冷藝 ，曾俊杰 ，呂黃 ， 王勝年 ， 熊建波

（1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.交通運(yùn)輸部水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230；4.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

通常情況下，沉管隧道有鋼筋混凝土沉管和鋼殼混凝土沉管兩種基本類型，其中鋼殼混凝土沉管在施工便利性、結(jié)構(gòu)規(guī)模、承載能力、抗沉降、抗震以及受混凝土開裂影響等方面具有一定優(yōu)勢(shì)。鋼殼混凝土沉管的施工過程通常包括管節(jié)鋼殼的制作、混凝土澆筑、管節(jié)下水、浮運(yùn)、沉放安裝等，其中混凝土澆筑既可在陸上進(jìn)行，也可在管節(jié)下水后進(jìn)行[1-2]。在“鋼殼-混凝土-鋼殼”的“三明治”管節(jié)結(jié)構(gòu)中，自密實(shí)混凝土填充于管節(jié)艙室之中，圖1所示為單個(gè)艙室示意圖?；炷良纫鸬教畛鋲狠d的作用，同時(shí)也需要與鋼殼形成協(xié)同受力作用，保障沉管的在服役荷載下的功能性。因此，在實(shí)際施工過程中，混凝土性能及其澆筑質(zhì)量控制是影響管節(jié)制造質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

圖1 單個(gè)管節(jié)艙室示意圖Fig.1 Sketch of a single tubecabin

從目前的應(yīng)用情況來看，“三明治”結(jié)構(gòu)的鋼殼混凝土沉管應(yīng)用主要在日本，隨著沉管隧道技術(shù)的發(fā)展和隧道工程建設(shè)的不斷增多，我國(guó)也開始在一些大型海底隧道工程中提出采用鋼殼混凝土沉管。然而，目前有關(guān)鋼殼沉管自密實(shí)混凝土相關(guān)的技術(shù)報(bào)道和文獻(xiàn)資料較少，由于工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)形式、材料選型、施工水平等方面的差異，國(guó)外工程案例中所提的質(zhì)量控制技術(shù)難以直接用于我國(guó)工程，其配制及質(zhì)量控制方法仍不明確，也為管節(jié)預(yù)制工作帶來了困難。鑒于此，本文在調(diào)研國(guó)外現(xiàn)有鋼殼混凝土沉管隧道中自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自密實(shí)混凝土特點(diǎn)和現(xiàn)有自密實(shí)混凝土規(guī)范情況，對(duì)控制指標(biāo)進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步通過混凝土配制和實(shí)際模型試驗(yàn)，總結(jié)了質(zhì)量控制方法，研究結(jié)果旨在為實(shí)際工程中鋼殼沉管自密實(shí)混凝土的配制、生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 鋼殼沉管自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)

明確自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)是進(jìn)行質(zhì)量控制的前提。具有矩形結(jié)構(gòu)的鋼殼混凝土沉管的應(yīng)用主要在日本，例如日本神戶港島隧道和沖繩空港隧道等，兩個(gè)工程自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)如表1所示[3]。從表中可看出，鋼殼沉管自密實(shí)混凝土的質(zhì)量控制指標(biāo)主要包括：設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、骨料最大尺寸、坍落擴(kuò)展度、V形漏斗流出時(shí)間、含氣量、離析率和容重。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)工程所采用混凝土在強(qiáng)度等級(jí)、骨料最大粒徑、新拌混凝土坍落擴(kuò)展度和離析率等方面的指標(biāo)要求相一致，在V形漏斗流出時(shí)間、含氣量和容重方面有一定差異，但總體指標(biāo)要求較為相近，可為我國(guó)同類型工程提供一定參考。

