多功能C120超高性能混凝土在

广州东塔项目中超高泵送510米的研发与应用

覃善总1，冯东亮2，辛福光3

（1，广州市天达混凝土有限公司，广东广州510000；2，三一重工集团有限公司，湖南长沙410000；3，广州市散装水泥管理办公室，广东广州510000）

摘要：为适应超高层混凝土施工技术发展的需要，针对广州东塔工程建设项目面临的问题，广州市天达混凝土公司成功研制出具有“三高、两低、两自”（高强、高保塑、高耐久、低收缩、低水化热、自密实、自养护）绿色混凝土——多功能C120超高性能混凝土(UHPC)；采用三一重工集团提供的性能稳定优越的泵送设备与相应的技术措施，顺利将多功能C120超高性能混凝土泵送至510米的新高度，实现了混凝土配制技术与施工技术的新突破，刷新了建筑行业的世界新纪录。

关键词：多功能(C120)超高性能混凝土(UHPC)；“三高、两低、两自”绿色混凝土；广州东塔；超高泵送510米；研发与应用；世界新纪录

0 前言：

广州东塔位于珠江新城，与已建成的西塔、广州塔构成等腰三角形，是广州新城市中轴线上地标性建筑的压轴之作。广州东塔建筑高度530米，占地约2.6万平方米，总建筑面积约50万平方米，共116层，其中地上111层，地下5层。作为超高层建筑，广州东塔的结构设计采用8根巨型框架柱加6道加强环桁架及双层剪力墙的设计方案。

东塔工程建设面临很多新的问题，归纳起来主要有两个方面：一是超高层混凝土施工养护困难，常规人工养护、捣震成本高，且存在安全风险；混凝土强度等级高，容易产生开裂；同时该工程要求安全使用100年，对混凝土耐久性能要求更高；超高泵送对混凝土的工作性能要求更高。故提出“三高、两低、两自”（高强度、高塑性、高耐久性、低水化热、低收缩、自密实、自养护）绿色混凝土——多功能C120超高性能混凝土（UHPC）的研发；二是混凝土超高泵送至工程作业面，需要避免发生爆管、堵管等问题延误工期，尽可能减少混凝土的浪费。

1 多功能C120超高性能混凝土的研发

针对存在的问题，我们提出进行多功能超高性能混凝土的研发，以满足工程的需要。从解决混凝土的强度、收缩、水化热、保塑和耐久性等方面入手，系统进行混凝土性能研究，通过试验测定混凝土的早期收缩、自收缩，混凝土的水化热温升，混凝土的耐久性等性能参数；实际比对混凝土的自养护与湿养护的效果；通过生产验证，以确定新拌混凝土配合比，经第三方检测其实际性能，从而研发出多功能C120超高性能混凝土。

1.1 原材料的选择

由于混凝土强度等级高，原材料各项性能指标必须满足相关技术规范要求。

1.1.1 水泥（C）

由于水泥是混凝土强度的主要来源，特别是配制高强混凝土时，对水泥质量要求较高，即水化热低、后期强度富余高、与外加剂适应性好。我们选用了广州金羊PII52.5R水泥。

1.1.2 粉煤灰（FA）

优质的粉煤灰是获得高性能混凝土、高耐久性混凝土的主要手段之一。我们选用了福建大唐宁德的优质I级灰。

1.1.3 微珠（MB）

粉状煤粒经高温悬浮燃烧后形成的一种空心球状玻璃体,是粉煤灰的主要组分之一，其性能比普通粉煤灰更加优越。我们选用的是天津生产的微珠。

1.1.4 矿粉（BFS）

通过使用粒化高炉矿渣粉，可有效提高混凝土的抗压强度、降低混凝土的成本，同时对抑制碱骨料反应、降低水化热、减少混凝土结构早期温度裂缝、提高混凝土密实度、提高抗渗和抗侵蚀能力有明显效果。我们选用韶钢S95矿粉。

