C80超高层泵送混凝土关键技术研究

文摘 2025-01-05 07:02 河南

0引言

超高层泵送混凝土虽解决了一次性泵送到顶的难题，但混凝土易出现黏度大、自密实性能差及经时损失快等导致泵送时压力高、爆管、堵管等诸多问题，是超高层混凝土泵送施工的一大难题。目前国际上并没有统一的混凝土泵送性能评价方法，如何评价超高层混凝土泵送性能是研究的重点。本研究基于千米级盘管模拟泵送试验，通过混凝土配合比调整、专用外加剂设计，采用混凝土扩展度、倒时间、压力泌水率、流变性能(屈服应力T及塑性黏度)及经时损失来表征混凝土泵送性能，开展600m超高层混凝土泵送性能研究。

1超高层泵送混凝土配合比及专用减水剂分子设计

1.1超高层泵送混凝土基础配合比

固定胶凝材料用量，研究不同骨料特性对混凝土泵送性能的影响规律。

C80混凝土胶凝材料用量、用水量及外加剂用量如表1所示。

1.2超高层泵送专用减水剂分子设计

高分散型聚羧酸减水剂分子设计思路为以异戊烯醇聚氧乙烯醚为支链，丙烯酸、分散功能助剂A、分散功能助剂B等为主链对几种单体共聚合成聚羧酸减水剂。

拟选取合成条件为酸醚比范围为3.0:1、3.5:1、4.0:1三个条件，选取以上最佳配合比，分别加入不同量的助剂A和助剂B分析其最佳用量，引发剂用量为1%反应温度为10～40℃，反应产物设计浓度为40%，滴加时间180min，保温时间为60min，pH值控制为6～7之间，合成工艺如图1所示。

2试验结果及分析

2.1不同减水剂母液对水泥净浆流变性性能的影响

研究不同种类减水剂母液对水泥净浆流变性能的影响，测试数据如图2、3所示。

图2可以看出，固定水泥用量与水用量，减水剂掺加后，有利于改善体系黏度，且减水剂掺量不断增加，水泥浆体塑性黏度呈现逐步下降的趋势。DG和MG对降低塑性黏度效果更显著。由于其在相同掺量下DG和MG具有较高的减水率，其使水泥浆体内絮凝体解体后释放出更多的自由水，水泥颗粒间的水膜厚度比TJ和SR厚，故其塑性黏度低。图3可以看出4种聚羧酸减水剂母液均有不同程度的提高水泥浆体屈服应力的效果，但SR效果最佳。

2.2骨料特性对混凝土泵送性能的影响

2.2.1丝细集料对超高层泵送混凝土性能的影响

仅改变细集料比例，保持其他参数不变，检测不同中砂、细砂搭配合比例下复合砂的颗粒级配、紧密堆积密度及空隙率，并研究其对混凝土泵送性能及力学强度的影响规律。

复合砂检测数据如表2所示，最小空隙率的颗粒级配情况如图4所示，不同搭配合比例混凝土性能检测数据如表3所示。

从表2中可以看出，随着中砂用量增加，复合砂细度模数不断提高。复合砂的紧密堆积密度高于中砂和细砂，空隙率小于中砂和细砂空隙率，表明中砂和细砂混合后可形成良好的填充作用。其中复合砂的紧密堆积密度随中砂/细砂比例的提高呈先增大后减小的变化规律，相应复合砂的空隙率呈先减小后增大的变化趋势，其中当中砂:细砂=7:3时，复合砂紧密堆积密度最大，空隙率最低。