本文在借鑒國(guó)外鋼殼沉管自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)的同時(shí)，也結(jié)合自密實(shí)混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行了綜合分析，并兼顧實(shí)際施工過程中質(zhì)量控制的可操作性。在鋼殼混凝土沉管服役過程中，填充于鋼殼之間的混凝土層受到荷載作用，并與鋼殼之間通過剪力鍵形成協(xié)同受力作用。因此，自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)由結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)決定，具體的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要來確定。在骨料控制方面，根據(jù)我國(guó)以及國(guó)外自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，鋼殼自密實(shí)混凝土的骨料最大粒徑可確定為20 mm[4-7]。工作性能是鋼殼沉管自密實(shí)混凝土的關(guān)鍵性能，相關(guān)質(zhì)量控制指標(biāo)的研究是關(guān)系到管節(jié)預(yù)制質(zhì)量的關(guān)鍵工作之一。鋼殼沉管自密實(shí)混凝土的工作性能要求包括流動(dòng)性、填充性和抗離析性等。根據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，混凝土流動(dòng)性和填充性可采用坍落擴(kuò)展度和V形漏斗來評(píng)價(jià)。其中，坍落擴(kuò)展度指標(biāo)可按照650 mm依50 mm來控制；為了確?；炷猎谂撌覂?nèi)的流動(dòng)速度，保障澆筑效率，適當(dāng)降低混凝土在現(xiàn)場(chǎng)等待時(shí)間，V形漏斗流出時(shí)間可按5~15 s進(jìn)行控制。在抗離析性方面，L形儀和V形漏斗相對(duì)拌合物穩(wěn)定性跳桌試驗(yàn)、篩析試驗(yàn)法等更具有現(xiàn)場(chǎng)可操作性和時(shí)效性，且還可以兼顧評(píng)價(jià)混凝土的間隙通過性，因此實(shí)際施工中可采用L形儀聯(lián)合V形漏斗試驗(yàn)來控制混凝土的離析率，并保證拌合物在剪力鍵與鋼殼之間的空隙內(nèi)填充密實(shí)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及鋼殼管節(jié)構(gòu)造要求，L形儀測(cè)試的具體指標(biāo)為水平槽和豎向槽內(nèi)混凝土拌合物的高度比H2/H1，指標(biāo)要求為H2/H1不低于0.8[4]。

在鋼殼沉管自密實(shí)混凝土含氣量和容重控制方面，日本工程含氣量指標(biāo)要求分別為低于5%和4%，相對(duì)應(yīng)的容重要求為2 300耀2 350 kg/m3和2 300耀2 400 kg/m3。我國(guó)有自密實(shí)混凝土規(guī)范中規(guī)定混凝土含氣量宜為1.5%~4%，考慮到近年來我國(guó)沉管隧道工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，實(shí)際施工過程中長(zhǎng)距離泵送可能會(huì)提高混凝土含氣量，因此含氣量指標(biāo)初步設(shè)定為低于5%，相應(yīng)的容重控制指標(biāo)為2 300耀2 400 kg/m3。綜合國(guó)外已有工程技術(shù)調(diào)研、自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及施工過程中的實(shí)際需求，初步確定鋼殼沉管自密實(shí)混凝土的質(zhì)量控制指標(biāo)，包括：骨料最大粒徑、坍落擴(kuò)展度、V形漏斗流出時(shí)間、L形儀H2/H1、含氣量和容重，具體指標(biāo)要求見表2所示，后續(xù)結(jié)合混凝土配制和模型試驗(yàn)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化。

表2 鋼殼沉管自密實(shí)混凝土初步質(zhì)量控制指標(biāo)及配制性能Table2 Initial quality control indexesand prepared performanceof SCC

2 鋼殼沉管自密實(shí)混凝土配制

針對(duì)所提出的質(zhì)量控制指標(biāo)，開展了系列相應(yīng)的自密實(shí)混凝土室內(nèi)配制研究。試驗(yàn)用水泥為P.II 42.5硅酸鹽水泥；礦物摻合料包括S95級(jí)礦渣粉和I級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.7的天然河砂；粗骨料為5~10 mm和10~20 mm兩級(jí)配反擊破碎石，大小石質(zhì)量比為7頤3；減水劑為專屬聚羧酸系高效減水劑。通過開展不同膠凝材料用量、不同砂率、不同膠凝材料組成、不同水膠比等系列對(duì)比試驗(yàn)，確定了鋼殼沉管自密實(shí)混凝土的配合比關(guān)鍵參數(shù)要求，主要包括：膠凝材料用量在 520~550 kg/m3，砂率 50%~52%，水膠比0.32~0.34，礦物摻合料為大摻量粉煤灰和小摻量礦渣粉復(fù)摻[8]。本研究最終選擇的室內(nèi)配制試驗(yàn)所采用的配合比如表3所示，其中外加劑的用量是通過控制混凝土拌合物坍落擴(kuò)展度在650 mm依50 mm來確定。