1.1.5 沸石粉（NZ）

天然沸石粉是一种多孔材料。沸石具有吸附性、离子交换性、催化和耐酸耐热等性能，因此被广泛用作吸附剂。我司选用的是深圳产的沸石粉。

1.1.6 膨胀剂（EHS）

混凝土膨胀剂用来配制膨胀混凝土，包括补偿收缩混凝土和自应力混凝土。我们选用了天津产的硫铝酸盐膨胀剂。

1.1.7 硅粉（SF或Si）

由于硅粉较细，掺入到混凝土当中能极大提高混凝土的密实性，起到增强作用。我们选用的是挪威生产的埃肯牌硅粉。

1.1.8 外加剂

高性能外加剂是获得高性能混凝土的关键技术之一，根据混凝土性能的需要，我们自行研发出高效减水剂（AG）（减水率高达30%以上）及保塑剂（CFA）。

1.1.9 砂（S）

天然砂，中粗砂II区，细度要求在2.7至3.3之间。

1.1.10 碎石（G）

碎石的级配、粒径、粒型是影响混凝土工作性的主要因素之一，同时碎石的硬度（压碎指标）也是能否获得高强混凝土的关键之一。综合考虑以上因素，我司选用惠州产的5-20mm的反击破碎石，其压碎指标在4.5%以下。

1.1.11 水（W） 自来水

1.2 混凝土试验

1.2.1 配比试验

在大量试验中，对比了相同强度等级的普通混凝土、自密实混凝土及多功能超高性能混凝土的各种性能。对比试验混凝土配比如表1-1。

试配1#主要考虑混凝土的水化热及工作性能；

试配2#是在试配1# 的基础上，提高微珠用量，降低沸石粉用量，目的是为了降低混凝土的粘性；

试配3 #在试配2#基础上提高微珠及用水量，也是为了降低混凝土粘性；

试配4#提高了水泥用量，是为了保证混凝土的富余强度；

试配5 #是在试配4 #的基础上，降低了微珠用量，但增加了矿粉及膨胀剂用量，目的是为了确保混凝土的强度的同时，降低混凝土的早期收缩及自收缩。

1.2.3 试验分析

1） 工作性方面

通过试验可知，各组试配的工作性都较好，坍落度、扩展度都比较理想，但相对而言，试配1#由于沸石粉掺量较其它大，粘性较大，3小时后扩展度较其它试配要小，其流动性较差。工作性较好的有试配2#、4#、5#。

2） 收缩方面

虽然配方用胶凝材料较大，但都掺有硫铝酸盐膨胀剂，各试配的的早期收缩都较小，甚至还有少许膨胀，早期基本上没有收缩，且后期收缩率都控制在5/万以内，从收缩效果看，试配1#、4#、5#较理想。

3） 水化热方面

虽然混凝土胶凝材料较多，但由于掺入大量的掺合料缘故，混凝土的总体水化热不高，而且掺入了保塑剂等缓凝高效减水剂，其水化热均滞后，基本上在24小时左右才开始水化，而且温度都在75℃以内。其中试配4#、5#，虽然水泥用量达到600kg/m3，但其水化温升也为74℃。因此，从水化热方面来说，这些配方都是可以接受的。

4) 强度方面

从试配结果可知，由于掺入沸石粉自养护剂，混凝土的自养护强度都高于标准养护强度，同时由于掺入大量的掺合料，混凝土的后期强度都有较大幅度的增长，但由于试配1#、2#、3#水泥用量相对较小，其28天强度富余不足，因此从强度方面考虑，只有试配4#、5#能满足设计要求。

综合以上考虑，试配4#、5#能满足各项性能指标要求，但比较混凝土收缩方面，配方5#要优于配方4#。

1.2.4 新拌混凝土配合比

因此，综合以上试验分析，在配方5#的基础上进行适当调整，提高微珠用量，降低矿粉用量，确定多功能C120超高性能混凝土配合比（见表1-6）。

1.2.5 耐久性试验

1） 氯离子扩散系数

对试验的多功能C120超高性能混凝土，56天的电通量≤500库仑/6h；根据实测Cl-扩散系数1.16047×10-8cm2/s。

2） 抗硫酸盐腐蚀

按美国ASTMC1202标准，2.5×2.5×28.5cm的试件，在硫酸盐溶液中浸泡14周，膨胀率≤0.4%，具有很高的抗硫酸盐腐蚀性能。

3） 抑制碱-骨料反应

C120超高性能混凝土中，只有600kg/m3水泥，而微珠、粉煤灰、矿粉及天然沸石粉总量≥250kg/m3，抑制碱骨料反应是完全可行的。

4） 抗裂性能(断裂能)

