超高泵送混凝土作为超高层建筑关键施工技术之一, 也是制约超高层建筑发展的难题。20世纪80年代末以前, 我国超高泵送混凝土施工主要采用接力泵输送的施工方法。1981年, 上海宾馆工程施工采用了接力泵输送混凝土方式, 输送高度达80m;1985年, 上海电信大楼工程施工同样采用了接力泵输送混凝土方式, 输送高度达130m。80年代末以来, 我国超高泵送混凝土施工主要采用一泵到顶的混凝土输送方法。1988年, 上海商城工程混凝土施工时一次性将混凝土泵送到168m的实体高度;1994年, 东方明珠电视塔工程混凝土施工时一次性将C40混凝土泵送到350m的实体高度, 创造了我国一次连续泵送混凝土高度纪录;1997年, 金茂大厦混凝土工程施工一次性将C40混凝土泵送到382.5m的实体高度, 创造了当时混凝土一次泵送高度的世界纪录^[1]。2000年后, 上海环球金融中心工程将C60混凝土一次泵送至290m的实体高度, C40混凝土一次泵送到492m实体高度, 验证性地将C80混凝土一次泵送到492m高度^[2], 刷新了国内混凝土一次泵送高度纪录。可以说我国超高泵送混凝土施工技术走在了世界前列。但目前超高层建筑的研究主要集中在500m级及以下, 对于600m级及以上混凝土泵送施工技术研究极少。鉴于此, 本文将结合上海中心大厦工程超高泵送混凝土施工, 重点从泵送设备选型、混凝土材料性能控制、现场施工浇筑等方面详细阐述超高600m级混凝土施工关键技术, 可为业内同行提供参考借鉴。

上海中心大厦 (见图1) 位于陆家嘴金融贸易区中心, 是一座集办公、商业、酒店、观光于一体的摩天大楼, 大楼总建筑面积约58万m², 地下5层, 地上127层, 高632m, 为中国第一、世界第二高楼。桩基采用超长钻孔灌注桩, 结构为钢-混凝土结构体系, 竖向结构包括钢筋混凝土核心筒和巨型柱, 水平结构包括楼层钢梁、楼面桁架、带状桁架、伸臂桁架以及组合楼板, 顶部为屋顶皇冠^[3]。其中, 混凝土结构施工时, 不同高度采用不同强度等级的混凝土, 核心筒全部采用C60混凝土浇筑, 巨型柱混凝土37层以下为C70, 37～83层为C60, 83层以上为C50, 楼板混凝土强度等级为C35。其中, 核心筒混凝土实体最高泵送高度达582m, 楼板混凝土泵送高度达610m。

上海中心大厦建筑结构极其复杂, 垂直高度高, 混凝土泵送高度>600m, 混凝土超高泵送施工控制和浇筑难度极大:①采用一次连续浇筑施工工艺, 现有混凝土拖泵已无法满足600m级超高泵送压力要求, 对混凝土拖泵出口压力和输送管道抗爆耐磨性能提出新的挑战;②高强高性能混凝土胶凝材料用量多、混凝土黏度大, 对混凝土的流动性、离析泌水性能等提出新要求;③建筑核心筒体型变化大, 竖向结构多, 泵管布设难;④混凝土泵送高度高、输送管道长、累计管道摩阻力大, 超高超长混凝土输送管道的密封性、稳定性和安全性控制难;⑤混凝土泵送方量大、机械设备多, 现场混凝土供应、施工与管理难度大。

高性能混凝土在管道内输送时, 混凝土流体接近牛顿流, 其压力损失如式 (1) 所示:

${\rm P}=\frac{8\mu LQ}{\text{π}R{}^4}(1)$

由式 (1) 可得, 混凝土泵送压力损失主要与混凝土工作性能、输送管道管径、输送流量有关。在流量和管道长度固定的前提下, 可通过改善混凝土塑性黏度、增大输送管径的方式降低混凝土的泵送压力损失。

