全文刊载于《前瞻科技》2024年第2期“管道运输工程科学与技术专刊”，点击文末“阅读原文”获取全文。混凝土是房屋建筑与基础设施的主要工程材料。混凝土管道泵送是土建施工的重要环节。在“碳达峰、碳中和”目标和智能建造转型的背景下，混凝土管道泵送面临新的挑战。文章系统分析混凝土管道泵送的工程实践与研究现状，结合混凝土材料、管道泵送装备和技术等方面的发展趋势，归纳总结了混凝土管道泵送面临的挑战，提出了加强混凝土流变基础理论研究、加快新型混凝土材料泵送工艺研究、鼓励颠覆性管道泵送技术研发和推进混凝土管道泵送与智慧工地融合4方面的发展建议。
混凝土是构建现代建筑物和基础设施的主要工程材料。管道泵送为混凝土材料在高层建筑和大型基础设施中的运用提供了重要手段。1927年德国工程师Max Giese和Fritz Hull首先提出了通过管道泵送输运混凝土，改变了通过独轮机或起重机吊桶输送的混凝土浇筑方式，大幅提高了混凝土工程的施工效率。经过近百年的发展，混凝土管道泵送机械、输送管道、泵送工艺等取得了巨大的技术进步。管道泵送已成为预拌混凝土输送和浇筑不可或缺的手段，被广泛应用于水利工程、道路桥梁、高层建筑等各类房屋建筑与基础设施的建造中，在国民经济建设中发挥着重要作用。中国2022年的预拌混凝土产量高达34.52亿m3，绝大多数预拌混凝土均通过管道泵送的方式输送到施工部位。在“碳达峰、碳中和”（简称“双碳”）目标和智能建造转型的背景下，土木与建筑行业面临深刻变革，为混凝土管道泵送的发展带来了新的机遇和挑战。第一，低碳化发展趋势促使传统的、粗放的混凝土泵送技术体系向高质量、精细化发展。管道泵送混凝土的低碳化转型，不但涉及低碳混凝土材料，还涉及低碳泵送技术、装备和配套工程建设技术体系。第二，新型混凝土材料的发展对管道泵送提出了新要求。（超）高性能混凝土、低碳混凝土、3D打印混凝土等新材料的研究方兴未艾。不同混凝土新材料具有差异显著的管道泵送性能，对管道泵送提出了多样化的技术要求。第三，数智化赋能产业升级。中国土木与建筑行业亟须新的行业内生动力和转变增长模式，数字化和智能化是行业转型升级的关键。数字技术和人工智能在推动混凝土管道泵送装备、工程技术体系、质量控制等方面的转型升级拥有巨大潜力。综上，混凝土管道泵送拥有巨大的应用场景，面对新的发展形势，存在新的机遇和挑战。文章从管道泵送装备和技术、新型混凝土材料两方面论述混凝土管道泵送相关技术的最新进展，指出混凝土管道泵送面临的挑战，并提出相关的发展建议。混凝土管道泵送主要由两部分组成：一是管道泵送装备与技术，二是运输介质——混凝土材料。前者为后者提供泵送动力和输运路径，后者对前者的泵送方式、泵送动力、管道材质等提出要求。
混凝土管道泵送装备与技术主要包括两个方面：一是稳定的泵机提供持续的泵送动力，稳固耐久的泵送管道提供适宜的输送环境；二是准确的可泵性评价方法、合理的泵送工艺确保混凝土的高质和高效泵送。泵机是混凝土管道泵送的动力源。管道是输送混凝土的载体。中国混凝土泵送装备的研究起步较晚，但发展迅速，经历了仿制国外产品、收购国外企业、引领全球行业发展3个阶段，形成了一批技术领先的世界级企业。目前，中国泵机的最大输出压力可达65 MPa，最大排量可达200 m3/h，为国际领先水平。高质量泵机支撑混凝土泵送高度不断攀升。2014年6月，三一集团有限公司的超高压混凝土泵在中国第一高楼——上海中心大厦的施工中，成功将混凝土泵送到620 m的高度，创造了单泵垂直泵送的世界纪录，并保持至今。混凝土泵机的结构件、液压系统、控制系统是传统的技术赛道。数字技术和人工智能的进步推动了泵送技术和装备的智能化发展，在分布式控制系统、基于设备工况数据构建千车千面的大数据智能泵送模型、搅拌车和泵车无人化协同作业等方面取得了显著进展。管道材料的使用寿命提升是泵送管道的关注焦点。在混凝土泵送过程中，骨料与管道内壁的撞击导致管壁磨损，影响管道的使用寿命、输送效率和安全性。