表3 鋼殼沉管自密實(shí)混凝土配合比Table3 Mix proportion of the SCC

采用表3所示的配合比，在室內(nèi)進(jìn)行鋼殼自密實(shí)混凝土攪拌，攪拌完成后，測(cè)試拌合物的坍落擴(kuò)展度，針對(duì)坍落擴(kuò)展度滿足要求的混凝土，分別進(jìn)行容重、含氣量、V形漏斗、L形儀等測(cè)試，圖2所示為坍落擴(kuò)展度和L形儀測(cè)試情況。從坍落擴(kuò)展度測(cè)試來看，所配制的鋼殼沉管自密實(shí)混凝土可依靠自身流動(dòng)性自動(dòng)流平，混凝土總體質(zhì)量均勻，未見骨料與漿體明顯分離，中部未發(fā)生明顯的骨料集中情況，混凝土周圍也未發(fā)生泌漿情況。從L形儀測(cè)試過程來看，混凝土拌合物能順利通過間距為40 mm的鋼筋，測(cè)試過程中鋼筋處未出現(xiàn)粗骨料擁堵現(xiàn)象，混凝土整體自動(dòng)流平。

圖2 鋼殼自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度和L形儀測(cè)試Fig.2 Tests of slump-flow and L-channel for SCC

針對(duì)本文所提的鋼殼沉管自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)，所配制的混凝土性能情況如表2所示。該結(jié)果顯示，采用上述材料組成，所配制的自密實(shí)混凝土拌合物可較好地滿足表2提出的指標(biāo)要求，混凝土具有良好的流動(dòng)性、填充性和抗離析性，且混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到C50等級(jí)。室內(nèi)混凝土試配過程中發(fā)現(xiàn)，采用L形儀可以較好地控制自密實(shí)混凝土的抗離析性。在0.32~0.34較低水膠比下，需要合理選擇水膠比，同時(shí)優(yōu)化外加劑組成，通過L形儀和V形漏斗測(cè)試來兼顧拌合物的抗離析性和流動(dòng)性。

3 鋼殼沉管自密實(shí)混凝土質(zhì)量控制模型試驗(yàn)研究

模型試驗(yàn)采用的配合比如表3所示，澆筑方式采用泵送澆筑。混凝土澆筑前，采用所提出的質(zhì)量控制指標(biāo)對(duì)混凝土拌合物性能進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 模型試驗(yàn)中鋼殼沉管自密實(shí)混凝土性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Performance test resultsof SCC during the model experiment

從模型試驗(yàn)過程來看，采用表2所示的指標(biāo)要求對(duì)混凝土進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)，各檢測(cè)可操作性強(qiáng)，檢測(cè)過程流暢，鋼殼混凝土管節(jié)預(yù)制效率可得到有效保障。從檢測(cè)結(jié)果來看，當(dāng)混凝土坍落擴(kuò)展度在600~700 mm時(shí)，其他指標(biāo)均滿足本文所提出的質(zhì)量控制要求。與室內(nèi)試配結(jié)果相比，實(shí)際生產(chǎn)過程中自密實(shí)混凝土V形漏斗流出時(shí)間相對(duì)縮短，主要集中在7~12 s。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因可能包括三個(gè)方面：實(shí)際生產(chǎn)所采用的砂、石含水率較高，混凝土攪拌過程中骨料對(duì)外加劑的吸附較少，外加劑的作用效果較室內(nèi)試驗(yàn)更優(yōu)；模型試驗(yàn)混凝土實(shí)際攪拌效率更高，拌合物的勻質(zhì)性和流動(dòng)性更佳；經(jīng)泵送后混凝土含氣量有一定程度提高，混凝土顆粒之間的摩擦減小，混凝土流速增加[9]。雖然自密實(shí)混凝土經(jīng)泵送后，其含氣量有一定上升，但總體仍低于5%，且只有個(gè)別測(cè)試結(jié)果超過4%，表明實(shí)際生產(chǎn)過程中，泵送后的混凝土含氣量可以得到較好控制，相應(yīng)的含氣量控制指標(biāo)可調(diào)整為不超過4%。

鋼殼混凝土管節(jié)的澆筑質(zhì)量除了與混凝土性能相關(guān)外，還與澆筑工藝密切相關(guān)，尤其是結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實(shí)性以及混凝土與頂部鋼板的接觸狀態(tài)等。為了盡量減小混凝土流動(dòng)距離，便于澆筑過程中空氣排出，在每個(gè)艙室頂板中央設(shè)置了澆筑孔，在頂板周圍設(shè)計(jì)8個(gè)排氣孔，具體如圖1所示。澆筑孔和排氣孔分別連接下料管和排氣管，連接泵管的串筒通過下料管進(jìn)入艙室內(nèi)，澆筑過程中盡量降低串筒底端與混凝土表面的距離。為了確?；炷撂畛涿軐?shí)和氣體排出，澆筑速度控制在30 m3/h以內(nèi)，且當(dāng)澆筑接近頂部時(shí)，適當(dāng)降低澆筑速度，使空氣充分排出。澆筑結(jié)束時(shí)，保證下料管混凝土液面高出艙室頂板，混凝土從各排氣管中流出。