在上海环球金融中心工程建设时, 采用ϕ125mm输送管, 分析其泵送压力实测数据可得, 混凝土在单位长度内压力损失为0.018MPa/m^[4], 据此结果对上海中心大厦工程进行压力测算。根据工程建设需要, 管道布设长度取750m, 混凝土泵送高度按600m考虑, 混凝土密度按2 500kg/m³考虑。共布设25个弯管, 1个锥管, 2个截止阀。每个90° 弯管、锥管压力损失0.1MPa, S分配阀压力损失0.2MPa。基于此, 采用式 (2) 计算混凝土泵送压力:

${\rm P}={\rm P}{}_1+{\rm P}{}_2+{\rm P}{}_3(2)$

式中:P₁为混凝土自重引起的压力损失;P₂为混凝土沿程压力损失;P₃为混凝土其他损失。

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_1=\rho gh=2500\times 9.8\times \\ 600\times 10{}^{-6}=14.7\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}\\ {\rm P}{}_2=750\times 0.018=13.5\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}\\ {\rm P}{}_3=26\times 0.1+0.2=2.8\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

泵送混凝土预估压力损失为:

${\rm P}={\rm P}{}_1+{\rm P}{}_2+{\rm P}{}_3=14.7+13.5+2.8=31\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}$

混凝土泵送压力预估值达到31MPa, 已接近HBT90CH-2135D型泵的上限, 需要降低混凝土的泵送压力损失值。混凝土泵送压力损失可通过改善混凝土的工作性能, 即适当增大混凝土扩展度, 但扩展度过大易引起离析。通过上海环球金融中心的试验可得, 0.018MPa/m已是压力损失的极限值, 进一步改善混凝土的工作性能已无法降低压力损失。由式 (1) 可知, 输送管径增大也可降低混凝土压力损失, 因此上海中心大厦采用ϕ150mm输送管, 1m压力损失值按ϕ125mm输送管的压力损失值的0.7倍折算, 可得总压力损失为26.95MPa。由此可见, ϕ150mm输送管可满足600m级超高混凝土泵送需求。

泵送设备选型时, 采用ϕ150mm输送管, 突破ϕ125mm输送管泵送压力极限, 将混凝土泵送至600m高度所需压力估算值为26.95MPa, 若继续采用HBT90CH-2135D型泵进行泵送, 其压力储备值仅为22%左右, 难以应对实际泵送过程中混凝土出现的异常情况。考虑到本工程可为千米级建筑建造技术做一定的铺垫性研究, 采用创新研发的新型HBT90CH-2150D型输送泵, 其混凝土输送压力可达50MPa, 压力储备值接近50%, 可保障混凝土超高600m级泵送施工。通过该泵的实际工程使用, 为千米级泵送设备的研发储备基础数据。

输送管采用超高压耐磨抗爆输送管, 使用寿命较常规管道提高约10倍。输送管选择时, 考虑到本工程的混凝土输送量巨大, 对混凝土输送管的耐磨性能要求较高, 故输送管道壁厚采用10mm, 最大输送压力按50MPa考虑, 计算得到管道材料的抗拉强度最小值:

$\sigma {}_{\text{b}}=\frac{{\rm P}{}_{\max }D}{2t}=\frac{50\times 150}{20}=375\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}(3)$

式中:P_max为混凝土最大输送压力;t为管道壁厚;D为管道直径。

基于此, 最终选用内径为150mm的双层复合管, 内层耐磨, 外层抗爆;材料抗拉强度为980MPa, 满足工程建设要求。

布料杆选择时, 从拆装便利性、机动性、自重等因素考虑施工综合效益最优, 开发了新型HGY-28混凝土布料杆, 如图2所示, 既可安装在建筑物上, 也能安装在钢平台上, 最大回转半径达28.1m, 解决了布料杆高空转场难题, 大幅提高混凝土浇筑速度, 提高大型工程的施工工效, 降低建设成本。