提高管道材料的硬度、耐磨性，以及降低管道与混凝土的摩擦系数，是提升泵送管道使用寿命的主要途径。中国在管道耐磨性提升方面取得了显著进展，研发了高碳钢管、双层复合高耐磨混凝土泵输送管等新型管材，有效提高了泵送系统的抗冲蚀能力；研发的内层为刚玉、外层为钢管的耐磨陶瓷内衬钢管，在降低管道内壁与混凝土摩擦系数的同时，使钢管内的耐磨性提高了10倍以上。目前，中国制造商生产的双层泵送管道最大硬度可达65洛氏硬度，与国外竞品相当，达到国际先进水平。可泵性是指混凝土在泵压作用下沿输送管道稳定流动的难易程度。现行混凝土泵送规范提供了预测混凝土泵送压力的经验公式，指导混凝土泵送设备的选型、管道布设和泵送工艺的设计。不准确的泵送压力预测可能会导致泵送过程的堵管、爆管、泵送压力不足和混凝土泵后性能突变等不良后果，影响施工安全、工程进度及混凝土构件的浇筑质量。现行规范中的泵压计算公式是基于20世纪60—80年代大量普通混凝土泵送工程实践经验而建立的，缺乏科学的理论基础，已不能准确评估流变性能发生显著变化的现代混凝土材料的可泵性。因此，在实施具有一定技术难度的高远程混凝土泵送前，工程人员通常需要搭建足尺盘管试验平台（图1），开展耗时、耗财的大型混凝土泵送试验，验证混凝土的可泵性及泵送压力等，指导制定合理的泵送工艺，保证混凝土泵送顺利进行。![]()
图1 混凝土足尺盘管试验平台
Fig. 1 Full-scale concrete coil pumping experiment platform鉴于现行规范中的泵压计算公式无法准确预测现代混凝土的可泵性，近10年来，国内外学者开始采用流变学理论研究混凝土泵送行为，发展了各种基于材料流变学参数的数值模型，为混凝土泵送压力预测提供了科学工具。混凝土的泵送压力主要受混凝土本体和润滑层流变特性的影响。润滑层的形成源于泵送混凝土沿管道横截面的剪切速率差异。管道中轴线处混凝土所受剪切作用最小，而管道内壁附近混凝土的剪切速率最高。管道内壁附近混凝土中的粗骨料在剪切速率作用下向中轴线方向迁移，在管壁处形成一层黏度较低、由水泥浆体和较细砂粒组成的润滑层。混凝土泵送阻力，即泵压损失主要取决于润滑层的剪切阻力和混凝土本体剪切变形产生的流动阻力。现场实测数据表明，基于混凝土和润滑层流变参数的泵送压力模型的预测精度远高于现行规范推荐的方法。国内学者提出了一种非线性泵压损失预测模型，该泵压预测模型中考虑了泵送作用下混凝土流变性能变化导致的泵压损失沿程变化，提升了水平和垂直泵送条件下的泵压损失预测精度，如表1所示。表1 不同泵压预测模型对水胶比为0.21~0.46的混凝土水平盘管泵压试验的预测精度
Table 1 Prediction accuracy of different pumping pressure prediction models for horizontal concrete pumping experiment with water-cement ratio between 0.21 and 0.46
为克服传统泵送工艺中混凝土泵送阻力大且无法实时调控的问题，研究人员创新性提出了不同的混凝土泵送技术，包括混凝土流变性能主动调控技术和润滑层注入技术等。比利时科学家提出了流变性能主动调控技术。该技术通过在混凝土内添加磁性颗粒，施加外部磁场诱发混凝土内部磁性颗粒的移动或震动，破坏混凝土内絮凝结构以增加混凝土流动性和定量调控混凝土流变性能，达到主动调控泵送压力或泵送速率的目的。混凝土流变性能的主动调控技术在推动混凝土管道泵送的精细化和智慧化发展方面具有很大的潜力。该技术仍处于实验室研究阶段。韩国科学家提出了润滑层注入技术。该技术是降低高黏度、长距离混凝土管道泵送阻力的一种创新性尝试。在泵送入口处沿管道横截面方向设置数个液体注入口，在混凝土泵送过程中注入少量低黏度的润滑性材料，通过精确控制注入润滑层的位置和流量，在不影响混凝土品质的前提下，降低混凝土泵送过程中的阻力，从而降低泵机所需的动力和减少管道的摩擦损耗。现代混凝土材料技术发展迅速，出现了（超）高性能混凝土、低碳混凝土和3D打印混凝土等新型混凝土材料。各种新型混凝土材料具有差异显著的流变性能，对管道泵送提出了多样化的技术要求。
