高强高性能混凝土泵送压力损失规律分析.pdf

2 0 1 1年 第 1期 总 第2 5 5 期 ) Nu mb e r l i n 2 0l l ( To t a l No 2 5 5) 混 凝 土 Co nc r e t e 工艺与设备 T E C HNI CS A ND E Q UI P ME N T d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 1 0 4 2 高强高性能混凝土泵送压力损失规律分析 吴斌兴 。陈保钢，徐建华 ，康 明智 ( 长沙 中联重工科技发展股份有限公 司，湖南 长沙 4 1 0 0 1 3 ) 摘要： 与常规混凝土相比， 高强高性能混凝土( H S H P C) 的泵送施工工况、 材料配合比等已经发生了很大的变化， 其泵送压力损失也不 能简单地按照常规混凝土的泵送压力损失经验公式计算。 结合国内某些超高层建筑( 建筑高度 4 0 0 m以上) 的实际施工案例， 提出了高强高 性能混凝土压力损失的计算方法 ， 得到了混凝土流动速度 、 水胶 比( w， B) 对泵送压力损失影响规律 ， 验证了 S Mo r i n a g a经验公式中黏着 系数 、 速度系数 的计算方法不适合高强高性 能混凝土。 关键词 ： 高强高性能混凝土 ；超高泵送 ；泵送压力损失 ；混凝土流速( 排量) 中图分类号 ： T U5 2 8 0 6 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) O l 一 0 1 4 2 0 3 An a l ys i s on pumpi ng pr e s s u r e l os s o f h i gh -s t r eng t h an d h i g h-pe rfor m a nc e c on cr e t e W U Bi n-xi n g， CHEN Ban - ga n g， XU J i a n - h u a ， KANG M i n g- z h i ( C h a n g s h a Z o o ml i o n He a v yI n d u s t r yS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y De v e l o p me n t C o ， L t d ， C h a n g s h a 4 1 0 0 1 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Co mp a r i n g wi t h n o r ma l c o n c r e t e， t h e pu mpi n g c o n d i t i o n a n d ma t e ria l p r o p o i o n o f h i g h s tr e n g t h a n d h i g h - p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ( H S H P C) h a s b e e n c h a n g e d g r e a t l y ， a n d t h e p u mp i n g p r e s s u r e l o s s c a n n o t b e s i mp l y c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t O e mp iri c a l f o rm u l a o f t h a t o f n o r ma l c o n c r e t e Ac c o r d i n g t o s o me d o me s t i c c o n s t r u c t i o n c a s e o f s u p e r - h i gh b u i l d i n g p r o j e c t ( h i g h e r tha n 4 0 0 m) ， thi s t h e s i s p r o p o s e d a c a l c u l a t i o n me t h o df o r p r e s s u r el o s s o f HS HP C， a n d c o n c l u d e d the i n fl u e n c e r e g u l ati o n o f c o n c r e t e fl o win g v e l o c it ya n dw a t e r b i n d e r r a t i o ( W B) o np u mp i n g p r e s s u r e l o s s ， a n d p r o v e d t h a t c a l c u l a t i o n me t h o d o f s t i c k i n g c o e ffi c i e n t l a n d c o e ffi c i e n t o fv e l o c i ty 2 i n S M o r i n a g a e m p i ric a l f o rm u l a i s n o t s uit a b l e f o r HS HP C K e y wo r d s ： h i gh s t r e n gth a n d h i gh p e r f o rm a n c e c o n c r e t e ； s u p e r - h i g h p u mp i n g ； p u mp i n g p r e s s B r e l o s s ； c o n c r e t e fl o wi n g v e l o c i t y( d i s c h a r g e c a p a c i ty) 0 引言 输送 管中泵送压力变 化问题 是泵送混凝土计 算中 的一个 重要问题， 混凝土泵的设计、 泵送距离的确定、 最优混凝土配合 比的确定等皆与之有关。 