高流動性混凝土綜述及在沉管隧道中的應用

林鳴，劉曉東，林巍

（1.中國交通建設集團有限公司，北京 100088；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

高流動性混凝土綜述及在沉管隧道中的應用

林鳴1，劉曉東2，林巍2

（1.中國交通建設集團有限公司，北京 100088；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

綜合論述了高流動性混凝土的歷史、發展驅動力、材料特性、機理以及配合比設計與試驗檢驗方案。通過港珠澳大橋沉管隧道最終接頭設計與施工準備工作中獲取的經驗，討論了該類型混凝土在沉管隧道中的設計與施工中應保證的關鍵點。當決定使用高流動性混凝土時，不應僅將高流動性混凝土視作一種材料，而應視為一種工法，施工設計總承包模式較容易發揮該類型混凝土的優勢。

高流動性混凝土；鋼混三明治結構；沉管隧道；港珠澳大橋；發展驅動力

1 概述

1.1 歷史

高流動性混凝土需求的提出是在20年前，日本學者Okamura發現自1983年起日本熟練振搗工人數量下降[1]，而耐久性好的混凝土結構必須充分的振搗（例如避免蜂窩裂縫[1]），因而于1986年提議有必要發明該類型的混凝土[2-4]，如圖1示意[2]。東京大學的研究人員經過2年嘗試，于1988年研發了第一個高流動性混凝土的原型[1-4]。

1995年以后，對高流動性混凝土的研究及應用興趣由日本傳到了歐洲諸國，瑞典、法國、德國、比利時、西班牙、荷蘭、瑞士、意大利及英國先后成立了研究小組，或由其大學或承包商組織討論并研究[1]。我國自20世紀90年代以后也做了一些研究工作[5-6]并于2006年出版了該類混凝土的技術規程[7]。

圖1 高流動性混凝土必要性Fig.1 Necessity for self-compacting concrete

1.2 發展的動力

該類型的混凝土不需外部能量輸入就可密實[1]，即不需振搗[2，8]，在其硬化前可將內部空氣排出[4]，期望帶來的優勢有：

1）免去了振搗作業[1-2，8]；

2）噪音小，大約可降低至10%[8]，使得夜間施工成為可能[1，8]；在混凝土工廠尤其明顯[2]；

3）施工進度快[4]，擾民時間短[1，8]；

4）避免振搗作業帶來的典型問題，包括對預埋件、預應力管道及鋼筋的擾動[4]；

5）確保結構澆筑的密實性，尤其在振搗困難的部位[2]，可提高混凝土質量[4]；

6）用工業廢料作外加劑，利于環保及可持續發展[4]；

7）工人數量少，現場好管理[8]；

8）可達無法振搗的狹窄區間，因而不需分段澆筑，減少施工縫構造[8]；

9）鋼筋較密時或結構形狀較特殊時仍可正常澆筑混凝土[8]；

10）增加結構設計自由度[4]，激發建筑師興趣；

11）省電[4]；

12）可能節省工程造價[4]。法國Lafarge小組為了證明高流動性混凝土的造價優勢，與承包商合作在法國的Nanterre建造了兩座相同的建筑，一座采用傳統混凝土工藝，另一座采用高流動性混凝土工藝，使用高流動性混凝土的建筑最終節省了工程造價21.4%[1]。

綜上，高流動性混凝土在經濟、社會及環境方面均有優勢。另一方面，高流動性混凝土性能允許的變化幅度相對很窄，新拌混凝土的性能對拌合料質量及配合比的要求也很高[1]。雖然省去了振搗作業，但是新拌合混凝土的檢驗工作有所增加。而且，坍落度隨時間的改變相比普通混凝土要敏感，因此不利于混凝土自身質量控制與管理，也限制了生產效率。雖然已有大量的高流動性混凝土的施工性能研究，混凝土加入超級減水劑并泵送后的物理力學性能及耐久性是否會發生變化，及其變化的規律仍待確認[4]。

2 性能

2.1 特點

高流動性混凝土具備抗離析（segregation stability）、流動性（flowing ability）、通過性（passing ability）3個顯著特性[1，9]，如圖2。抗離析正如其名；流動性是指混凝土在其自重作用下流向并填滿模板的端部；通過性是指混凝土能通過鋼筋或狹窄的空間，粗骨料等不會堵塞。

圖2 高流動性混凝土特征及其與高和易性混凝土、高性能混凝土的關系Fig.2 Distinct properties of self-compacting concrete,and its connections to high-workability concrete and high performance concrete

高流動性混凝土的配合比材料用量與常規混凝土的比較見圖3。高流動性混凝土可以是高和易性混凝土，但比高和易性混凝土具備更多的特性[8]。并且，由于高流動性混凝土密實性好，理論上將具備類似高性能混凝土的耐久性[1]，但是其誕生至今只有20年，更長遠的耐久性表現有待時間證明[1]。