1.2.1（超）高性能混凝土
（超）高性能混凝土具有优异的耐久性、力学性能和自密实性，是混凝土材料的重点发展方向之一。低水胶比和高外加剂掺量是（超）高性能混凝土的配合比特征，其流变性能表现为低屈服应力、高黏度、高触变性和剪切增稠等特性，典型代表包括自密实混凝土（Self-Consolidating Concrete, SCC）和超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）。图2展示了SCC和普通混凝土的流变性能推荐范围。SCC的高黏度和低屈服应力加剧了管道内混凝土的剪切流动，导致混凝土泵送后黏度降低。为了保证泵送后SCC的黏度能够维持新拌性能的稳定性，适用于泵送的SCC（图2中称为泵送SCC）的流变参数范围进一步收窄。（超）高性能混凝土的高黏度增加了混凝土管道泵送的压力，提高了混凝土管道泵送难度，加剧了泵送压力对泵后混凝土性能的影响。国内学者开展了不同强度等级普通混凝土、大流动性混凝土和SCC（C30、C40、C60、C80和C100）的大型足尺盘管泵送试验，系统研究了混凝土在泵送过程中的剪切作用，建立了剪切能与泵后混凝土黏度变化之间的关系，探究了泵送过程中的压力、剪切和温度等因素对混凝土性能的影响规律，发现泵送参数对混凝土水化、流变性能和孔隙结构均有较大影响。
Fig. 2 Recommended rheology for concrete
1.2.2 低碳混凝土
生产硅酸盐水泥的碳排放量占中国总碳排放量的13%以上。在“双碳”目标的驱动下，中国水泥混凝土行业面临市场需求巨大和减碳任务艰巨的双重挑战，低碳化势在必行。低碳水泥混凝土技术目前的研究热点集中于硅酸盐水泥低碳生产技术、固体废弃物制备混凝土掺合料、硅酸盐水泥替代胶凝材料等方面。
石灰石煅烧黏土水泥、碱激发胶凝材料、碳酸盐胶凝材料等新型低碳胶凝材料是低碳混凝土技术的重要突破方向之一。与硅酸盐水泥混凝土相比，新型胶凝材料混凝土的流变性能及水化反应存在显著差异。例如，石灰石煅烧黏土水泥的塑性黏度、屈服应力、内聚力和附着力均显著高于硅酸盐水泥混凝土；碱激发胶凝材料具有黏度大、早期化学反应快、凝结时间短等特性。可见，新型胶凝材料混凝土与普通混凝土的管道泵送特性存在一定差异。
中国迅猛的工业化进程积累了大量的固体废弃物，其资源化利用迫在眉睫。制备混凝土原材料是固体废弃物规模化利用的主要途径，既低碳又环保。不同固体废弃物配制的混凝土通过火山灰效应、微集料效应和形态效应，改变了混凝土材料的微观结构和流变特性，进而影响混凝土的泵送性能，增加泵送过程中混凝土流变性能调控的不确定性。
1.2.3 3D打印混凝土
在数字化和智能化发展背景下，建筑物的3D打印建造是智能建造的典型代表。3D打印混凝土是智能建造3D打印技术的“油墨”。在3D打印施工过程中，建筑的设计图纸转化成三维信息，通过设定的打印路径，将凝结时间短、可泵性好、强度发展快、触变性好的混凝土材料通过泵送的方式，输运至喷嘴，在压力作用下挤出，逐层叠加累积成型。
3D打印混凝土通过管道泵送的方式输运至喷嘴，要求混凝土具有良好的可泵性；在挤出成型后无需模板支撑即可维持一定的形态；具有良好的触变性、较短的凝结时间和较快的强度发展速度。因此，3D打印混凝土与普通混凝土有截然不同的泵送特性。目前，3D打印混凝土技术尚处于研发初期阶段，虽然世界范围内有多个3D打印足尺建筑的案例，但其规模化应用仍有一段距离。然而，3D打印混凝土技术成本和效率上都比传统建造技术更有优势，可以预期，3D打印混凝土技术在智能建造体系中占据重要地位，并且大型建筑物的打印将显著增加3D打印混凝土的泵送距离和难度。3D打印混凝土的管道泵送将是3D打印技术的研究重点和难点。2.1 如何利用流变学工具精确评估混凝土管道泵送性能
