cm~15cm,泵送压力最低;
最大骨料粒径(Dmax)小,最佳粗骨料(>
8mm)含量相对较小。
到八十年代,高效减水剂开始推广应用,高强混凝土(C60~C120)开始在工程上应用。
例如,挪威在1987~1988年建造新一代混凝土结构的海上石油钻井平台GullfaksC时,为顺利浇筑这种密集配筋、高耸混凝土结构,要求混凝土拌和物具有高施工性能,即高泵送性能和高工作性(坍落度22cm~25cm)。
西班牙O.Rio等[18]在真实管线上测试不同组成的新拌混凝土,用最小二乘法线性回归得到压力-流量(P/Q)关系,相关系数(R2)均超过0.999。
因此,将P/Q关系简化为直线,能够比较准确地反映真实泵送状态。
1.3超高层泵送混凝土在应用中遇到的问题与解决办法
1.3.1混凝土泵送性
采用泵送方法浇筑混凝土,成功的关键在于配合比设计。
既要保证混凝土强度达到设计要求,又要考虑良好的可泵性。
下面介绍了混凝土原材料对其可泵性能的作用。
(1)水泥用量:
水泥用量过少则强度达不到要求,而且水泥浆体的勃度太小,容易从骨料之间的空隙流动,导致缺少水泥浆的干硬骨料在管路中发生阻塞。
水泥用量过大,则混凝土的茹性大、泵送阻力增大泵送难度增加。
(2)粗骨料:
粗骨料粒径越大,越容易造成堵管。
且在超高层泵送中,管道内压力大,容易出现离析,粗骨料最大粒径与管径之比宜小于1:
5。
同时,针片状的骨料过多可能引起堵管,应尽量减小针片状骨料的含量。
(3)细骨料:
砂率过小,则水泥砂浆在管道内壁的附着能力较差,且混凝土拌合物易分层、离析、泌水,导致粗骨料堆积而堵塞管道。
砂率过大,则降低混凝土强度,增加拌合物与管道的粘滞阻力,使泵送压力增大,导致管道堵塞。
(4)掺合料:
混凝土经过长距离垂直泵送,尤其在夏季施工时,由于气温高、管壁摩擦升温、管接头漏水和压力泌水等原因,导致混凝土坍落度损失大。
可以掺入粉煤灰及磨细矿渣,降低水泥用量,延缓水泥水化放热,改善新拌混凝土的和易性和抗离析性。
此外,为防止混凝土离析、泌水,还可掺入沸石粉、硅灰。
(5)减水剂及泵送剂:
采用减水剂及泵送剂可以在水泥用量较低的情况下,保证混凝土的泵送性。
实践己经证明,泵送水泥用量130kg/m,的混凝土是可能的,采用的泵送剂是聚环氧乙烷、纤维素衍生物和藻酸盐。
1.3.2常见问题与相应解决办法
在混凝土技术高速发展的今天,我们不应该将目光停留在几年前甚至十几年前,我们看问题不应该片面,对事物的判断标准应该是客观的、全方位的。
建筑施工的技术人员,特别是作为质量监管主体的监理人员,对于国家或行业的标准规范应该全面、透彻的理解,千万不能犯望文生义、断章取义的错误,否则不但使被监管方难以顺利开展工作,而且对工程施工质量毫无益处。
至今,泵送混凝土主要还是依靠经验进行配合比设计,主要依靠工作性测试和经验判断拌和物是否适合泵送和进行改善。
但是,经验已经越来越难以应对现在多种类和多变化的原材料,也常常不适应现代混凝土的新特点(高流动性、自密实、低水胶比等),或不能解决现在遇到的新问题。
随着现在泵送施工应用越来越普及,工程现场泵送过程中也越来越频繁地出现“意外”情况,如堵泵、堵管、坍落度急剧损失、泵送阻力过高等,成为严重困扰混凝土生产与施工技术人员的问题。
由于存在较大的泵送压力,混凝土在泵送过程当中会产生泵送损失,而且泵送损失会随着泵送压力的增大而增大,所以在满足泵送性等施工要求的同时,满足建筑物的实体强度是本工程的技术难点。
超高层泵送混凝土在实际应用中遇到的问题和相应的解决方法可总结概括为以下几个方面:
1.施工现场混凝土坍落度的控制
长距离泵送混凝土,经过泵送挤压后,坍落度、扩展度、黏度和流动性等都会损失,损失率随着泵送距离的增加而进一步加大。
即便是自密实性能很好的混凝土,通过泵送后,在泵送至所浇筑的部位后能否达到自密实性能也是一个问题。
施工现场混凝土坍落度的大小是根据工程特点来确定的,对于不同高度、不同结构部位有不同的要求,一般设计单位不做要求,实际施工时以施工单位的技术人员和监理人员要求为准,这就对他们的经验和素质提出了考验。