由测试结果可知，中砂搭配细砂后，空间搭配较为合理，颗粒级配良好，最佳搭配合比例为7:3。

从表3中可以看出，随着中砂用量的提高，C80混凝土扩展度呈先增大后减小的趋势，主要因为在混凝土浆体量不变时，混凝土骨料空隙率越小，需填充空隙的浆体量越少，“富裕”浆体越多，扩展度越大；其中当中砂:细砂=7:3时，混凝土扩展度最大，这与该条件下的复合砂空隙率最小相一致。同时细砂用量多时，细集料比表面积增大，导致细集料表面浆体需求大。空隙率越小，倒时间越小，这是由于“富裕”浆体多时，骨料间浆体层厚，摩擦阻力小，混凝土流动性好。压力泌水率随细砂用量的增多而减小，当细砂用量大于30%时，混凝土压力泌水率为0。由于混凝土细砂越多，细集料比表面积越大，不易产生泌水。从混凝土流变学性能看，砂子孔隙降低，混凝土富裕浆体增多，在其他参数不变化的情况下，混凝土屈服应力及黏度均有所降低，表明浆体量增多有益于改善混凝土施工性能。不同水化龄期的混凝土抗压强度测试值表明，砂子搭配后，C80混凝土抗压强度测试值有所改善，但改善幅度不显著，当砂子配合比例为7:3，混凝土28d抗压强度测试值最高，表明此配合比下混凝土孔隙率优，有利于强度形成。

2.2.2粗集料对超高层泵送混凝土性能的影响

仅改变粗集料比例，保持其他参数不变，检测不同大石、小石搭配合比例下的紧密堆积密度及空隙率，并研究其对混凝土泵送性能及力学强度的影响规律。复合石检测数据如表4所示，不同搭配合比例混凝土性能检测数据如表5所示。

从表4中可以看出，复合石子的紧密堆积密度高于大石和小石，空隙率小于大石和小石空隙率，表明大石和小石混合后可形成良好的填充作用。其中复合石子的紧密堆积密度随大石/小石比例的提高呈先增大后减小的变化规律，相应复合石子的空隙率呈先减小后增大的变化趋势，其中当大石:小石=7:3时，复合石子紧密堆积密度最大，空隙率最低。

从表5中可以看出，与细集料相似，粗集料特性对混凝土性能的影响也体现出相似的规律；随着大石用量的提高，C80混凝土扩展度均呈先增大后减小的趋势，因为在混凝土浆体量不变时，混凝土骨料空隙率越小，需填充空隙的浆体量越少，“富裕”浆体越多，扩展度越大；其中当大石:小石=7:3时，混凝土扩展度最大，这与该条件下的复合石子空隙率最小相一致。同时小石用量多时，粗集料比表面积增大，导致粗集料表面浆体需求大。空隙率越小，倒时间越小，这是由于“富裕”浆体多时，骨料间浆体层厚，摩擦阻力小，混凝土流动性好。粗集料对混凝土压力泌水的影响不明显，只是当大石用量较多时，出现压力泌水，当小石用量大于20%时，C80混凝土压力泌水率均为0。从混凝土流变学性能看，粗集料孔隙降低，混凝土富裕浆体增多，在其他参数不变化的情况下，混凝土屈服应力及黏度均有所降低，表明浆体量增多有益于改善混凝土施工性能。不同水化龄期的混凝土抗压强度测试值表明，大小石子搭配后，C80混凝土抗压强度测试值有所改善，但改善幅度不显著，当大小石子搭配合比例为7:3，混凝土28d抗压强度测试值最高，表明此搭配合比例下混凝土孔隙率优，有利于强度形成。

2.2.3砂率对超高层泵送混凝土性能的影响

固定复合砂、复合石比例，即中砂:细砂=7:3，大石:小石=7:3，其他参数保持不变，研究砂率对混凝土泵送性能的影响规律，不同砂率检测数据如表6所示，不同砂率混凝土性能检测数据如表7所示。

从表6中可以看出，一定范围内，混凝土骨料空隙率随砂率增大呈现先减小后增大的趋势。当砂率为46%时，混凝土骨料空隙率最小。

从表7中可以看出，当砂率为46%时，混凝土扩展度最大，这与该条件下的集料空隙率最小相一致。空隙率越小，倒时间越小，这是由于“富裕”浆体多时，骨料间浆体层厚，摩擦阻力小，混凝土流动性好。当砂率偏低时，混凝土骨料比表面积最小，其表面包裹浆体量最少，相对游离浆体较多。从混凝土流变学性能看，集料孔隙降低，混凝土富裕浆体增多，在其他参数不变化的情况下，混凝土屈服应力及黏度均有所降低，表明浆体量增多有益于改善混凝土施工性能。由不同砂率下测试得到的混凝土抗压强度值可知，随着砂率的不断增加，混凝土抗压强度并没有显著变化，当砂率为46%时，混凝土28d抗压强度最佳。

