泵送混凝土,攀升新高度

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)Burj Dubai Tower 作者:Bryan Orchard

  2008年4月,一项新的泵送混凝土高度的世界纪录在迪拜的Burj Dubai Tower(简称:迪拜塔)被打破,目前的最大高度为606米。Bryan Orchard讲述了具备同级性能的高压蠕动泵和活塞泵背后的技术层面问题以及它们在新一代高层建筑项目上所起到的作用。

  601米的泵送高度还是在2007年11月时由普茨迈斯特(Putzmeister)所创造的,当时这台型号为14000 SHP D超高压混凝土泵由Unimix公司运行,用于迪拜塔的建造。然而,这项纪录并没有维持太长时间,601米的高度就在2008年4月被同一家公司采用同一台泵刷新至606米。

  不久之前,高层建筑建造时还使用吊车吊运桶装混凝土的方式。虽然现在看来这并不是最高效的方法,但在当时是可取也是成功的。然而,世界正在进入一个全新的高层建筑时代,位于迪拜的160层的迪拜塔使700米成为了一个新的基准(图1)。这一革命性的高度给混凝土泵厂商带来了有利影响,他们纷纷努力打破技术壁垒。

图1. 160层的迪拜塔高达700米

图1. 160层的迪拜塔高达700米

  整个中东和海湾地区的高层地产项目将层出不穷。据报导,单单沙特阿拉伯一个国家2008年第一季度计划建造的高层建筑就有22项。很清楚其中的既得利益,Saudi Readymix公司正在着手开发特殊的高强度高层建筑用混凝土预混料,并采用先进的泵送技术来达到该国前所未闻的高度。

  Saudi Readymix公司的市场和业务发展总监Fadi Mujahed谈到 :“正在进行中的项目包括20-30座高层建筑,我们期望诸如此类的项目在接下来的几年内无论在数量和规模上都有所增加。” 鉴于Unimix和Putzmeister在迪拜塔项目上的成功合作经验,Saudi Readymix最近又从Putzmeister采购了4台全新的BSA 14000 HP-D型固定式混凝土泵。

  Saudi Readymix专门成立了混凝土泵送部门,在年初还就该专题举办了几次研讨会,德国的两家泵业制造商Schwing和Putzmeister在会上介绍了相关论文。

混凝土的泵送

  Putzmeister混凝土泵公司认为,有必要分清泵的工作状态(启动、泵送、正常的输送、清空和清洁管路,故障等)以及混凝土运行状态的区别。混凝土泵的类型:活塞泵或蠕动泵和活塞泵中使用的阀门对泵内新拌混凝土的质量和特性不会造成任何影响。

  混凝土只有被从进料斗吸入后,才能被推动通过传送管路,这是通过增加传送空间的容积来实现的,比方说泵传送缸的容积。因此混凝土会填充至传送空间的最佳位置。减小传送空间的容积,混凝土会被推出进入传送管路,取代管路中的混凝土柱。

  通过进一步观察可以发现,吸入动作同样有推进的作用,因此扩大传送空间容积的做法会导致压力低于大气压。混凝土在不超过1 bar的压力下被从进料斗推入传送区,但是只有在传送区与大气间没有连续“空气桥”时才会出现这种情况。

  吸入和填充时的低压需要尽可能低的流体阻力和混凝土形变。料斗的搅拌装置及其几何形状对此有极大的帮助。搅拌器不但能保证混凝土在传送中断期间保持自由流动,而且还能在吸入时以均匀和可控的流速将混凝土推入吸入口。传送区的填充速率对泵效至关重要。

  为了确保最佳的吸入性能,吸入口和传送区的直径应尽量恒定并尽可能开阔。这也是活塞泵和蠕动泵之间最基本的差异。活塞泵通过较大的截面吸入混凝土料在排出时截面变小,输出的大小由缸体容积、每分钟活塞冲程数以及发动机功率决定。而对于蠕动泵,吸入性能与输送压力(最高不超过30 bar左右)和输送性能有关。

