摘要：世界上最高的建筑——828米高的哈利法塔迪拜的建筑——为工程设计树立了新的标杆超高层建筑。特别是，它大大提高了标准用于高性能混凝土结构，具有钢筋混凝土核心和机翼延伸近600米地面以上。本文描述了极端该项目克服了混凝土浇筑的挑战，包括成功泵送...
世界上最高的建筑——828米高的哈利法塔迪拜的建筑——为工程设计树立了新的标杆超高层建筑。特别是，它大大提高了标准用于高性能混凝土结构，具有钢筋混凝土核心和机翼延伸近600米地面以上。本文描述了极端该项目克服了混凝土浇筑的挑战，包括成功泵送和浇筑高性能混凝土前所未有的高度以及防止过度开裂在炎热干旱的条件下收缩。实用的建议是为未来项目提供。
位于迪拜的828米高的哈利法塔（原名迪拜塔），阿拉伯联合酋长国于2010年1月建成世界最高建筑。它的Y形、586米高的钢筋混凝土核心也代表了高性能混凝土的一个阶段性变化结构（图1）。
图1:828米高的哈利法塔占据了迪拜的天际线，是迄今为止世界上最高的建筑——第一座586米高的建筑是用高性能钢筋混凝土建造的
该项目是世界超高层建筑需求增长的最新和最大的体现。根据高层建筑和城市人居委员会（CTBUH，2010），2010年1月有82座300米或以上的建筑在建，其中绝大多数主要是用钢筋混凝土建造的。
1泵送高性能混凝土
目前，至少有四座1000米左右的建筑处于详细方案阶段，其他建筑的图纸高度为1400-1600米。高性能混凝土是超高层建筑在结构和经济上生存能力的重要组成部分。
高模量混凝土提供的刚度在限制移动方面具有显著优势，并且高强度对于减少垂直构件的横截面是必要的。
此外，高性能混凝土的可泵性和高早期强度，加上钢筋笼的预制以及滑模和爬模技术的进步，意味着大型复杂的钢筋混凝土结构可以以每周两到三层的速度建造。
因此，设计合理的钢筋混凝土在施工速度方面与结构钢相比，具有更大的竞争力，高性能混凝土的耐久性也有助于确保在高温、化学侵蚀性环境中达到所需的使用寿命。然而，这种混凝土在塑性和早期硬化阶段比传统混凝土更敏感，特别是在恶劣的干燥环境中。
本文讨论了在哈利法塔上使用高性能混凝土时遇到的问题以及如何克服这些问题。
泵送高性能混凝土钢筋混凝土结构对超高层建筑的适用性完全取决于泵送能力，如果大量材料需要用起重机放置，则材料可能不可行，这不仅会限制浇筑率，而且会大大延误其他工程。然而，尽管文献中包含了大量关于高性能混凝土许多特性的信息，但是关于泵送的信息却很少。
最初计划在哈利法塔进行分阶段抽水，这将涉及一系列单独的问题和可能的延误。然而，在混合料开发、程序修改、压力监测以及Putzmeister 14000 SHP-D等强大泵的出现之后，在2007年11月的堆芯墙浇筑的最后一部分期间，达到了601 m的世界纪录泵送高度（图2）。之前的记录是2003年在台湾101塔的448米。
图2.2007年11月8日，混凝土泵送高度达到601米，创世界纪录
人们还认为，在586 m混凝土芯上方泵送相对少量的C50混凝土用于金属桥面板组合板，而不是使用起重机是经济的，在 2008 年 4 月的记录中又增加了 5 m。对于 48 m³ 的板坯，使用 3 m³ 跳车，运输时间为 30 分钟，最大铸造速率为 12 立方米/小时，需要两台起重机全职工作 4 小时。 对于泵送，管道中的时间在这个高度大约为 30 分钟，但此后导致相对不间断的浇铸速率为 20 立方米/小时或更高。 在清洁管道期间排出的 11 立方米混凝土用于其他应用。