在模型試驗(yàn)完成后的28 d齡期時(shí)，揭開模型頂板，觀察艙室的填充情況，測(cè)試頂板混凝土表面氣泡的深度。分別對(duì)2個(gè)不同艙室進(jìn)行混凝土取芯，取芯直徑為100 mm，取芯深度為1.5 m，將每條芯樣沿深度方向從上至下切割成9個(gè)尺寸為準(zhǔn)100 mm伊100 mm的圓柱體試件，測(cè)試不同深度芯樣的抗壓強(qiáng)度，以此評(píng)價(jià)混凝土的澆筑質(zhì)量。圖3所示為切開模型頂部鋼板后自密實(shí)混凝土的外觀情況，從圖中可看出，艙室內(nèi)混凝土頂部與頂板接觸良好，鋼板與混凝土整體沒有出現(xiàn)明顯的脫離現(xiàn)象，僅有一些表面氣泡存在。經(jīng)過氣泡深度檢測(cè)并統(tǒng)計(jì)后，模型試驗(yàn)中的混凝土頂部氣泡深度小于5 mm，該結(jié)果表明，所生產(chǎn)的鋼殼沉管自密實(shí)混凝土具有良好流動(dòng)性和填充性，在模型艙室中形成了密實(shí)結(jié)構(gòu)體。

圖3 管節(jié)艙室頂板混凝土外觀Fig.3 Appearance of thetop concrete in tube cabin

圖4 所示為模型混凝土同一取芯位置的上、中、下不同深度處芯樣外觀，從不同艙室所取的自密實(shí)混凝土芯樣來看，硬化混凝土中含有少量小尺寸氣孔，但未見明顯的不密實(shí)或其他缺陷?；炷链止橇戏植驾^為均勻，頂部芯樣沒有出現(xiàn)明顯的富漿現(xiàn)象，底部芯樣也未出現(xiàn)明顯的骨料富集現(xiàn)象。表5所示為1號(hào)和2號(hào)艙室所取芯樣不同深度處混凝土試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，從該結(jié)果來看，不同深度處芯樣抗壓強(qiáng)度值保持了一定程度的均勻性，沒有出現(xiàn)明顯的沿深度方向的趨勢(shì)性分布。綜合模型試驗(yàn)頂板處混凝土外觀情況、芯樣外觀觀察和抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知，模型試驗(yàn)所澆筑的鋼殼沉管自密實(shí)混凝土具有良好的流動(dòng)性、填充性和抗離析性，這也表明采用本文提出的質(zhì)量控制指標(biāo)及相應(yīng)的質(zhì)量控制方法，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過程中鋼殼沉管自密實(shí)混凝土質(zhì)量有效控制。

圖4 混凝土芯樣外觀Fig.4 Appearance of concrete core sample

表5 模型混凝土不同深度芯樣抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 5 Test resultsof compressive strength of model concretewith different depth core samples MPa

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞鋼殼沉管自密實(shí)混凝土的質(zhì)量控制問題，通過系統(tǒng)的調(diào)研和試驗(yàn)研究，取得的主要結(jié)論如下：

1）采用新拌混凝土坍落擴(kuò)展度在650 mm依50 mm、V形漏斗流出時(shí)間在5~15 s、L形儀測(cè)試H2/H1逸0.8、混凝土容重在 2 300~2 400 kg/m3、含氣量臆4%、骨料最大粒徑不超過20 mm等質(zhì)量控制指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)鋼殼沉管自密實(shí)混凝土流動(dòng)性、填充性和抗離析性的有效控制。

2）當(dāng)混凝土滿足上述指標(biāo)時(shí)，采用合理的排氣設(shè)計(jì)和澆筑工藝，可保證自密實(shí)混凝土在鋼殼管節(jié)艙室內(nèi)自動(dòng)填充并形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，混凝土勻質(zhì)性良好，強(qiáng)度達(dá)C50，頂板最大脫空距離小于5 mm。