许多地区的施工技术人员和监理人员对混凝土的各种性能及配合比设计、混凝土发展的现状都是一知半解,完全生搬硬套标准上的数据,对标准条文的意义及用词理解不透彻,犯了望文生义、断章取义的毛病,而混凝土施工的操作工人则一味要求加大坍落度。
对于商品混凝土公司来说,各方主体的要求都不能不管,这就使得商品混凝土公司的技术人员经常同时得到同一车混凝土坍落度大与小两个截然相反的信息反馈,或者是一会儿坍落度大一会儿坍落度小的信息。
因为商品混凝土公司的技术人员充分考虑到施工现场的实际情况,在保证混凝土粘聚性和保水性良好的前提下,除个别部位如楼梯、顶板、基础等,一般出机坍落度均控制在230~240mm左右,到达现场至施工完毕能保持在220mm,便于混凝土浇筑施工的水平,即使泵送高度较小,但对钢筋密集的梁、柱、墙部位,同样要保证坍落度在220mm左右,这样既能保证施工效率,同时又能避免施工时因混凝土流动性差且振捣不密实造成的蜂窝、孔洞等质量问题。
主要通过优化原材料品种和混凝土配合比解决坍落度损失,而经时损失问题通过调整外加剂组分解决。
2.堵塞现象的原因与处理
骨料级配不合理,混凝土中有大卵石、大块片状碎石等。
细骨料用量太少。
搅拌车搅拌筒粘附的砂浆结块落入料斗中,也可能发生管道堵塞。
混凝土配合比不合理,水泥用量过多,水灰比过大,混凝土坍落度变化大,都容易引起管道堵塞。
管道敷设不合理。
管道弯头过多,水平管长度太短,管道过长或固定不牢等都可使堵塞发生。
泵送间停时间过长,管道中混凝土发生离析,使混凝土与管道的摩擦力增大而堵塞管道。
a堵塞部位的判断
首先,前面软管或管道堵塞。
泵机反转时,吸回料斗的混凝土很少,再次压送,混凝土仍然送不出去。
混凝土阀或锥形管堵塞。
其次,进行反向操作时,压力计指针仍然停在最高位置,混凝土回不到料斗中来。
最后,料斗喉部和混凝土缸出口都堵塞,主回路的压力计指针在压送压力下,活塞动作,但料斗内混凝土不见减少,混凝土压送不出去。
b防止管道堵塞措施及解决办法
在料斗上加装滤网,防止大石块进入料斗。
要严格控制混凝土的配合比,保证混凝土的坍落度不发生较大的变化。
泵机操作期间,操作人员必须密切注意泵机压力变化。
如发现压力升高,泵送困难。
即应反泵,把混凝土抽回料斗搅拌后再送出。
如多次反泵仍然不起作用,应停止泵送,拆卸堵塞管道,清洗干净再开始泵送。
3.黏度与和易性之间的矛盾
经验表明:
泵送失败的两个主要原因是摩擦阻力大和离析。
因此,配合比设计不良的混凝土需要更大输送能力的泵,且更易堵塞管道。
泵送混凝土的泵压包括两方面:
一是高度差引起的压力;
二是混凝土与管道之间的摩擦阻力。
摩擦阻力正比于混凝土的黏度、流速与管道的粗糙程度等。
黏度大则泵送阻力大,且泵的吸入效率也会降低。
黏度较大是高强混凝土的共性,因此,提高高强混凝土可泵性的技术关键是降低混凝土内聚性,降低混凝土的黏度。
可是,当坍落度增大而黏度降低时,其和易性也会有所降低。
尤其是在高坍落度的情况下,可能出现离析等和易性变差的现象。
4.高流动性混凝土的抗压强度保证问题。
强度问题通过提高配合比强度富余系数、规范现场取样和现场养护等内容进行控制。
1.4本文的研究意义
本部分内容我们将对超高层泵送混凝土的配合比进行优化设计,并使之能具体推广应用,包括因地制宜找到合适的原材料,然后对泵送混凝土的配合比进行优化设计,再通过配合比的试配检验分析来确定最佳配合比。
因此本研究配制强度为C60超高层泵送混凝土,以三掺(矿粉、煤灰、外加剂)技术为改进方向,确定一套适合低强超高层泵送混凝土设计的方法。
本文还主要对建筑工程中泵送混凝土的配料及施工技术的应用进行了分析探讨,结合相关规范标准、混凝土质量评价方法以及混凝土施工现场的实际情况等几个方面对这个问题进行分析,提出相应的解决办法。
第二章试验原材料