混凝土工作性能控制是保障顺利泵送的关键, 现有工程做法是以坍落度 (扩展度) 来表征混凝土工作性能。研究发现高性能混凝土随着流动性增大, 其在管道内的流动可视为宾汉姆体, 影响宾汉姆体流动的主要是流变参数, 仅仅采用测试坍落度 (扩展度) 来表征混凝土泵送性能存在一定不足。结合工程实际提出两阶段控制, 即在实验室配制阶段采用“塑性黏度+扩展度”的双指标控制方法, 塑性黏度的控制区间为24～40Pa·s, 对应扩展度区间为600～850mm。根据JGJ/T10—2011《混凝土泵送施工技术规程》给出的坍落度 (扩展度) 与泵送高度的关系表^[5], 建议400m以上要保证扩展度在600～740mm。考虑实际泵送过程混凝土坍落度经时损失和管壁受热升温影响, 在确保水胶比不变的前提下, 通过调整高性能减水剂掺量调整混凝土扩展度, 并给出不同高度对应的扩展度指标:高度为300m时扩展度为 (650±50) mm, 高度为400m时为 (700±50) mm, 高度为500m时为 (750±50) mm, 高度为600m时为 (800±50) mm。

本工程对混凝土工作性能要求极高, 因此在原材料选择上较为严格, 配合比设计时, 除考虑强度要求, 还需以工作性能为控制指标进行调整。本工程采用的5～20mm精品石是通过5～10mm和10～20mm复配得到。首先研究了两种级配不同比例下的紧密空隙率, 如表1所示。根据混凝土泵送高度分为4个泵送区间, 不同的泵送高度区间调整级配比例, 具体调整情况如表2所示。由表可得, 随着泵送高度的增加, 不断增加细颗粒 (5～10mm) 在整个骨料体系的占比, 当泵送高度>500m后, 将粗骨料级配调整为5～16mm。同时, 也要调整混凝土胶凝材料总量和掺和料品种, 以期进一步改善混凝土工作性能。

为改善混凝土流动性, 并保证混凝土输送过程中不发生离析, 研究高性能外加剂复配技术。首先确定外加剂的主要组分, 不同组分的主要作用。不同组分作用主要有减水、保坍、黏度调节, 根据混凝土工作性能需要, 通过试验确定复合比例。本工程中要求C35, C50, C60混凝土拌合物性能4h内扩展度保持600～750mm, 无泌水、工作性能波动小, 此外对C50, C60混凝土要求3s<T₆₀<8s。通过上述配制方法得到的混凝土工作性能优良, 如图3所示, 可满足600m级混凝土超高泵送施工要求。

泵送设备布置时, 为保障大方量混凝土顺利输送, 本工程共布设3路泵管, 其中1路为备用泵管。当工作管路无法正常工作时, 可采用备用管路暂时替代, 避免影响浇筑进度。考虑到混凝土浇筑方量沿建筑物高度区间变化较大, 本工程500m以下高度的混凝土浇筑施工采用2台HBT90CH-2150D型混凝土固定泵, 另外配备1台备用泵;500m以上高度采用1台HBT90CH-2150D型混凝土固定泵, 另外配备1台备用泵。

混凝土输送时, 为避免超高压作用下管路内部的安全隐患, 对管道采取相应固定措施来避免超高压作用下管路的不合理摆动。针对水平管道, 通过在混凝土墩预埋连接件进行固定, 如图4所示;针对竖直管, 固定前在指定位置预埋高强钢板, 然后将管道连接装置焊在钢板上进行固定, 如图4所示。此外, 为应对重力作用下竖直管道内混凝土回流问题的产生, 通过在管路关键部位, 如固定泵出口附近、竖直管和水平管转换处的水平管上, 设置单向截止阀控制混凝土回流冲击;在管路竖直方向上布置转向弯管来降低垂直压力。以上措施提高了泵送设备的工作性能, 保障了混凝土高效安全输送。

