钢壳沉管自密实混凝土质量控制研究

冷艺 ，曾俊杰 ，吕黄 ， 王胜年 ， 熊建波

（1.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；3.交通运输部水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州 510230；4.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510290）

0 引言

通常情况下，沉管隧道有钢筋混凝土沉管和钢壳混凝土沉管两种基本类型，其中钢壳混凝土沉管在施工便利性、结构规模、承载能力、抗沉降、抗震以及受混凝土开裂影响等方面具有一定优势。钢壳混凝土沉管的施工过程通常包括管节钢壳的制作、混凝土浇筑、管节下水、浮运、沉放安装等，其中混凝土浇筑既可在陆上进行，也可在管节下水后进行[1-2]。在“钢壳-混凝土-钢壳”的“三明治”管节结构中，自密实混凝土填充于管节舱室之中，图1所示为单个舱室示意图。混凝土既要起到填充压载的作用，同时也需要与钢壳形成协同受力作用，保障沉管的在服役荷载下的功能性。因此，在实际施工过程中，混凝土性能及其浇筑质量控制是影响管节制造质量的关键环节之一。

图1 单个管节舱室示意图Fig.1 Sketch of a single tubecabin

从目前的应用情况来看，“三明治”结构的钢壳混凝土沉管应用主要在日本，随着沉管隧道技术的发展和隧道工程建设的不断增多，我国也开始在一些大型海底隧道工程中提出采用钢壳混凝土沉管。然而，目前有关钢壳沉管自密实混凝土相关的技术报道和文献资料较少，由于工程规模、结构形式、材料选型、施工水平等方面的差异，国外工程案例中所提的质量控制技术难以直接用于我国工程，其配制及质量控制方法仍不明确，也为管节预制工作带来了困难。鉴于此，本文在调研国外现有钢壳混凝土沉管隧道中自密实混凝土质量控制指标的基础上，结合自密实混凝土特点和现有自密实混凝土规范情况，对控制指标进行深入分析，进一步通过混凝土配制和实际模型试验，总结了质量控制方法，研究结果旨在为实际工程中钢壳沉管自密实混凝土的配制、生产提供指导。

1 钢壳沉管自密实混凝土质量控制指标

明确自密实混凝土质量控制指标是进行质量控制的前提。具有矩形结构的钢壳混凝土沉管的应用主要在日本，例如日本神户港岛隧道和冲绳空港隧道等，两个工程自密实混凝土质量控制指标如表1所示[3]。从表中可看出，钢壳沉管自密实混凝土的质量控制指标主要包括：设计强度等级、骨料最大尺寸、坍落扩展度、V形漏斗流出时间、含气量、离析率和容重。对比分析发现：两个工程所采用混凝土在强度等级、骨料最大粒径、新拌混凝土坍落扩展度和离析率等方面的指标要求相一致，在V形漏斗流出时间、含气量和容重方面有一定差异，但总体指标要求较为相近，可为我国同类型工程提供一定参考。

本文在借鉴国外钢壳沉管自密实混凝土质量控制指标的同时，也结合自密实混凝土标准规范相关要求进行了综合分析，并兼顾实际施工过程中质量控制的可操作性。在钢壳混凝土沉管服役过程中，填充于钢壳之间的混凝土层受到荷载作用，并与钢壳之间通过剪力键形成协同受力作用。因此，自密实混凝土强度等级应由结构荷载设计决定，具体的强度指标应根据实际工程需要来确定。在骨料控制方面，根据我国以及国外自密实混凝土相关标准规范的规定，钢壳自密实混凝土的骨料最大粒径可确定为20 mm[4-7]。工作性能是钢壳沉管自密实混凝土的关键性能，相关质量控制指标的研究是关系到管节预制质量的关键工作之一。钢壳沉管自密实混凝土的工作性能要求包括流动性、填充性和抗离析性等。根据国外工程经验和相关标准规范规定，混凝土流动性和填充性可采用坍落扩展度和V形漏斗来评价。其中，坍落扩展度指标可按照650 mm依50 mm来控制；为了确保混凝土在舱室内的流动速度，保障浇筑效率，适当降低混凝土在现场等待时间，V形漏斗流出时间可按5~15 s进行控制。在抗离析性方面，L形仪和V形漏斗相对拌合物稳定性跳桌试验、筛析试验法等更具有现场可操作性和时效性，且还可以兼顾评价混凝土的间隙通过性，因此实际施工中可采用L形仪联合V形漏斗试验来控制混凝土的离析率，并保证拌合物在剪力键与钢壳之间的空隙内填充密实。根据标准规范及钢壳管节构造要求，L形仪测试的具体指标为水平槽和竖向槽内混凝土拌合物的高度比H2/H1，指标要求为H2/H1不低于0.8[4]。