圖3 高流動性混凝土與常規混凝土配合比比較Fig.3 Comparison of mix proportioning between selfcompacting concrete and conventionalconcrete

2.2 機理

獲得高流動性混凝土的方法包括限制骨料含量及使用高效減水劑來實現低水粉比的配置。

混凝土流動變形時，特別當其接近阻礙物時，骨料之間相互靠近，內應力增大。研究發現混凝土的內部應力將導致流動能損耗，進而引起堵塞。而粗骨料在混凝土流動時產生的內應力特別大，因此限制粗骨料的用量能減少流動能的消耗，減少因為流動能量消耗引起的堵塞[2]。

高黏性的漿體也可以減小粗骨料之間產生的高應力，因此也能起到避免混凝土在障礙物部位流動受阻的作用。高黏性漿體可通過使用高效減水劑，大幅度降低水粉比來獲得[2]。

試驗表明粗骨料尺寸與障礙物凈距對混凝土的密實性有直接影響。這就要求漿體要具備液體的流動能力，同時也要具有固體的傳力能力，參考圖4[2]。漿體足夠的變形能力是混凝土不需振搗的必要條件，此外，適度的黏滯性和變形能力也是保證粗骨料在流動時位移可控、不離析的必要條件。漿體作為固體的傳力能力要求粗骨料相互靠近時，中間的漿體可傳遞壓力，這與組成漿體中細骨料（砂）的含量及形狀密切相關[2]。

圖4 粗骨料接近障礙物或互相靠近時漿體產生的正應力Fig.4 Normalstress generated by mortar due to coarse aggregate approaching each other or to obstacle

2.3 配合比

配合比設計是混凝土生產及應用中的關鍵步驟。目前世界范圍內已有不少于19種高性能混凝土配合比設計方法，總體上可分為5類[3]：經驗設計法，抗壓強度設計法，CAP法（Close Aggregate Packing Method），統計階乘模型，液變漿體模型。

設計配合比的混凝土樣品結合試驗對其性能進行測試。必要時需通過大量試驗來確認所需的高流動性混凝土的配合比。并且，檢查現拌混凝土的性能非常重要，混凝土質量管理通常需要進行的試驗包括以下項目：

1）坍落擴展度試驗

在坍落擴展度試驗中，通過目測觀察混凝土的范圍、50 cm擴展度到達時間以及混凝土的狀態，則可評價其流動性以及材料分離抵抗性[7-8]，參考圖5。

圖5 坍落擴展度試驗Fig.5 Slump flow test

2）V形漏斗試驗

V形漏斗試驗如圖6所示，通過測量混凝土流過的時間來綜合評判流動性與通過性[4，8]。

圖6 V形漏斗試驗（單位：mm）Fig.6 V-funneltest(mm)

3）U形箱試驗

U形容器試驗和箱形容器試驗如圖7所示。在隔門部位設置豎向檔條來模擬混凝土澆筑時的鋼筋，目的是測試通過性及流動性[4，7-8]。

圖7 U形箱試驗Fig.7 Ubox test

4） L形擴展度試驗

L形擴展度試驗示意圖如圖8所示[7]。

5） 足尺模型試驗

足尺模型試驗示意圖如圖9所示[10]。

2.4 分類

高流動性混凝土基于提高流動性的方法，一般可分為增黏劑類、粉體類以及兼用類。增黏劑類高流動性混凝土是通過使用增黏劑和高性能AE減水劑發揮自我填充性的混凝土；粉體類高流動性混凝土是通過使用石灰石微粉末等微細混合材料和高性能AE減水劑發揮自我填充性的混凝土；兼用類高流動性混凝土是基于粉體類高流動性混凝土再適量加入增黏劑的混凝土。3種類型的配合比案例如表1所示。

圖8 L形擴展度試驗（單位：mm）Fig.8 L-box flow test(mm)

圖9 足尺模型試驗（單位：mm）Fig.9 Full-scale tes（tmm）

表1 配合比案例Table 1 Example of mixture design

考慮構造物的形狀、尺寸及配筋，在填充性試驗中設定流動障礙來評價混凝土的填充性。通常填充性分為3個等級。以日本規范為例，等級1的混凝土是針對最小鋼材空隙為35～60 mm，復雜的斷面形狀、斷面尺寸很小的構件或部位，僅依靠自重便可均勻填充；等級2的混凝土是針對最小鋼材空隙為60～200 mm的鋼筋混凝土構造物或構件，僅依靠自重便可均勻填充；等級3的混凝土是針對最小鋼材空隙為200 mm以上，斷面尺寸較大、配筋量少的構件或部位，無筋混凝土構造物，僅依靠自重便可均勻填充，參考表2。高流動性混凝土質量控制指標參考表3。