3超高层泵送混凝土模拟试验

3.1模拟试验配合比确定

基于前期基础试验性能检测数据，确定千米级盘管模拟试验配合比，具体配合比如表8所示。

3.2模拟试验流程及泵送数据

水平盘管试验泵送流程如图5所示，试验过程泵送数据情况如表9所示。

3.3 模拟试验数据分析

3.3.1混凝土基本性能检测

混凝土人泵及出泵检测数据如表10所示。

从盘管试验混凝土检测数据可以看出，C80混凝土入泵前各项性能优越；扩展度达700mm，倒时间为3.3s，含气量为2.1%；出泵后和易性良好，混凝土松软，无浮浆，石子不下沉，扩展度为690mm，倒时间3.1s，基本无损失，含气量2.6%，性能优异。

3.3.2混凝土管道压力监控分析

盘管试验压力损失检测，采用专用的压力传感器进行数据采集。预设4个管内压力监控点，第一检测点P₀为出泵35m处，第二检测点P₁距PO后2个90°弯管处，用于检测局部弯管管压力损失；第三检测点P₂与P₁直管距离52m处，用于检测直管压力损失；第4点检测点位于出泵10m处，检测总体压力损失。管内压力与泵机压力关系如表11所示，管内压力监控数据、混凝土出泵压力监控数据如图6、7所示，压力损失数据如图8所示。

由图6可知，随着净浆、砂浆及混凝土的泵送，管内压力是逐渐增大的；当全部管道充满混凝土时，泵送全过程压力稳定在5～8MPa间。由图7可知，泵送过程中砂浆人泵（12:50）、混凝土人泵（13:00)及砂浆出泵（13:15）混凝土出泵(13:19)过程中管内压力的增长曲线，该曲线上升较为平缓，说明混凝土的性能较为稳定，泵送过程中主机泵压范围离散性较小也有所反应。

盘管试验计划的局部压力损失检测中，P₀与P₁的压力差对应的为2倍弯管压力损失，其线性关系为0.99，表明目前数据反映的是整个泵送过程中，弯管的压力损失可忽略不计；P₁与P₂的压力差对应的是52m直管的压力损失，拟合式为Y=0.022+0.9x；而稳定泵送混凝土时P₁与P₂压力差约为0.35MPa，折算每米直管压力损失为0.0065MPa。

3.3.3理论泵送高度计算

盘管试验水平管道总长800m，垂直管10m，90°弯管35个，每个损失0.1MPa，S阀压力损失0.2MPa。混凝土泵送所需压力P=P₁+P₂+P₃，其中P₁是混凝土在管道内流动的沿程阻力造成的压力损失、P₂是管型结构压力损失、P₃为混凝土在垂直高度方向因重力产生的压力。结合盘管试验所得数据，经计算，混凝土在单位长度管道内的压力损失为△P_i=0.0056MPa/m。结合项目实际布管情况（水平管110m、90弯头5个，截止阀2个，S阀1个），经计算，C80混凝土泵送垂直高度为600m时，所需泵压(高压)出口压力为19.88MPa，该泵的最大出口压力为48MPa，计算可知，泵送600m高度时所需出口压力仅为最大出口压力的41.4%。

4结论

（1)保持水泥浆体水灰比不变时，掺减水剂后水泥浆体塑性黏度显著降低，且其趋势为随着减水剂用量的增加而降低。

(2)通过基础试验确定超高层泵送混凝土最优模拟试验配合比，即胶凝材料总用量为660kg/m³，复合砂、复合石比例均为7:3，砂率46%，此配合比混凝土综合性能最优。

(3)通过压力值检测与计算，得到检测点压力值的拟合式为Y=0.022+0.9x，当垂直高度为600m时，C80混凝土泵送所需泵压(高压)出口压力为19.88MPa。（来源：《混凝土》2023.04）

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