与常规混凝土相比， 高强高性能混凝土 因其水胶比很低( 如 C 1 0 0的设计水胶比为 0 2 0 ) ， 胶凝材料用 量大， 同时掺有硅粉等高黏性的胶凝材料， 在泵送过程中混凝 土的压力损失及其变化规律与普通混凝土有很大差异。 混凝土 泵送施工技术规程 中提供的计算单位长度水平管压力损失的 经验公式对高强高性能混凝土已不在适用高强高性能混凝土 的泵送施 工工况 、 目前行业 内也 没有一个成熟的方法 ， 因此 ， 探 索高性能混凝土的泵送压力损失影响因素， 找出相应的计算方 法尤显重要。 1 高强高性能混凝土压力损失的计算方法 混凝土在管道中的压力由管道阻力与混凝土自重组成， 其 关系式如下： p = f + c = A P L + p g h ( I ) 式中： P 混凝土泵出口压力； 厂 一泵管沿程压力损失； G垂直泵管因重力引起的压力损失； 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 8 - 2 8 1 42 P H 每米长水平管的压力损失； L 泵管水平换算总长度； 垂直泵管长度； p 混凝土密度 ， 取 2 5 0 0 k g m ； g 重力加速度 ， 取 1 0 mz s 。 混凝土在管道中的压力就是泵机 出口压力 ， 由泵送机构结 构原理可知， 泵机出口压力与液压系统压力关系式如下： p = = P ( 2 ) A 2 式中： P l泵机液压系统压力； A。泵送油缸有效腔面积 ； 混凝土缸面积 ； 泵送油缸与混凝土缸作用面积比。 由式( 1 ) 、 ( 3 ) 可得泵管每米沿程压力损失 P H 与泵机液压 系统压力 P I 、 泵送高度 h的关系式： A P H = ( P ,y - O 2 5 h ) ( 3 ) 混凝土缸一个行程排出的混凝土体积为 单位时间排出 的混凝土的体积为 V 。 ( m ) ， 混凝土在管道中的流速 ， 则 l- A 2 x L x r ( 4 ) 告 正 ( 5 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m v =V 0 I t ? ( 6 ) 由式( 5 ) 、 ( 6 ) 可得混凝土流速 与泵送频率 换算关系式： ： nL _ A 2 r nr ) = - I，J 60 a r t 2 式中： 活塞有效行程； s阀每分钟换向频率( 每分钟换向次数) ； r一 混凝土管道半径 ； 田 容积效应系数， 一般取 0 8 ， 高性能混凝土取 O 7 5 。 混凝土与单位面积管壁的黏阻力 厂 的计算方法2 1 ： 户 ： ( 8 ) 2r r r a 式中： 径向压力与轴向压力之比， 一般取 O 9 0 ； 2 高强 高性能 混凝 土流动速度 ( 排量 ) 对泵送 压力损 失的影响 在国内某超高层建筑混凝土泵送施工工地， 泵送强度等级 C 8 0高强高性能混凝土 ， 楼层第 6 6层( L - 4 4 1 m， h = 2 8 7 m) ， 我 们在现场采集的混凝土流速( 排量) 与混凝土压力损失、 系统压 力的数据如表 1 所示。 其中， 单位时问排出的混凝土的体积为 ( 简称排量) 、 管道内混凝土流速 、 混凝土泵出口压力 P以及单 位长度水平管压力损 P H 失分别由式( 2 ) 、 ( 3 ) 、 ( 5 ) 、 ( 7 ) 式换算 所得。 表 1 流速( 排量 ) 与泵送压 力损失的数据记录表 注： C 8 0 高强高性能( 泵送楼层6 6 层) ； L = 4 4 1 m； h = 2 8 7 m； 坍落度： ( 2 4 _+ 2 ) c m。 根据表 1中的数据和式( 2) ( 8 ) ， 我们可以找出混凝 土 在输送管内的平均流速 和对应的混凝土与单位面积管壁的 黏阻力 厂 关 系。 先用描 点法观察 和 厂 大概呈线性关 系 ， 如 图 1 所示 。 采用最小二乘法对所采集的样本点进行直线拟合， 有 ： f = k ( 9 ) 从图 1 可以看出， 混凝土的排量与混凝土压力大体呈线性 关系， 从图 2可知， 混凝土在管道中的运动速度与单位面积管 壁的黏阻力呈线性关系， 即当 增大时 厂 也成比例的增大； 当 ： 0 时， 。 因此， 我们基本上可以认为高强高性能混凝土的泵送 速度 与混凝土泵送压力损失呈线性关系， 计算压力损失时， 要 充分考虑混凝土流速的影响。 表 2为 k 。 黏着系数和 速度系数采用 S Mo r i n a g a 经验公 式 3 1 和上述最小二乘法拟合直线方程计算的结果对照表。 