表2 填充性等級的特性值Table 2 Characteristic value of concrete compatibilities degree

表3 日本高流動性混凝土的質量控制指標Table 3 Self-consolidating concrete quality control standard in Japan

3 港珠澳沉管隧道最終接頭的應用

3.1 設計

港珠澳大橋沉管隧道的最終接頭經3年研究，主體結構采用了鋼混三明治結構[11]。其中鋼混三明治結構中的混凝土振搗困難，必須使用高流動性混凝土對內部空間進行填充。高流動性混凝土加鋼材的設計總重量約5 000 t，目前已進入加工階段，如圖10所示。

隨著方案的細化，認識到高流動性混凝土不只是一種材料，而且還是一種工法[1]。設計過程中充分考慮了高流動性混凝土的特性及工藝需求。例如，參考那霸沉管隧道的項目經驗，圖10中的澆筑混凝土的排氣孔直徑設計，通常不取決于開孔工藝或結構，而是取決于可買到的上部透明圓管的尺寸。如果能買到直徑51 mm的透明圓管，排氣孔就設計為直徑50 mm，以便于圓管的固定。并且，圖10中的縱、橫隔板不僅取決于抗剪強度等結構驗算，還取決于高流動性混凝土能充分填充的范圍。

圖10 港珠澳大橋最終接頭方案示意圖Fig.10 Illustrative drawing of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Projectclosure joint

3.2 澆筑施工

3.2.1 澆筑密實的關鍵技術

沉管隧道的鋼混三明治結構隔艙形成了全密閉空間，如圖10。因而為獲得高質量的填充，可利用未凝固混凝土的液面高度壓力對艙內混凝土進行充分密實。澆筑前，在下料孔上設置一段等內徑的下料管，高100 cm；同樣在排氣孔上設一段等內徑透明管，高約50 cm。另外對于頂面隔艙，為避免雨水流入內部，澆筑前用臨時蓋帽蓋住圓筒口。澆筑時，將蓋帽取走。當混凝土填滿內倉以后還應繼續澆筑，直至混凝土在下料圓管內的高度能保持在1 m，并觀察透明排氣管，保證每個排氣管內的混凝土高度應達到30 cm以上。待2～3 h混凝土可自成形時，再移走排氣管與下料管，完成澆筑。需注意對于沉管隧道外表面的開孔應焊接鋼板或鋼蓋板封堵，并用氣密法或染色法檢查焊接質量，保證沉管隧道在水中的長期耐久性（對于管節內側底板壓載水箱部位的排氣孔需注意也應進行焊接蓋板封堵）。

3.2.2 海上浮態澆筑

以那霸3號鋼殼沉管為例，其系泊方法如圖11所示。根據鋼殼系泊時和懸浮澆筑時的動力分析，使用高彈性尼龍繩把鋼殼結構系在棧橋上。因為鋼殼的剛性較低，易產生變形，所以需用三維全站儀監測混凝土澆筑前后的管節變形。其他實時監測項目包括管節吃水、系泊繩拉力、波高、風向和風速及潮位。

澆筑順序如圖11所示。為控制管節的變形以及鋼殼的應力集中，在斷面和平面上必須設計澆筑順序。斷面上按圖11所示的逃生通道下部（Block I）、中墻、隔墻、側墻下部（Block II）、側墻上部（Block III）、底板（Block IV）、頂板（Block V）這樣的澆筑順序進行澆筑。先澆筑側墻和中墻，后澆筑底板、頂板，該順序確定的主要原則是結構剛度，此外期望控制日照溫度變形。

各澆筑隔艙平面上的澆筑順序并不是從端部往中央澆筑這種自重易偏心的單側澆筑，而是按照圖12的劃分，對各種澆筑順序組合進行模擬，按照模擬結構采用⑥～②～⑧～④～⑤～①～⑦～③的順序進行澆筑。再基于澆筑順序決定最終30次澆筑的總順序，每日澆筑中還需考慮懸浮傾斜平衡以及中轉泵站的位置匹配性，因而經常不得不采用對角依次澆筑的順序。

圖11 那霸沉管管節懸浮澆筑及橫向澆筑順序Fig.11 Naha tunnelelement floating castand transverse cast sequence

