泵送混凝土,攀升新高度
2008年4月，一項新的泵送混凝土高度的世界紀錄在迪拜的Burj Dubai Tower（簡(jiǎn)稱(chēng)：迪拜塔）被打破，目前的最大高度為606米。Bryan Orchard講述了具備同級性能的高壓蠕動(dòng)泵和活塞泵背后的技術(shù)層面問(wèn)題以及它們在新一代高層建筑項目上所起到的作用。
601米的泵送高度還是在2007年11月時(shí)由普茨邁斯特（Putzmeister）所創(chuàng )造的，當時(shí)這臺型號為14000 SHP D超高壓混凝土泵由Unimix公司運行，用于迪拜塔的建造。然而，這項紀錄并沒(méi)有維持太長(cháng)時(shí)間，601米的高度就在2008年4月被同一家公司采用同一臺泵刷新至606米。
不久之前，高層建筑建造時(shí)還使用吊車(chē)吊運桶裝混凝土的方式。雖然現在看來(lái)這并不是最高效的方法，但在當時(shí)是可取也是成功的。然而，世界正在進(jìn)入一個(gè)全新的高層建筑時(shí)代，位于迪拜的160層的迪拜塔使700米成為了一個(gè)新的基準（圖1）。這一革命性的高度給混凝土泵廠(chǎng)商帶來(lái)了有利影響，他們紛紛努力打破技術(shù)壁壘。
圖1. 160層的迪拜塔高達700米
整個(gè)中東和海灣地區的高層地產(chǎn)項目將層出不窮。據報導，單單沙特阿拉伯一個(gè)國家2008年第一季度計劃建造的高層建筑就有22項。很清楚其中的既得利益，Saudi Readymix公司正在著(zhù)手開(kāi)發(fā)特殊的高強度高層建筑用混凝土預混料，并采用先進(jìn)的泵送技術(shù)來(lái)達到該國前所未聞的高度。
Saudi Readymix公司的市場(chǎng)和業(yè)務(wù)發(fā)展總監Fadi Mujahed談到 ：“正在進(jìn)行中的項目包括20-30座高層建筑，我們期望諸如此類(lèi)的項目在接下來(lái)的幾年內無(wú)論在數量和規模上都有所增加。” 鑒于Unimix和Putzmeister在迪拜塔項目上的成功合作經(jīng)驗，Saudi Readymix最近又從Putzmeister采購了4臺全新的BSA 14000 HP-D型固定式混凝土泵。
Saudi Readymix專(zhuān)門(mén)成立了混凝土泵送部門(mén)，在年初還就該專(zhuān)題舉辦了幾次研討會(huì )，德國的兩家泵業(yè)制造商Schwing和Putzmeister在會(huì )上介紹了相關(guān)論文。
混凝土的泵送
Putzmeister混凝土泵公司認為，有必要分清泵的工作狀態(tài)（啟動(dòng)、泵送、正常的輸送、清空和清潔管路，故障等）以及混凝土運行狀態(tài)的區別�；炷帘玫念�(lèi)型：活塞泵或蠕動(dòng)泵和活塞泵中使用的閥門(mén)對泵內新拌混凝土的質(zhì)量和特性不會(huì )造成任何影響。
混凝土只有被從進(jìn)料斗吸入后，才能被推動(dòng)通過(guò)傳送管路，這是通過(guò)增加傳送空間的容積來(lái)實(shí)現的，比方說(shuō)泵傳送缸的容積。因此混凝土會(huì )填充至傳送空間的最佳位置。減小傳送空間的容積，混凝土會(huì )被推出進(jìn)入傳送管路，取代管路中的混凝土柱。
通過(guò)進(jìn)一步觀(guān)察可以發(fā)現，吸入動(dòng)作同樣有推進(jìn)的作用，因此擴大傳送空間容積的做法會(huì )導致壓力低于大氣壓�；炷猎诓怀^(guò)1 bar的壓力下被從進(jìn)料斗推入傳送區，但是只有在傳送區與大氣間沒(méi)有連續“空氣橋”時(shí)才會(huì )出現這種情況。
吸入和填充時(shí)的低壓需要盡可能低的流體阻力和混凝土形變。料斗的攪拌裝置及其幾何形狀對此有極大的幫助。攪拌器不但能保證混凝土在傳送中斷期間保持自由流動(dòng)，而且還能在吸入時(shí)以均勻和可控的流速將混凝土推入吸入口。傳送區的填充速率對泵效至關(guān)重要。
為了確保最佳的吸入性能，吸入口和傳送區的直徑應盡量恒定并盡可能開(kāi)闊。這也是活塞泵和蠕動(dòng)泵之間最基本的差異�；钊猛ㄟ^(guò)較大的截面吸入混凝土料在排出時(shí)截面變小，輸出的大小由缸體容積、每分鐘活塞沖程數以及發(fā)動(dòng)機功率決定。而對于蠕動(dòng)泵，吸入性能與輸送壓力（最高不超過(guò)30 bar左右）和輸送性能有關(guān)。