在钢壳沉管自密实混凝土含气量和容重控制方面，日本工程含气量指标要求分别为低于5%和4%，相对应的容重要求为2 300耀2 350 kg/m3和2 300耀2 400 kg/m3。我国有自密实混凝土规范中规定混凝土含气量宜为1.5%~4%，考虑到近年来我国沉管隧道工程规模不断扩大，实际施工过程中长距离泵送可能会提高混凝土含气量，因此含气量指标初步设定为低于5%，相应的容重控制指标为2 300耀2 400 kg/m3。综合国外已有工程技术调研、自密实混凝土相关标准规范及施工过程中的实际需求，初步确定钢壳沉管自密实混凝土的质量控制指标，包括：骨料最大粒径、坍落扩展度、V形漏斗流出时间、L形仪H2/H1、含气量和容重，具体指标要求见表2所示，后续结合混凝土配制和模型试验对指标进行验证优化。

表2 钢壳沉管自密实混凝土初步质量控制指标及配制性能Table2 Initial quality control indexesand prepared performanceof SCC

2 钢壳沉管自密实混凝土配制

针对所提出的质量控制指标，开展了系列相应的自密实混凝土室内配制研究。试验用水泥为P.II 42.5硅酸盐水泥；矿物掺合料包括S95级矿渣粉和I级粉煤灰；细骨料为细度模数2.7的天然河砂；粗骨料为5~10 mm和10~20 mm两级配反击破碎石，大小石质量比为7颐3；减水剂为专属聚羧酸系高效减水剂。通过开展不同胶凝材料用量、不同砂率、不同胶凝材料组成、不同水胶比等系列对比试验，确定了钢壳沉管自密实混凝土的配合比关键参数要求，主要包括：胶凝材料用量在 520~550 kg/m3，砂率 50%~52%，水胶比0.32~0.34，矿物掺合料为大掺量粉煤灰和小掺量矿渣粉复掺[8]。本研究最终选择的室内配制试验所采用的配合比如表3所示，其中外加剂的用量是通过控制混凝土拌合物坍落扩展度在650 mm依50 mm来确定。

表3 钢壳沉管自密实混凝土配合比Table3 Mix proportion of the SCC

采用表3所示的配合比，在室内进行钢壳自密实混凝土搅拌，搅拌完成后，测试拌合物的坍落扩展度，针对坍落扩展度满足要求的混凝土，分别进行容重、含气量、V形漏斗、L形仪等测试，图2所示为坍落扩展度和L形仪测试情况。从坍落扩展度测试来看，所配制的钢壳沉管自密实混凝土可依靠自身流动性自动流平，混凝土总体质量均匀，未见骨料与浆体明显分离，中部未发生明显的骨料集中情况，混凝土周围也未发生泌浆情况。从L形仪测试过程来看，混凝土拌合物能顺利通过间距为40 mm的钢筋，测试过程中钢筋处未出现粗骨料拥堵现象，混凝土整体自动流平。

图2 钢壳自密实混凝土坍落扩展度和L形仪测试Fig.2 Tests of slump-flow and L-channel for SCC

针对本文所提的钢壳沉管自密实混凝土质量控制指标，所配制的混凝土性能情况如表2所示。该结果显示，采用上述材料组成，所配制的自密实混凝土拌合物可较好地满足表2提出的指标要求，混凝土具有良好的流动性、填充性和抗离析性，且混凝土28 d抗压强度达到C50等级。室内混凝土试配过程中发现，采用L形仪可以较好地控制自密实混凝土的抗离析性。在0.32~0.34较低水胶比下，需要合理选择水胶比，同时优化外加剂组成，通过L形仪和V形漏斗测试来兼顾拌合物的抗离析性和流动性。

3 钢壳沉管自密实混凝土质量控制模型试验研究

模型试验采用的配合比如表3所示，浇筑方式采用泵送浇筑。混凝土浇筑前，采用所提出的质量控制指标对混凝土拌合物性能进行了检测，检测结果如表4所示。

表4 模型试验中钢壳沉管自密实混凝土性能测试结果Table 4 Performance test resultsof SCC during the model experiment