混凝土是一种就地取材进行配制的地方性建筑材料,只有因地制宜地利用本地原材料才能使优化设计制作后的混凝土具有实际的应用前景,因此,对济南地区的原材料在有一定客观认识的基础上,进行初步筛选,最后根据取材方便、质量可靠、经济节约等实际因素最终确定合适泵送混凝土的原材料。
2.1水泥
2.1.1水泥用量
水泥的用量多少对泵送混凝土可泵性的影响非常重要,这主要是因为在泵送混凝土泵送过程中,需要水泥砂浆来润滑输入管道并传递压力。
若水泥用量过多,则会使水化热过高导致混凝土黏性增高,增加泵送过程中的阻力;
若水泥用量过少,则会使混凝土和易性变差,从而使泵送阻力增大,混凝土和输送管的摩擦也会加大,容易造成阻塞。
水泥用量一般为270~320kg/m3。
根据《普通混凝土配合比设计规程》的规定,泵送混凝土水泥用量不宜少于300kg/m3,但水泥用量超过320kg/m3,不仅不能提高混凝土的可泵性,反而会使混凝土粘度增大,增加泵送阻力。
2.1.2水泥强度确定及品牌选取
水泥作为泵送混凝土最重要的原材料,其选择指标主要有水泥活性、标准稠度、用水量和水泥与外加剂之间的适用性等,若为高强度混凝土,则通常应选用质量稳定且标号指标不低于42.5号的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥。
在对泵送混凝土所用的水泥品种选择时,主要应根据所处的环境条件和工程特点来进行。
通常,较为合适的水泥强度等级应该是混凝土强度等级的1.1~1.5倍。
混凝土具有一定的保水性是保证混凝土可泵性的重要前提,因此,泵送混凝土应选取具有一定保水性的普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥等种类的水泥,由于火山灰质硅酸盐水泥需水量大且易泌水,故不应采用。
本试验采用山水集团济南世纪创新水泥有限公司生产的“山水东岳”牌P.O42.5水泥(中强和高强膨胀混凝土用),P.O42.5水泥化学成分和矿物组成见表2.1,水泥主要力学性能指标见表2.2。
表2.1水泥的化学成分及矿物组成
水泥化学成分/%
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
20.63
6.14
3.55
58.72
7.16
3.8
水泥矿物组成/%
C3S
C2S
C3A
C4AF
CaSO4
其它
55.89
19.47
9.16
9.78
3.85
1.85
表2.2水泥的主要技术性能指标
细度
(80μm筛筛余量)
初凝时间
(min)
终凝时间
抗压强度(MP)
抗折强度(MPa)
3d
7d
28d
3.5%
75
180
28.6
40.3
50.8
5.10
6.45
7.96
水泥X射线衍射分析如图2.1:
图2.1水泥XRD分析
利用酒泉市建设工程质量检测中心的实验设备,我们对几种水泥进行了检测,其强度结果如表1所示。
2.2骨料的选取
骨料的颗粒形状及表面状态直接影响着新拌混凝土的流动性能,对于高强度等级的超高层泵送混凝土来说,石子的最大粒径和砂子的细度模数显得很关键。
就泵送混凝土的骨料而言,有粗骨料和细骨料之分,由于骨料的种类、粒径、形状和级配对泵送混凝土的性能有非常大的影响,所以必须对骨料的选取进行严格的控制。
2.2.1粗骨料的选取
在对泵送混凝土的粗骨料进行选取时应该采用连续级配,其针片状颗粒含量应以大于10%为宜,根据泵送高度不同,粗骨料的最大粒径与输送管径之比也不同,具体来说,当泵送高度在50m以下时,碎石不宜大于1∶3,卵石不宜大于1∶1.25,当泵送高度介于50m~100m时,比值在1∶3~1∶4为宜,当泵送高度超过100m时,应在1∶4~1∶5之间。
采用济南港沟产5~25碎石,物理指标见表2.11。
表2.11石子的物理指标
规格
压碎指标/%
针片状含量/%
堆积密度(kg/m3)
表观密度(kg/m3)
含泥量/%
5-25mm
7.4
7.9
1560
2790
0.6
2
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