从表 2 可知， 实际测算结果与经验公式的计算结果相差甚远 ， 显然实 测数值将更接近于真值。 因此， 经验公式已经不能很好地适用于 高性能混凝土泵送压力损失的估算。 为此， 中联重科开发了混凝 土黏阻力测定装置， 如图3所示。 由于篇幅问题 ， 在这里就不针 对测试原理做专门的阐述。 鲤 蛊 捌 驰 旧 排 量 ( m h ) 图 1 排量 与压力 尸 ；1 、 P关系 混凝 土流速 ( m s ) 图 2 与 ， 的关系 表 2 、 计算结果对 照表 混凝土坍落度 k 。 经验公 k ： 经验公黏着系数 k 。速度系数 k 强度等级 c m 式计算值 式计算值 P a ( P a ( m s ) ) C8 O 2 4 -+ 2 6 0 -+ 2 0 1 6 0 -+ 2 0 21 8 7 1 2 3 8 图 3 泵送阻力系数测试仪 3 高强 高性 能混凝 土配合 比对泵送压 力损 失 的影 响 高强高性能混凝土配合比的设计主要包括选择适当的水 胶比、 确定单位立方米用水量， 确定胶凝材料( 其中包括水泥用 量 、 硅粉用量、 矿渣粉用量) 、 确定粗细骨料用量、 确定适宜的砂 率。 表 3为现场配置的高强高性能混凝土 C 7 0 C 9 0的配合比， 从 表 3中可以看出： 混凝土的强度等级越高， 其水胶比越低， 用水 量越小。 粗碎石： 细碎石为7 ： 3 和 6 ： 4 ， 砂率控制在 4 2 ， 主要变化 为水与胶凝材料比例关系的变化( 胶凝材料主要 由水泥、 矿渣 粉和硅粉搭配而成) ， 具体体现为水胶比W B 。因此， 水胶比W B 是影响泵送压力损失的重要因素。 表 4为现场采集的水胶 比与高强高性能混凝土压力损失 的数据。 其中， 混凝土泵出口压力P以及单位长度水平管压力损 失 分别由式( 2 ) 、 ( 3 ) 换算所得。 从表4可以看出， 在相同泵 送速度条件下， 混凝土的强度等级越高， 其水胶比越低， 单位长 度水平管压力损失 P H 越大。 1 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 高强高性能混凝土配合比 4结 论 ( 1 ) 高强高性能混凝土 的泵送速度 的快慢 ， 对混凝 土泵送 压力 ， 影响是很大。泵送 压力损失 r 与混凝土流动速度 呈线性 关系 ， 当 增大时 厂 也成 比例的增大。 因此 ， 计算泵送压力损失时 ， 应充分考虑混凝土在管道中的流速影响。 ( 2 ) S Mo r i n a g a经验公式中黏着系数 ， 、 速度系数 的计 算方法已不适合高强高性能混凝土， 需要开发专用检测设备。 ( 3 ) 混凝土的配合 比， 尤其是水胶比， 对压力损失有重大的影 响。混凝土的强度等级越高， 其水胶比越低， 单位长度水平管压力 上接第 1 3 5页 ( 2 ) 环氧树脂劈裂破坏( E s ) 。 试件G一 2 0 8 0 、 G 2 0 1 5 0 、 G 一 2 0 2 5 0 和 G 一 3 0 2 5 0 ， 黏结长度较长( 槽宽为 2 0 B M l l 时 ， 黏结长度大于 8 0 ton i ； 槽宽为 3 0 I I I1 T I 时， 黏结长度大于2 5 0 fi l m) ， 平均黏结强 度较小 ( 小 于 1 2 4 9 MP a ) ， 试 件表面树脂沿筋纵 向的发生劈裂 裂缝。 纵向劈裂裂缝首先从加载端开始出现， 随着荷载增加向自 由端发展 ， 形成纵 向贯通裂缝 ， 构件破坏过程 中伴随有明显 的 响声， 而树脂周围混凝土基本完好。由于残余摩擦的存在， 破坏后 仍需一定的荷载才能将 G F R P 筋徐徐拉出， 如图 5 所示。 图 5 试件 G一 2 O 一 8 O树脂发生纵向劈裂 ( 3 ) 混凝土劈裂破坏 ( C S ) 。 试件 G 一 3 0 1 5 0因槽周围混凝土 强度较低 ， 在水平荷载作用下， 在混凝土内产生沿筋径向的拉 应力 ， 拉应力超过混凝土的劈裂抗拉强度时混凝土发生劈裂破 坏 ， 构件极限承载力较低 ， 破坏形式如图 3所示。 2 3 槽宽度影响 槽宽度对黏结构件的极限承载力有一定的影响， 如表 1 所 示， 槽宽度为 3 0 m I n试件( G一 3 0 8 0 ， G 3 0 2 5 0 ) 的极限承载力大于 槽宽为 2 0 mi n试件( G 一 2 0 8 O ， G 2 0 2 5 0 ) 的承载力。 试件 G 一 3 0 1 5 0 因混凝土强度较低， 其承载力比试件G一 2 0 1 5 0 承载力低， 为特例。 槽尺寸较大的试件， 树脂替代混凝土的面积也大， 由于树脂的强度 高于混凝土强度 ， 因此其极限承载力也大 。 损失 越大。 因此， 计算泵送压力损失时， 不仅要应充分考虑混 凝土在管道中的流速影响， 还要考虑混凝土水胶比等配合比的影响。 参考文献 ： 【 1 万朝均 ， 李利 现代高强混凝土技术状况及展望【 J J 建筑技术开发， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 4 3 4 7 2 冯乃谦 高强混凝土技术【 M 北京 ： 中国建材工业出版社， 1 9 9 2 3 】J G J T 1 O 9 5 ， 混凝土泵送施工技术规程 s 】 1 9 9 5 作者简介： 吴斌兴( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 研究员， 研究方向： 混凝土机械。 