对硬化混凝土检测断裂能时，多功能C120超高性能混凝土特征长度为61.5cm，远远超过同等级普通混凝土的45cm,说明能有效地提高混凝土的抗裂性能。

1.3 多功能C120超高性能混凝土性能

多功能C120超高性能混凝土配方经多次重复试验，综合性能优越、稳定可靠，检测结果均满足施工性能和标准要求。为了进一步验证本研究该项技术，我们委托清华大学土木工程系建筑材料试验室以及北京建工恒均检测有限公司对该成果进行了第三方验证试验。具体性能数据对比如表1-7、1-8、1-9、1-10、1-11：

通过自检和第三方检验的数据对比，检验结果与我们试验结果基本一致，说明多功能C120超高性能混凝土是成熟可靠的，完全满足工程项目要求。

2 泵送设备的选择

为解决混凝土超高泵送工作的稳定性、连续性，三一重工公司选择了BT90CH-2150D型号混凝土输送泵和45Mn2高性能合金钢的高等级无缝钢管，作为多功能C120超高性能混凝土的施工设备。

2.1 HBT90CH-2150D型号输送泵性能完全能够满足工程项目要求

混凝土输送泵泵送能力的两个关键参数为出口压力与整机功率，出口压力是泵送高度的保证，而整机功率是输送量的保证。

稳定可靠的输送泵泵送与动力强劲的换向系统，保证了输送泵在广州东塔的超高层项目施工中稳定的工作能力。而高强、耐磨眼镜板、切割环、混凝土活塞等易损件技术的研发，保证了泵机持续工作的能力；流畅的增压润滑技术保证了输送泵工作的平稳性，并进一步提高了部分易损件的使用寿命。

2.2 45Mn2高性能合金钢的高等级无缝钢管符合多功能C120超高性能混凝土施工要求

为保证广州东塔超高层项目的泵送施工，三一重工在提供全球最大出口压力的混凝土输送泵外，还专门提供了该输送泵配套使用的45Mn2高性能合金钢的高等级无缝钢混凝土输送管道。

3 多功能C120超高性能混凝土与泵送设备的匹配验证

在实验室研制成功后，我们进行了大机生产试验，主要检验多功能C120超高性能混凝土的流动性，流过钢筋性能；填充性及表面光滑程度；早期收缩；水化热；自养护强度以及与泵送设备的匹配情况。

3.1 生产搅拌：

使用公司正常生产的型号为 的混凝土搅拌机。混凝土生产方量为20m3（2车）。

投料顺序：砂→粉料（除保塑剂外）→搅拌50s后加水和外加剂→搅拌130s后投骨料→搅拌210s后再投入保塑剂→搅拌30s后出机

A、混凝土充分搅拌均匀后即可取样，取样数量为300L。

B、混凝土在搅拌车内3 小时后，现场取样，数量为300L。

3.2 多功能C120超高性能混凝土性能如表3-1示：

由表3-2可见：混凝土早期收缩与试配时收缩基本一致，基本上都没有收缩，而且后期收缩28天也都控制在3/万以内，说明该混凝土有较好的抗收缩，能控制混凝土的自收缩开裂。

3.4 水化热与温升

混凝土初温26℃，浇筑入模后，经20小时开始升温，30小时达到峰值，峰值最高温度73.2℃，与试配水化温升74℃相差不大。

3.5 混凝土的强度

自养护与浇水湿养护强度对比：混凝土脱模后，试件分成两部分，一部用塑料簿膜盖上，不与水接触；另一部分用湿麻袋盖上，早晚浇水养护。不同龄期测其强度对比。

在室外同条件下，自养护与湿养护混凝土的强度如表3-3所示：

3.7 混凝土泵送压力验证

根据东塔泵送至500米高度的实际情况，我们进行泵送模拟试验，混凝土倒筒时间控制在3-10秒，能够较好地满足泵送压力（20~25MPa）保持在合理范围内（泵送量达25~30m3/h）。