现行技术规范仍停留在混凝土泵送技术发展初期的经验性方法。可泵性的评价主要基于混凝土坍落度或坍落扩展度，甚至依赖耗时、耗财的盘管泵送试验来验证泵送方案的可行性。混凝土新材料与新技术发展迅速，但混凝土管道泵送技术的研究显著滞后于混凝土材料研究。流变学是研究泵送混凝土行为的基础理论。混凝土流变性能的表征依赖混凝土流变仪的测试精度。新拌混凝土是由粒径跨度极大（纳米至厘米）的固体颗粒、高分子外加剂与水组成的复杂流体，在剪切作用下新拌混凝土易出现离析现象。因此，混凝土流变仪普遍存在测试精度不高、重复性差及不同流变仪测试数据缺乏可比性等问题。此外，润滑层流变参数是混凝土泵送压力预测的关键参数，摩擦仪和滑管仪是测试润滑层性能的关键设备，但该设备仅能表征润滑层的流变参数，不能直接测试润滑层厚度，且测试精度和重复性均有待提高。因此，如何准确获取和表征混凝土及润滑层的流变参数是混凝土管道泵送的挑战之一。建立基于流变参数的泵送压力预测模型，实现混凝土管道泵送压力的准确预测是混凝土管道泵送的另一挑战，也是该领域的难点和关键点。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）、离散元法（Discrete Element Method, DEM）、平滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）、黏性颗粒材料（Viscous Granular Material, VGM）等计算机模拟技术为混凝土管道泵送研究提供了强大的计算模拟手段。然而，当前较为理想的计算机模拟模型与复杂的实际泵送场景出入较大，使得计算机模拟方法更多是为确定影响泵送过程的关键因素提供依据，而非作为普适的泵送压力预测计算器进行应用。
2.2 如何有效预测泵送过程对混凝土性能的影响为工程建造质量提供保障
混凝土在管道泵送过程中，受到极高的压力和较强的剪切作用，使材料内发生复杂的物理化学变化，导致其微观结构和宏观性能发生改变。长距离运输场景及现代混凝土复杂的材料组成，加剧了泵后混凝土材料性能的变化。混凝土泵后性能变化的材料学机理仍未完全探明，碱激发混凝土、（超）高性能混凝土、3D打印混凝土等新型混凝土材料的泵后性能变化尚缺乏系统研究。2.3 如何运用新型管道泵送技术应对混凝土持续发展提出的挑战
新型混凝土泵送技术的研发与应用可推动管道泵送技术的突破性发展。润滑层注入技术可显著降低混凝土泵送阻力，但该技术存在诸多难题需要解决。例如，注入润滑层材料的流变特性设计、注入时机与部位、防止混凝土浆体反向进入注入口、泵送管道的爆破压力等问题。磁性调控混凝土流变性能技术具有主动调控的优势，但该技术存在诸多难题需要解决。例如，磁性物质对水泥水化过程的影响、低掺量磁性物质的有效响应技术、具有工程普适性的磁性激发方式等。2.4 如何解决管道泵送全过程数智化以有效融入智能建造的发展趋势
混凝土管道泵送的设备、技术和材料设计已经具备了进行数智化升级的理论与实践基础。第一，混凝土材料制备、泵送设备运行、泵送过程监控等流程具备了数字化建设的基本条件，科学采集全过程数据是混凝土泵送数字化建设的重点。第二，混凝土的管道泵送是一项长链条的复杂工程，涉及设计院、施工总承包、混凝土供货商等相关方，材料、设备、性能等数据的保存、传输、共享与分析是工程建设数智化转型的主要难点。中国有大量正在进行的混凝土泵送工程，产生了海量的数据，有效地整合、挖掘工程大数据是混凝土管道泵送技术值得发展的前沿方向。
3.1 加强混凝土流变学基础理论研究，为混凝土管道泵送精确控制提供理论支撑