圖12 那霸沉管管節平面澆筑順序Fig.12 Naha element plan castsequence

3.2.3 底板澆筑

往密閉車道內澆筑高流動性混凝土需要從頂板設置貫通孔插入混凝土輸送管道。

考慮到填孔工序和止水因素，貫通孔越少越好。每個貫通孔需向多個底板區段澆筑，貫通孔和澆筑孔在水平方向上存在一定距離，故需要在一定程度上彎曲管道。并且，從管節上部往底板內澆筑混凝土，管道會很長，考慮到管道、管道內的混凝土重量以及輸送時振動帶來的沖擊力等因素，人工澆筑十分困難。為了解決這些問題，日本開發了混凝土管道絞車。絞車的半圓形能固定混凝土塑膠管道，通過旋轉該半圓形可提升管道。絞車在澆筑孔之間移動使用滑輪，可通過人力推動該絞車。澆筑情況如圖13所示。

圖13 底板澆筑Fig.13 Cast bottom slab

3.3 品質管理

1）高流動性混凝土相比普通混凝土對原材料變化的影響極為敏感，因此需要極其精細地管理材料品質以及材料的用量，盡量減少不合格高流動性混凝土的廢棄量。

2）為避免離析，需實時控制出料口與混凝土澆筑面的凈距，混凝土的下落高度不應超過1 m，并且軟管不能與混凝土表面接觸。因而，泵管需匹配混凝土的上升速度而同步抬升。由于混凝土澆筑過程中泵管的重量大，用人力較難控制，設置圖13圓轉盤來確保澆筑的操作性及質量。

3）攪拌機的負荷值對坍落擴展度管理有積極作用，混凝土生產時需要對攪拌機負荷進行監管。

4）對每車混凝土都需要實施坍落擴展度測試，必須在確認合格后才能進行澆筑。

5）高流動性混凝土的有效使用時間一般為60 min，超時后需要廢棄。

6）需要嚴格控制骨料表面含水率，必要時還需進行防水覆蓋。

7）密封艙內澆筑高度的確認是從排氣孔觀察，當混凝土液面高度上升至密封艙頂面以上后，對超出部分使用照相監測管理。

8）澆筑速度通常控制在50 m3/h，對于澆筑困難部位，為保持澆筑的連續性，澆筑速度下降至15～20 m3/h，以確保填充密實。

9）目測混凝土是否上升到高于排氣孔30 cm處，以判斷混凝土的澆筑是否完成。

4 結語

高流動性混凝土起源于日本，距第一例原型的發明已有20年。高流動性混凝土可持續發展的獨特優勢——利用工業廢料，以及良好的密實性能，可能使結構耐久性增加（有待時間驗證）——驅動了很多的研究與試驗。但是在世界范圍內其應用尚未普及，在預制構件方面的應用多于現澆結構，在我國也依然較罕見。

港珠澳大橋沉管隧道最終接頭結構由于采用了鋼混組合三明治結構，為確保混凝土和鋼板能一定程度的協同工作，其內部必須使用高流動性混凝土進行填充。目前正在進行施工前的試澆筑與準備工作。在沉管隧道工程領域，常見的結構形式是鋼筋混凝土或鋼結構[12]，而港珠澳大橋沉管隧道最終接頭是繼2座（均在日本）全斷面鋼混三明治沉管隧道以后的第3次應用[13]。鋼混三明治結構設計時調研了那霸沉管隧道第4節管節施工經驗，根據高流動性混凝土的工藝工序特點對分倉、澆筑孔及排氣孔等結構進行了完善。

高流動性混凝土不能振搗，不然會離析。而常規的混凝土結構的概念及方案通常是建立在需要振搗的前提上。所以，高流動性混凝土的科學應用離不開設計與施工的緊密配合[14]，施工設計總承包模式對于高流動性混凝土方案的發展與完善較有利。

當工程師不再將高流動性混凝土看做一種材料，而是看成一種工法時，該類混凝土才能被更好地理解與應用。

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Self-consolidating concrete and its application in immersed tunnel

LIN Ming1,LIU Xiao-dong2,LIN Wei2
（1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China; 2.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

We discussed the history,development drive,properties,mechanism,mixture design and quality inspection test of the self-consolidating concrete (SCC).With the experience from the design and construction preparation of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project immersed tunnel closure joint,we discussed the critical issue of SCC in the design and construction of immersed tunnel.The conclusion was drawn that as long as SCC is chosen,the SCC should notjustbe regarded as a material but as a construction technique,the design-construction contract allows the freedom of utilizing the SCC advantage.

self-consolidating concrete;steel-concrete-steel composite sandwich structure;immersed tunnel;Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;development drive

U654；TU528.53；U455.46

A

2095-7874（2017）02-0001-08

10.7640/zggwjs201702001

2017-01-10

2017-01-19

林鳴（1957— ），男，江蘇南京市人，總工程師，教授級高級工程師，從事水工及路橋施工技術管理。

E-mail：linming1004@sohu.com