研发的多功能C120超高性能混凝土保塑性好、自收缩低、早期收缩低、入模温度低、水化热低和耐久性高 ，强度达到设计要求，性能完全满足东塔工程建设要求。

4 工程应用与施工质量跟踪

在东塔项目中，我们有针对性地研发出多功能C120超高性能混凝土，并在施工过程中，根据进度合理安排车辆，做好混凝土取样和检测工作；落实混凝土泵机工作制度，及时对各项数据进行分析，调整混凝土泵压，于2014年6月24日成功将混凝土泵送至510米高度。

4.1 混凝土浇筑完成后，施工方未采取混凝土进行浇水或覆盖塑料薄膜等养护措施，混凝土直接暴露在空气中，经3个月的观察，整个混凝土未出现任何裂纹、蜂窝、麻面等问题，表面光滑，成型质量好。

4.2 混凝土施工过程中，由于减少混凝土的振捣养护工作，施工方共减少人力成本80人次，也极大地降低了超高层施工风险，达到了混凝土自养护的要求。

4.3 东塔项目，混凝土试块共送检12次，检验结果均满足设计要求。其中，C120混凝土试件强度为134 MPa。

4.4 工程建设中两台HBT90CH-2150D超高压泵，泵送作业累计约1320次，泵送时间超过6500小时，共泵送混凝土20万方。整个过程中，拖泵的工作稳定，实现零爆管、零堵管。

4.5 广州东塔超高层泵送项目超高压直接水洗工艺的使用，提高工作效率，极大地减少浪费。

5 结束语

5.1 多功能C120超高性能混凝土在广州东塔超510米的成功泵送施工，取得重要的成果，不但为今后在超高层建设工程项目混凝土采用“三高、两低、两自”（高强度、高塑性、高耐久性、低水化热、低收缩、自密实、自养护）绿色混凝土——多功能C120UHPC施工技术积累了宝贵的经验。而且刷新了2008年12月底在广州西塔C100HPC超高泵送411米高的世界新纪录[3]与2011年4月深圳京基-100大厦C120超高泵送417米的世界新纪录[3]，2014年6月创造了多功能C120UHPC超高泵送至510米的世界新纪录[3]。

5.2 在高层、超高层混凝土设计中，混凝土应有足够好的工作性，包括流动性、和易性及保水性，其中坍落度控制在230-270mm之间；扩展度控制在680-770mm之间；倒筒时间在10s以内。

5.3 超高强混凝土设计中，为了降低混凝土早期收缩及自收缩，应尽量提高掺合料用量，同时掺入少量膨胀剂，以及适当延长混凝土的凝结时间。

5.4 为了达到自密实、自养护功能，混凝土碎石粒径不宜超过20mm，同时需掺入适量的增稠剂及自养护剂。

5.5 超高层混凝土泵送，需要采取满足超高工作压力的拖泵和具有超高耐磨的输送管，从而保证设备性能满足工程项目施工要求。

5.6 超高层混凝土泵送需要落实“二个控制”措施，合理的管理铺设措施，从而控制管道振动，避免堵管和爆管的发生；合理的洗管工艺措施，控制混凝土泵送效能，极大地节约了混凝土与水资源。

只有各技术和措施有机结合，才能确保工程施工节能、降耗，提高绿色施工水平；才能避免各种严重问题的出现，从而落实工程安全；才能确保工程建设取得不可估量的经济和社会效益。

参考文献

[1] JGJ-T 10-2011《混凝土泵送施工技术规程》

[2] 本文混凝土技术方面引用了冯乃谦、叶浩文、林仲龙的论文“多功能混凝土技术”（2012年10月施工技术主办的混凝土技术交流会）

[3] 柯科杰、李桂青等“广东混凝土外加剂科学技术纪录及大事记”（1955~2018年），《广东混凝土外加剂》2018年第一期。

作者简介：覃善总（1976--）男（汉族），广东广州人，总工，高级工程师，主要从事混凝土技术研发工作。