當混凝土被活塞泵壓出輸送缸進(jìn)入輸送管路后，在通過(guò)閥門(mén)時(shí)將經(jīng)歷從（之前的）大截面到管道直徑減小的過(guò)程。這會(huì )使流速增加，邊界層也相應增厚。為了減小相應的輸送阻力，要在盡可能長(cháng)的距離內縮小流道截面積。這種在內部或直接在泵下游減小截面積的做法也可作為測試混凝土可泵送性的一種方法。
在特定的輸出速率下，增加管路的截面會(huì )對流速、磨損情況、壓力需求以及混凝土在管道中滯留的時(shí)間產(chǎn)生直接影響。跟125 mm的輸送管道相比，直徑為150 mm的管道截面增加了44％，壓力可減小約25％，磨損率也相應降低。
然而，流速降低會(huì )導致混凝土在管道中停留的時(shí)間延長(cháng)，因而在研發(fā)混凝土特性時(shí)就必須考慮到更長(cháng)的流動(dòng)時(shí)間。假定建筑物高度為580米，對于直徑為150 mm的輸送管道，混凝土停留的時(shí)間約35為分鐘，而管路中增加的重得多的混凝土柱將使切斷閥的負荷顯著(zhù)增加。
對于活塞泵來(lái)說(shuō)，每一個(gè)泵沖程應盡可能徹底清空輸送區。因為如果存在死區，物料會(huì )停留在輸送區內（主要集中在輸送活塞上），起碼要在下一次清理泵時(shí)才能夠得以清除。如果停留在死區的物料結塊或固定，很可能會(huì )導致密封件以及輸送活塞和氣缸內壁的損壞。
為迪拜塔打造的系統
Unimix公司負責迪拜塔項目中混凝土的生產(chǎn)和輸送，在其決定采購并安裝Putzmeister公司的泵設備和臂架系統（圖2）前，需要對合作伙伴的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和可靠性有一定的信任。
圖2. 迪拜塔建造現場(chǎng)的Putzmeister泵
Putzmeister針對迪拜塔項目特別開(kāi)發(fā)了超高壓的BSA 14000 SHP-D型混凝土泵，專(zhuān)為極端輸送壓力打造。之前，Putzmeister已對這些混凝土泵和輸送管進(jìn)行了測試，證實(shí)其能夠以30 m3/h的速率將混凝土輸送至570米的高度。
Putzmeister開(kāi)發(fā)的BSA 14000 SHP-D型超高壓泵的泵架和料斗均經(jīng)過(guò)加強，可以應對巨大的受力。S閥及其軸承也按目標壓力作出了調整。為從一開(kāi)始就避免流體受水或灰塵顆粒的污染，BSA 14000 SHP-D泵還配備了一套非常有效的過(guò)濾系統。
特別值得一提的是，Putzmeister的工程師們改造了液壓驅動(dòng)系統，液壓和混凝土壓力之間的轉換率<1。因此高層混凝土泵的壓力可以達到400 bar以上（最大理論值）。在迪拜塔項目中，泵系統的傳送壓力被限定在這個(gè)范圍之內。
在測試階段，Unimix用兩臺BSA 14000 SHP-D型超高壓泵和一臺常規的BSA 14000 HP-D泵在現場(chǎng)搭建了一個(gè)泵站。這些設備被放置在距離建筑物約70米的位置，兩臺超高壓泵由一臺功率為470 kW的Caterpillar?標準柴油發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)，其他BSA混凝土泵安裝的也是這種發(fā)動(dòng)機。
對Putzmeister的工程師來(lái)說(shuō)，迪拜塔只是他們曾經(jīng)參與的超高層輸送項目之一。其中，傳輸管路系統的磨損狀況、壓縮強度，以及混凝土泵系統內管線(xiàn)的走向和安裝，使他們面臨的一大挑戰。Putzmeister已申請了與此相關(guān)的多項專(zhuān)利。
高強度混凝土
出于現場(chǎng)管理的需求，幾乎整個(gè)傳輸高度上都安裝了內徑為150 mm的管道，用以泵送極高強度的混凝土。僅在最上面的10層，為了方便操作，安裝了普通的Putzmeister ZX輸送管（DN 125）。這套輸送管道最高可承壓130 bar。
在最近的泵運行期間，在Putzmeister 14000 SHP D型混凝土泵車(chē)上測得的混凝土壓力達200 bar，排量為28 m3/h。在32個(gè)月的運行時(shí)間內，這3臺Putzmeister高性能泵組所泵送的高強度混凝土量達16.5萬(wàn)立方米，這僅包括用于樓扳的C50混凝土和用于中心塔墻體的C60和C80混凝土。
從混凝土填充料斗開(kāi)始到輸送至606米的高度后排出大約需要40分鐘的時(shí)間。管道（550米高度以下為DN150，以上為DN125）內在這個(gè)安裝高度的混凝土體積為11 m3。這相當于每個(gè)活塞沖程后，當S閥換向時(shí)，Putzmeister混凝土泵將承受超過(guò)26噸的重量。