流变学是混凝土管道泵送的理论基础，但目前混凝土流变学发展水平不能满足管道泵送对混凝土性能变化精准预测和调控的要求。加强多相复杂流体的流变基础理论研究，深化混凝土流变行为的物理化学机理研究，开发能准确表征混凝土流变参数和润滑层参数的科学仪器与设备，重点突破新拌混凝土流变参数测试精度和重复性不高的难题；充分运用基于计算流体力学的计算机模拟技术，与传统流变学研究手段相结合，为管道泵送提供可靠的基础理论和测试技术手段，构建泵送混凝土材料性能稳定和泵送过程压力预测精准可控、泵送装备耐久可靠的技术体系。3.2 加快新型混凝土材料泵送工艺研究，推动混凝土新材料与新技术的应用
（超）高性能混凝土、新型低碳胶凝材料混凝土和3D打印混凝土等新型混凝土材料发展迅速，具有广阔的应用前景。各种新型混凝土材料具有明显不同的流变性能和流变时变性，在时间、压力、剪切等耦合作用下各类混凝土材料的流动性能、力学性能及耐久性表现不同的变化。应加强新型混凝土材料的泵后性能研究，建立适用于不同类型混凝土的泵送工艺，为新型混凝土材料与新技术在土建工程中的推广应用提供技术支撑。3.3 鼓励颠覆性管道泵送技术研发，推动混凝土管道泵送突破性发展
结合混凝土材料和泵送设备的发展，探索颠覆性混凝土管道泵送技术。以现有研究为基础，深化管道润滑层工艺的研究；研究流变性能主动调控技术在管道泵送工程中的应用，探索不同主动响应材料和激发方式的适应性，研究主动响应材料与混凝土流变性能的交互作用；研发适用于恶劣施工环境的激发装置与方式，为混凝土智能泵送提供技术支撑。3.4 推进混凝土管道泵送与智慧工地融合，提升预拌混凝土浇筑施工的数智化水平
数智化是传统产业变革的关键。建议开展混凝土管道泵送的智慧工地建设与大数据中心建设。利用建筑信息模型（Building Information Model, BIM）技术开展混凝土管道泵送智慧工地建设，在混凝土管道泵送过程中实现混凝土材料信息的实时获取与集成，从材料的配合比设计、泵送、浇筑、运行直至建筑全寿命周期，将多源信息整合于统一的信息平台中。设计方、混凝土供货商、施工方、监理等各方人员可基于统一平台协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低成本。混凝土供货商基于设计方的各项要求，设计并制备出具有明确流变性能的新拌混凝土材料，并通过BIM技术实现与施工方的实时共享；施工方可依据混凝土流变参数测算出泵送所需的压力资料及泵后可能发生的性能变化，有助于提高施工效率，减少堵管、泵后材料失稳等风险。基于统一信息平台和设备工况数据，构建多台（套）设备的大数据智能泵送模型，满足施工效率及节能减排的需求；建立实时监测与智慧诊断技术，实现对混凝土泵送过程的数据分析和优化，提高工作效率和安全性。建立混凝土管道泵送大数据中心，研发人工智能大数据模型，存储、分析和模拟混凝土制备、泵送过程中收集的各项数据，以及构筑物质量监控的各类数据，为混凝土管道泵送中的大数据应用提供数据积累和价值挖掘服务。同时，大数据中心提供和实现行业内搅拌站-搅拌车-泵车协同施工调度，提高设备使用效率，减少等待时间等。混凝土管道泵送在现代基础设施建设中发挥着重要作用。中国的混凝土管道泵送科学研究和工程技术水平已达到了国际先进水平。近年来，混凝土材料在高性能化、低碳化和智能建造等方面的研究取得了突出进展，而混凝土管道泵送基础理论研究、测试手段与技术方法等显著滞后于混凝土材料的发展。为满足混凝土新材料与新技术的发展要求，适应低碳和高质量发展新形势，混凝土管道泵送领域需要从装备、技术、材料和组织管理等方面开展系统性科研攻关。重点突破混凝土流变基础理论研究和混凝土流变性能测试技术与设备研发，为混凝土管道泵送研究提供理论和技术支撑；研发颠覆性混凝土管道泵送技术，为混凝土管道泵送领域的发展提供突破性路径；开展管道泵送智慧工地和大数据中心建设，实现混凝土管道泵送的精细化、低碳化和智能化的发展目标，推动中国混凝土管道泵送领域高质量发展。
《前瞻科技》是由中国科学技术协会主管，科技导报社主办、出版的科技智库型自然科学综合类学术期刊，于2022年创刊。
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