单位地址 ： 湖南省长沙市岳麓区银盆南路 3 6 1 号中联科技园( 4 l 0 0 1 3 ) 联系电话 ： 0 7 3 1 8 8 9 9 7 3 0 8 长度和槽宽度等参数对黏结破坏形式、 极限承载力的影响， 得到 以下结论 ： ( 1 ) 试件的极限承载力随黏结长度的增大而增大， 平均黏 结强度随黏结长度 的增大而减小 。 ( 2 ) 黏结长度较 小时 ， 黏结 破坏形式为筋 一 树脂界面破坏 ， 树脂周 围部分混凝土发生劈裂破坏 。黏结长度较大时 ， 黏结破 坏形式为试件表面树脂沿筋纵向劈裂， 树脂周围混凝土基本未 发生破坏。 ( 3 ) 试件的极限承载力随槽宽度增加而增加。 本文的研究结果可为确定嵌入式 F R P筋锚固长度及制定 相关规范提供试验依据。 参考文献 ： 【 1 WAN G B o ， OU J i n p i n g ， Z H A N G X i n y u e ， e t a 1 C o mp o s i t e s fi b e r r e - i n f o r c e d p o l y m e r r e b a r f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s C P r o c e e d i n g s o f t h e Ei g h t h I n t e r n a t i o na l S y mp o s i u m O H S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g f o r Yo u n g Ex p e ls ， Xi a n， Ch i n a， 2 0 0 4： 7 0 4 71 1 2 O U n p i n g ， WA N G B o ， H E Z h e n g ， e t a 1 L o a d d e fl e c t i o n r e s p o n s e o f c o n c r e t e b e a m s r e i n f o r e e d w i t h F R P b a r s J l&d v a n e e s i n S t rnc t u r a l E n 一 n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 7 ( 5 ) ： 4 2 7 4 3 6 1 3 l WA N G B o ， T E N G J i n g u a n g ， L A U RA D L ， e t a 1 S m a r t F R P b a r s f o r s t r e n g t h e n i n g R C b e a m C P r o c e e d i n g s o f t h e N i n t h I n t e r n a t i o n a l S y m- p o s i u m o n S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g for Yo u n g Ex p e ls ， F u z h o u， Ch i n a ， 2 0 0 6： 1 3 7 5 1 3 8 2 4 T E N G J i n g u a n g ， L AU R A D L， WAN G B o ， e t a 1 D e b o n d i n g f a i l u r e s o f RC b e a ms s t r e n g t h e n e d w i t h n e a r s u r f a c e m o u n t e d C F R P s t ri p s J A S C E J o u rna l o f C o mp o s i t e s fo r C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 6 ， 1 0 ( 2 ) ： 9 2 1 0 5 5 WA N G B o ， T E NG J i n g u a n g ， L A UR A D L， e t a 1 S t r a i n m o n i t o ri n g o f RC b e a ms s t r e n gt h e n e d w i t h s ma r t N S M F R P b a r s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 4 ) ： 1 6 9 8 1 7 1 1 作者简介 3 结 论 单 位地址 通过对 8 个嵌入式加固混凝土结构的黏结试验研究黏结 壁墨皇 堡 l 4 4 王勃( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 教授， 博士， 主要从事 F R P在土木工程 中的应用方面的研究。 长春市红旗街 1 1 2 9号 吉林建筑工程学院土木工程学院 ( 1 3 0 0 2 1 ) 0 4 3 l 一 8 5 9 3 50 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m