从模型试验过程来看，采用表2所示的指标要求对混凝土进行质量控制时，各检测可操作性强，检测过程流畅，钢壳混凝土管节预制效率可得到有效保障。从检测结果来看，当混凝土坍落扩展度在600~700 mm时，其他指标均满足本文所提出的质量控制要求。与室内试配结果相比，实际生产过程中自密实混凝土V形漏斗流出时间相对缩短，主要集中在7~12 s。出现该现象的主要原因可能包括三个方面：实际生产所采用的砂、石含水率较高，混凝土搅拌过程中骨料对外加剂的吸附较少，外加剂的作用效果较室内试验更优；模型试验混凝土实际搅拌效率更高，拌合物的匀质性和流动性更佳；经泵送后混凝土含气量有一定程度提高，混凝土颗粒之间的摩擦减小，混凝土流速增加[9]。虽然自密实混凝土经泵送后，其含气量有一定上升，但总体仍低于5%，且只有个别测试结果超过4%，表明实际生产过程中，泵送后的混凝土含气量可以得到较好控制，相应的含气量控制指标可调整为不超过4%。

钢壳混凝土管节的浇筑质量除了与混凝土性能相关外，还与浇筑工艺密切相关，尤其是结构内部密实性以及混凝土与顶部钢板的接触状态等。为了尽量减小混凝土流动距离，便于浇筑过程中空气排出，在每个舱室顶板中央设置了浇筑孔，在顶板周围设计8个排气孔，具体如图1所示。浇筑孔和排气孔分别连接下料管和排气管，连接泵管的串筒通过下料管进入舱室内，浇筑过程中尽量降低串筒底端与混凝土表面的距离。为了确保混凝土填充密实和气体排出，浇筑速度控制在30 m3/h以内，且当浇筑接近顶部时，适当降低浇筑速度，使空气充分排出。浇筑结束时，保证下料管混凝土液面高出舱室顶板，混凝土从各排气管中流出。

在模型试验完成后的28 d龄期时，揭开模型顶板，观察舱室的填充情况，测试顶板混凝土表面气泡的深度。分别对2个不同舱室进行混凝土取芯，取芯直径为100 mm，取芯深度为1.5 m，将每条芯样沿深度方向从上至下切割成9个尺寸为准100 mm伊100 mm的圆柱体试件，测试不同深度芯样的抗压强度，以此评价混凝土的浇筑质量。图3所示为切开模型顶部钢板后自密实混凝土的外观情况，从图中可看出，舱室内混凝土顶部与顶板接触良好，钢板与混凝土整体没有出现明显的脱离现象，仅有一些表面气泡存在。经过气泡深度检测并统计后，模型试验中的混凝土顶部气泡深度小于5 mm，该结果表明，所生产的钢壳沉管自密实混凝土具有良好流动性和填充性，在模型舱室中形成了密实结构体。

图3 管节舱室顶板混凝土外观Fig.3 Appearance of thetop concrete in tube cabin

图4 所示为模型混凝土同一取芯位置的上、中、下不同深度处芯样外观，从不同舱室所取的自密实混凝土芯样来看，硬化混凝土中含有少量小尺寸气孔，但未见明显的不密实或其他缺陷。混凝土粗骨料分布较为均匀，顶部芯样没有出现明显的富浆现象，底部芯样也未出现明显的骨料富集现象。表5所示为1号和2号舱室所取芯样不同深度处混凝土试件抗压强度测试结果，从该结果来看，不同深度处芯样抗压强度值保持了一定程度的均匀性，没有出现明显的沿深度方向的趋势性分布。综合模型试验顶板处混凝土外观情况、芯样外观观察和抗压强度测试结果可知，模型试验所浇筑的钢壳沉管自密实混凝土具有良好的流动性、填充性和抗离析性，这也表明采用本文提出的质量控制指标及相应的质量控制方法，可实现实际生产过程中钢壳沉管自密实混凝土质量有效控制。

图4 混凝土芯样外观Fig.4 Appearance of concrete core sample

表5 模型混凝土不同深度芯样抗压强度测试结果Table 5 Test resultsof compressive strength of model concretewith different depth core samples MPa

4 结语

本文围绕钢壳沉管自密实混凝土的质量控制问题，通过系统的调研和试验研究，取得的主要结论如下：

1）采用新拌混凝土坍落扩展度在650 mm依50 mm、V形漏斗流出时间在5~15 s、L形仪测试H2/H1逸0.8、混凝土容重在 2 300~2 400 kg/m3、含气量臆4%、骨料最大粒径不超过20 mm等质量控制指标，可实现钢壳沉管自密实混凝土流动性、填充性和抗离析性的有效控制。

2）当混凝土满足上述指标时，采用合理的排气设计和浇筑工艺，可保证自密实混凝土在钢壳管节舱室内自动填充并形成密实结构，混凝土匀质性良好，强度达C50，顶板最大脱空距离小于5 mm。