混合比例在中东设计可泵送混凝土的挑战之一是在两者中使用粗骨料和细骨料。 该地区使用两种主要类型的骨料：
辉长岩和优质石灰石，主要来自阿联酋和阿曼，尽管海湾地区细骨料的质量差异很大。 粗骨料的磨损特性是泵送的一个重要考虑因素：管道的磨损率是一个重要的成本考虑因素，特别是在高压下。 使用高磨损辉长岩时，管道的使用寿命可低至 10 000 m³。 对于哈利法塔，大约 40 000 m³ 包含白云质石灰石的适当设计的混合物通过中央管道泵送，仅进行了少量的局部更换。
混合物配比的另一个重要考虑因素是管道直径和最大骨料尺寸。哈利法塔使用了 150 毫米的管道，这使得 20 毫米的最大骨料尺寸可以使用到 100 级 (346 m)。使用较大直径的管道进行高压泵送存在重量、成本和混凝土体积方面的问题。因此，在许多应用中，使用具有较小最大骨料尺寸的较小直径管道可能更实用。
如今，在高性能混凝土中倾向于使用高比例的细骨料，特别是当它的坍落度超过 500 毫米时。然而，即使具有更高的细粉，这些混凝土也被发现具有低收缩和蠕变特性。在阿联酋，细沙（<600mm）也用于增加混合物的细粒部分和提高混合物的内聚力，而在其他地区，如卡塔尔——沙丘中含有大量石膏——粘度改性外加剂可用于提高内聚力和抗离析性。
在哈利法塔的案例中，塔式混合料的细骨料百分比约为 50%，使用 13-20% 的粉煤灰和 5-10% 的硅粉替代水平。巴斯夫为该项目开发了一种特殊改性的超塑化剂，以通过早期强度发展实现更好的和易性保持。指示性混合物比例由 Aldred 给出。
2泵送试验
混凝土泵送试验在哈利法塔建造之前使用 Putzmeister BSA 14000 HP-D 固定泵进行，最大液压为 310 巴。 600 m 长的高压 ZX 125 输送管水平铺设传感器测量泵通过 250、450 和 600 m 距离后的混凝土压力（图 3）。
图3：在现场附近的地面上铺设了一根直径为600 m、125 mm的混凝土输送管，配有传感器，以帮助评估管道摩擦产生的压力
管道在阳光直射下，但在一年中较凉爽的月份中。测试了五种不同的混凝土混合物，并在泵送前后测量了新拌和硬化混凝土的性能。该程序提供了有用的数据，表明单级泵送是可能的，并突出了某些减少施工期间可能发生的堵塞的实际问题。然而，许多参数发生了变化，这意味着为泵送试验计算的摩擦系数与原位泵送不同。
水平试验的替代程序是在料斗、管道水平段的末端和不同高度使用原位压力传感器，以原位建立摩擦系数。该程序的局限性在于不允许堵塞管道，这往往会抑制推动极限。泵的适当定位和现场内外混凝土卡车流量的规划将有助于确保泵送的顺利运行。
发生堵塞时清理管道所需的设备和工具应保存在排放点附近的锁定区域，以便泵送团队在需要时立即采取行动。应与混凝土供应商、泵操作员、承包商主管和顾问代表举行研讨会，必要时配备翻译，以便各方了解程序和他们的角色。这应该定期重复：在超高塔上泵送混凝土的问题是难度一直在增加，但团队可能会变得无聊。
泵送对混凝土性能的影响中东的混凝土在泵送过程中可能会由于温度影响和延迟而堵塞。如果可行，所有混凝土泵送，尤其是在夏季，都应在夜间进行。配料厂应尽可能靠近项目，以减少运输时间和供应中断——最好是现场工厂。