  当混凝土被活塞泵压出输送缸进入输送管路后,在通过阀门时将经历从(之前的)大截面到管道直径减小的过程。这会使流速增加,边界层也相应增厚。为了减小相应的输送阻力,要在尽可能长的距离内缩小流道截面积。这种在内部或直接在泵下游减小截面积的做法也可作为测试混凝土可泵送性的一种方法。

  在特定的输出速率下,增加管路的截面会对流速、磨损情况、压力需求以及混凝土在管道中滞留的时间产生直接影响。跟125 mm的输送管道相比,直径为150 mm的管道截面增加了44%,压力可减小约25%,磨损率也相应降低。

  然而,流速降低会导致混凝土在管道中停留的时间延长,因而在研发混凝土特性时就必须考虑到更长的流动时间。假定建筑物高度为580米,对于直径为150 mm的输送管道,混凝土停留的时间约35为分钟,而管路中增加的重得多的混凝土柱将使切断阀的负荷显著增加。

  对于活塞泵来说,每一个泵冲程应尽可能彻底清空输送区。因为如果存在死区,物料会停留在输送区内(主要集中在输送活塞上),起码要在下一次清理泵时才能够得以清除。如果停留在死区的物料结块或固定,很可能会导致密封件以及输送活塞和气缸内壁的损坏。

为迪拜塔打造的系统

  Unimix公司负责迪拜塔项目中混凝土的生产和输送,在其决定采购并安装Putzmeister公司的泵设备和臂架系统(图2)前,需要对合作伙伴的专业技术和可靠性有一定的信任。

图2. 迪拜塔建造现场的Putzmeister泵

图2. 迪拜塔建造现场的Putzmeister泵

  Putzmeister针对迪拜塔项目特别开发了超高压的BSA 14000 SHP-D型混凝土泵,专为极端输送压力打造。之前,Putzmeister已对这些混凝土泵和输送管进行了测试,证实其能够以30 m3/h的速率将混凝土输送至570米的高度。

  Putzmeister开发的BSA 14000 SHP-D型超高压泵的泵架和料斗均经过加强,可以应对巨大的受力。S阀及其轴承也按目标压力作出了调整。为从一开始就避免流体受水或灰尘颗粒的污染,BSA 14000 SHP-D泵还配备了一套非常有效的过滤系统。

  特别值得一提的是,Putzmeister的工程师们改造了液压驱动系统,液压和混凝土压力之间的转换率<1。因此高层混凝土泵的压力可以达到400 bar以上(最大理论值)。在迪拜塔项目中,泵系统的传送压力被限定在这个范围之内。

  在测试阶段,Unimix用两台BSA 14000 SHP-D型超高压泵和一台常规的BSA 14000 HP-D泵在现场搭建了一个泵站。这些设备被放置在距离建筑物约70米的位置,两台超高压泵由一台功率为470 kW的Caterpillar?标准柴油发动机驱动,其他BSA混凝土泵安装的也是这种发动机。

  对Putzmeister的工程师来说,迪拜塔只是他们曾经参与的超高层输送项目之一。其中,传输管路系统的磨损状况、压缩强度,以及混凝土泵系统内管线的走向和安装,使他们面临的一大挑战。Putzmeister已申请了与此相关的多项专利。

高强度混凝土

  出于现场管理的需求,几乎整个传输高度上都安装了内径为150 mm的管道,用以泵送极高强度的混凝土。仅在最上面的10层,为了方便操作,安装了普通的Putzmeister ZX输送管(DN 125)。这套输送管道最高可承压130 bar。

  在最近的泵运行期间,在Putzmeister 14000 SHP D型混凝土泵车上测得的混凝土压力达200 bar,排量为28 m3/h。在32个月的运行时间内,这3台Putzmeister高性能泵组所泵送的高强度混凝土量达16.5万立方米,这仅包括用于楼扳的C50混凝土和用于中心塔墙体的C60和C80混凝土。

  从混凝土填充料斗开始到输送至606米的高度后排出大约需要40分钟的时间。管道(550米高度以下为DN150,以上为DN125)内在这个安装高度的混凝土体积为11 m3。这相当于每个活塞冲程后,当S阀换向时,Putzmeister混凝土泵将承受超过26吨的重量。

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