混凝土泵送施工时, 结合混凝土可泵性和结构密集程度要求, 核心筒混凝土采用分区段配制。在核心筒底部区域, 由于钢筋密布, 采用自密实混凝土, 有效降低了施工浇筑难度;在核心筒高段区域, 考虑到混凝土可泵性要求, 采用自密实混凝土, 其扩展度≥700mm;在核心筒中段区域, 采用高流态混凝土, 其扩展度≥650mm。同时, 严格控制在混凝土工作性能良好的时间段内完成泵送作业, 并对入泵扩展度、有效泵送时间等关键性能指标进行界定, 具体如表3所示。

现场浇筑施工时, 核心筒混凝土浇筑采用“两管两布”方案, 布料机设置在钢平台顶部, 布料机型号为HGY28, 2台布料机回转半径为28m。巨型柱和主楼楼板混凝土采用一次连续浇筑方法, 先浇筑巨型柱混凝土, 然后浇筑楼板混凝土, 在巨型柱混凝土终凝前完成楼板混凝土浇筑, 浇筑施工如图5所示。巨型柱和组合楼板采用“两管四布”方案, 核心筒内楼板与核心筒外楼板同时施工。上述措施显著提升混凝土结构的施工效率, 实现了综合性能最优, 保障了混凝土结构浇筑施工的顺利完成。

本工程混凝土泵送方量大, 管道磨损大, 当管道磨损严重时, 需及时更换。水平管大多铺设在地面或者楼面上, 其更换、拆卸比较简单;但对于竖向管道的拆换, 目前多是采用人工拆卸方法。由于操作空间有限, 拆卸难度大、耗时长, 混凝土泵送中止时间过长, 易引起其流动性过大损失, 再次泵送时易引发堵泵。工程中研制出的特殊顶升装置主要由千斤顶和2个托管组成, 先将2个托管安装到要顶升管道1, 将千斤顶置于托梁上, 松开管道1、管道2的连接螺栓组, 托管1顶住管道1的法兰, 千斤顶将管道1顶起, 换下管道2, 将顶升装置拆除, 即完成更换管道工作, 更换流程如图6所示。同时, 为方便检修竖向管道, 从核心筒第14框起, 每隔3层设1个检修平台。

全程采用水洗技术, 最大限度地利用输送管内混凝土, 设置水洗废料承接架, 回收残留的废弃混凝土和砂浆, 达到绿色、文明施工要求;在泵车出口位置设置截止阀, 避免输送管内混凝土回落带来的冲击, 在8层位置设置分流阀, 便于管道切换和水洗。混凝土水洗装置如图7所示。混凝土泵送水洗技术能够达到泵送多高水洗多高, 最大限度利用混凝土, 最大限度减少管道内残余混凝土浪费。水洗技术的应用显著提高了混凝土的利用率, 工程节约混凝土材料约1 000m³。

上海中心大厦工程形成了综合性能指标协同控制的超高泵送混凝土施工成套技术, 攻克了600m级混凝土泵送难题, 保障了工程高品质完成, 工程应用成效显著。

1) 该成套技术综合应用可使泵送阻力减少50%以上, 成功将C60混凝土一次泵送至582m的实体高度、C45混凝土一次泵送至606m的实体高度、C35混凝土一次泵送至610m的实体高度, 创造了多项混凝土一次连续泵送高度世界纪录。

2) 自主开发出新型HBT90CH-2150D型和HBT9060CH-5M型混凝土输送泵, 输送压力分别达到51.2MPa和58.6MPa, 创造了混凝土输送泵泵口压力纪录, 可满足千米级超高建筑泵送需求。

3) 提出了600m级混凝土超高泵送两阶段工作性能控制方法, 揭示了超高混凝土可泵性量化指标有效合理的控制范围, 形成了适用于600m级超高泵送混凝土性能设计与控制关键技术。

4) 提出了不同强度混凝土入泵扩展度、有效泵送时间等关键控制指标, 开发了管道顶升装置可高效更换管道, 采用了绿色高压水洗技术极大地提高混凝土利用率。