应仔细考虑允许的最大混凝土浇筑温度。为了使高性能混凝土达到 32°C 的常见极限，并且根据细骨料的含水量，在夏季，当遮荫温度可能超过 50°C 时，添加的含水量几乎完全由片冰组成。整个夏季流变学和混凝土温度的有限变化将有助于最大程度地减少泵送问题。中东的配料厂通常使用盘式搅拌机或类似设备，其中的成分在排放到卡车中之前已经很好地固定。
在大量更换水平下，大部分片冰需要在排放前融化以润滑混合物。监测工厂中的电流表可以很好地指示锅中混凝土的和易性，并且应定期在工厂和现场测量和易性，以确认在泵送前完全熔化。如果配料厂没有制冰设施，另一种方法是使用大量粉煤灰混合物来限制水化热。这是为科威特 412 m 的 Al Hamra 塔的 4 m 厚的筏子完成的，浇铸计划于 8 月进行，并且指定的峰值温度为 71°C，并且配料厂没有制冰厂。
在哈利法塔项目的不同高度，使用 Icar 流变仪测试混凝土的流变特性，以及泵送前后的温度。取样包括 C80-20、C80-14 和 C60-14 混凝土。结果存在一些差异，但泵送至海拔 350 m 至 580 m 的平均影响是温度升高 2-3°C，坍落度流量降低 10%。粗略地发现泵送可使混凝土的塑性粘度减半，并使动态屈服应力加倍。结果似乎与泵送期间温度升高有关。泵送后显着降低的塑性粘度会降低混凝土的抗离析性，应在配合比设计和决定浇筑程序时加以考虑。另一方面，泵送将显着增加早期抗压强度。
泵送后更大的强度加上典型结构元件内的大量混凝土意味着原位抗压强度可以大大超过柔顺立方体/圆柱体试样的强度，特别是如果在泵送前进行。如果需要要求早期强度目标，应使用适当的方法评估原位成熟度，以避免可能对混合物进行不必要的修改，例如诱导延迟，这可能会影响泵送性。虽然在排放点进行加注会更能代表实际结构中的混凝土，但它会造成严重的后勤和安全问题，尤其是在受限爬升形式上。在哈利法塔，在现场实验室采集样本，通过泵送混凝土后对泵送效果进行定期评估。
实际泵送应用在哈利法塔，有三台固定式混凝土泵平行放置在塔附近的一楼楼板上：两台Putzmeister BSA14000 SHP Ds，最大液压为360巴（相当于混凝土压力高达240巴），一台Putzmeister BSA14000 HP-D，最大液压为310巴（图4）。
图4:Burj Khalifa塔的混凝土总量为165000 m3，由位于一楼的三台Putzmeister泵输送，容量高达240 bar
这些泵被连接到直径150毫米的高压管道上，这些高压管道连接着三个机翼和中央核心，所有混凝土都有单独的输送管道。这种配置意味着混凝土可以同时浇筑在三个单独的位置上。三个翼上各有一个28米的独立式Putzmeister浇筑吊杆，而中心堆芯则使用一个32米的更大浇筑吊杆（图5）。
图5:MX32 Putzmeister混凝土浇筑吊杆位于岩芯上，其操作人员在此处看到，吊杆长度为32m，安装在连接至Doka攀爬模板的20m高钢柱上
吊杆固定在Doka爬模系统上，并随模板一起升起。输送管道与模板下几层的异径管相连，与直径为125 mm的吊杆相连。泵送压力随高程增加的总趋势以及不同混凝土类型的影响如图6所示。101层的核心墙混凝土从C80-20变为C80-14，泵压明显降低。
图6.显示泵送压力如何随高度增加至200巴左右的图表-以及因346米以上骨料从20毫米变为14毫米而减少的图表
与C80-14相比，C60-14混合料增加的水灰比似乎略微降低了泵送压力。如果发生堵塞，泵送高性能混凝土的所有潜在好处都可能丧失，因此，防止堵塞必须是一个重要的考虑因素。堵塞可能是由湿泥浆打底、过度延迟和，外加剂不充分和不相容。在现场测量新拌混凝土的性能可作为泵送前交付混凝土适用性的有用指南。应在工厂和现场测试温度、坍落度流和坍落度流后离析的目视检查。
好的做法是测量前三辆卡车，然后定期测量。在哈利法塔，每五层就要对核心混凝土的详细的流变学特性进行评估。由于中东部可能出现极端的环境温度，设置造成的堵塞是一个特别值得关注的问题。在超高结构上，在尝试将“旧”混凝土推过之前，需要充分了解管道中的大量体积以及混凝土到达排放点的时间。
“安全总比遗憾好”这句古老的格言尤其适用于发生问题或管道中的混凝土在配料后超过约定时间的情况下撤离管道。混凝土质量控制中东地区的混凝土技术在许多方面都取得了重大进步，强度大幅度提高，然而，该地区的一个严重限制是缺乏系统的质量控制。立方体样本的高测试错误以及合规性数据的不可靠报告常常加剧了这种情况。
生产标准偏差大于7兆帕是常见的，基于28天的配对差异，3兆帕或更多的内部标准偏差也是常见的。误差的主要来源是立方体模具的质量、取样、固化和测试。抗压强度或其他硬化性能的样品应在适当控制的测试设施中采集。试图在卸货时取样会导致不良或不存在的初始固化和运输过程中的早期机械损伤。
合规数据通常用于质量保证，但不能及时影响生产，这导致了混凝土混合料的过度设计。除了降低经济性外，抗压强度的可变性阻碍了混合料比例的潜在可变性，这也可能影响流变性和可泵性。由于产量和试验可变性较大，因此谨慎地采用现场试验方案来确认设计假设。
3铺设和修整
中东部地区的高性能混凝土通常设计为高和易性，在世界许多地区被认为是自密实混凝土。然而，通常使用与传统混凝土相同的技术进行浇筑和振捣，这可能导致离析。高和易性、高性能混凝土应允许从排放点流出，并在任何有限振捣前停止移动（图7）。
图7.夜间在心墙中浇筑高和易性混凝土-浇筑点之间吊杆的最小移动有助于避免堵塞
对于垂直构件，可将小型移动式下料管放置在近似的流动距离处，以减少放置吊杆或泵出口的时间。这种对施工实践的修改对超高结构非常有帮助，使承包商能够使混凝土泵送保持恒定，从而避免由于浇筑包含静态混凝土的吊杆过度连接而造成的堵塞，特别是在天气炎热时。浇筑臂中的任何堵塞物都很难清除，更换管道的费用也很高。在泵附近安装减速器是一种很好的预防措施，因此任何具有高分离潜力的混凝土都会堵塞在该位置，而不是管道中的其他位置。
这不一定能防止湿泥浆造成的堵塞，也不一定能阻止泵送过程中的粘度下降，但是，这是一个很好的预防措施，以防止被淘汰混凝土的变异性。中东地区的高性能混凝土通常含有5-10%的硅灰，具有高胶结物含量，并且在恶劣的干燥条件下有迅速形成“表皮”的趋势。皮肤可以限制铸层的熔化，但是可以通过使用蒸发缓凝剂和其他减少蒸发的方法来减少混凝土表面的水分。
自密实混凝土的触变性也可以导致材料的分层浇筑。这种情况的第一个后果通常是仅可见的，但机械强度降低了40%以上Coussot和Roussel（2006）也报道了这一点。Roussel和Cussigh（2008）也显示了在铸造下一层之间的临界延迟后强度的无损伤降低。
这在浇铸自密实混凝土椽或其他构件时可能是一个特别的问题，在这些构件中，层与层之间的延迟可能很大，并且不会进行振捣。高性能混凝土通常具有可忽略的泌水性，并且具有很强的粘结性。因此，饰面工程需要进行操作，以形成材料的手感。试用应尽早进行，以使修整工熟悉混凝土的性能，并确定可接受的表面处理。蒸发缓凝剂通过在上层保持水分来帮助修整，以消除修整过程中混凝土上的洒水，从而降低表面质量。
4早期保护和养护
高性能混凝土的低泌水特性和中东地区强烈的干燥条件使混凝土特别不易发生塑性收缩开裂。在较温暖的月份，高性能混凝土的浇筑温度通常低于环境温度，并且水分会在新浇混凝土表面凝结。
然而，当表面加热到环境温度后，如果不采取适当措施限制蒸发，塑性裂纹的形成会迅速而剧烈。蒸发缓凝剂是减少塑性收缩裂纹的一种非常实用且廉价的方法。防风林和遮阳帘也很有用。有效的雾化是最好的方法，因为它实际上可以保持混凝土表面的高湿度层，尽管防风林可能是必要的，以限制混凝土上方的空气。
对于平整工程，应避免在炎热的天气进行混凝土浇筑和修整，并计划浇筑，以便最迟在上午10点之前进行养护。ACI305-99是指蒸发损失率超过出血率（即发生塑性开裂时）约为1·0（kg/m2）/h（NRMCA，1960）。然而，美国的一些机构要求推迟高性能混凝土桥面铺装层的浇筑，直到蒸发率小于0·25或0·50（kg/m2）/h（VDT，2002；Hover，2006）。
如果塑性裂缝确实出现，则应在混凝土未达到初凝状态时振动相关裂缝。通过抹平来封闭塑性裂缝的尝试通常只会覆盖裂缝，这可能会影响结构性能并为氯化物进入钢筋提供通道。高性能混凝土的最佳养护方式是积水。
这提供了水来代替水化过程中使用的水，改善了混凝土的性能，有助于减少早期的自收缩。蒸发潜热有助于释放混凝土水化热，从而显著降低峰值温度，特别是在含有粉煤灰、矿渣和天然火山灰的混凝土中。
使用聚乙烯或湿麻布有助于保持水与混凝土表面接触，但不允许表面蒸发热损失。积水最适合加厚层。早期自收缩在含有高炉渣置换水平的高性能混凝土中尤其显著（Aldred和Lim，2004）。
即使是有限时间的水固化后，立即完成可以提供显着减少自收缩。然而，立即使用养护膜可能会通过堵塞孔隙增加早期自生收缩，从而在混凝土中产生更大的拉伸应力。
在难以进行长时间水养护的应用中，在使用养护膜前的第一天左右进行液态水养护仍有相当大的好处。对于垂直表面，使用可控渗透性模板衬垫是提高混凝土表面密度和外观的一种好技术。衬垫中聚集的水也会被吸入水化混凝土中，为垂直表面提供良好的早期养护——传统上最难有效养护。或者，模板应尽可能长时间保持在原位。
在哈利法塔，模板可在12小时内缩回，使用了喷涂养护剂。由于广泛使用热膨胀系数较低的破碎石灰石骨料和相对温暖的气候，中东很少需要在模板上使用隔热材料来控制内部热约束开裂。
5结论
高性能混凝土为开发商、顾问和承包商在中东部和世界其他地方建造和规划的数百个超高层建筑提供了巨大的好处。这种材料的高强度和高模量意味着超高层建筑可以有更多细长的垂直构件。
此外，正如迪拜哈利法塔项目所证明的那样，单级泵送至600m以上是可行的，再加上早期的高强度，使得快速的循环时间能够满足今天的施工进度要求。
但是，在配合比设计、浇筑，保护和养护对于减少泵堵塞、分离和，自生收缩和开裂。哈利法塔以可观的优势打破了所有先前的世界建筑记录，需要各方付出巨大的努力来克服其许多建筑挑战——尤其是在使用高性能混凝土方面（图8）。
图8.哈利法塔为钢筋混凝土施工制定了新标准，但在未来的项目中没有自满的余地
在建造世界上最高层建筑的过程中，伯克哈利法的经验教训不容忽视。致谢作者要感谢埃马尔，哈利法塔项目的开发商，允许提交本文，以及来自承包商三星合资公司、混凝土供应商Unimix和混凝土泵供应商Putzmeister的技术人员的帮助。
本文根据外文翻译。
