鋼殼沉管自密實混凝土澆筑頂面缺陷表征研究

張照坤 ，陳飛翔 *，可奧 ，楊興 ，張園園 ，胡駿

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040；4.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

自密實混凝土（Self-Compacting Concrete或Self-Consolidating Concrete，簡稱SCC）具有高流動、自密實、免振搗的特點[1-5]，在一些結構或是施工條件下能夠起到普通混凝土不可替代的作用，如房建中的殼式結構、橋梁中的鋼管混凝土拱、軌道中的狹小縫隙或薄層結構等[6-8]。近年來，我國、日本、美國等國家將自密實混凝土引入鋼殼沉管中[9-12]，混凝土可在提前加工好的鋼殼內進行浮態澆筑，省去模板、鋼筋等工序，大大縮短了沉管制造周期，同時還可以帶來防水性能優、承載能力強等好處。

然而，對于大斷面、結構復雜、密閉空間的鋼殼混凝土沉管而言，要想實現自密實混凝土免振搗、自填充以及與鋼殼長期協同受力仍然存在諸多難題，例如混凝土的流動性不足將很難對鋼殼填充密實，尤其是結構復雜的隱蔽區域；黏聚性不足則很容易出現漿骨分離，頂面氣泡也將在鋼混結合面形成蜂窩麻面，成為結構受力的薄弱區域；水膠比較低、膠凝材料用量大引起的早期收縮大，容易造成鋼殼與混凝土脫空等。

針對上述技術難點，本文通過一系列室內試驗確定了鋼殼沉管澆筑擬采用的自密實混凝土配合比及工作性評價方法；通過室外鋼殼沉管單倉縮尺模型試驗，進一步檢驗了自密實混凝土的工作性，并掌握了混凝土澆筑時缺陷產生的位置和原因，同時采用石粉填充法和圖像二灰度處理法測試表征了混凝土澆筑頂面的缺陷面積占比、體積占比、最大/平均缺陷深度、主要缺陷分布等參數，為鋼殼沉管自密實混凝土的后續施工提供了數據支撐。

1 試驗

1.1 原材料

試驗原材料包括P.Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥（C）、Ⅰ級粉煤灰（FA），需水量比96%、S95級礦粉（SL）、復合型膨脹劑（P1）、塑性膨脹劑（P2）、5～20 mm連續級配花崗巖碎石（G），篩分曲線見圖1（a）、Ⅱ級配區河砂（S），細度模數2.7，篩分曲線見圖1（b）、聚羧酸鹽高性能減水劑（SP）、自來水（W）。

圖1 骨料篩分曲線Fig.1 Aggregate screening curve

1.2 配合比

通過前期室內一系列試驗確定的鋼殼沉管用自密實混凝土配合比見表1，水膠比為0.32，砂率為46%。

表1 自密實混凝土配合比Table 1 Mix ratio of self-compacting concrete

1.3 模型參數

單倉縮尺模型尺寸為 1.5 m×1.5 m×0.75 m（長×寬×高），除底板外，其余面全部采用亞克力透明板，以便于觀察自密實混凝土的實時澆筑情況。為保證面板平整度和施工過程中的剛度，在頂面設置反向加勁肋，上面開設澆筑孔和排氣孔，側面板和加勁肋制作同頂板，底面板和加勁肋均采用鋼材制作，模型示意圖及實體見圖2。

圖2 單倉縮尺模型Fig.2 Single warehouse scale model

1.4 缺陷表征方法

混凝土澆筑完成1 d后，拆除頂板，用相機拍攝頂面全景并進行相應圖形處理來描繪缺陷形貌，同時采用坐底數顯百分表測量缺陷深度，采用石粉填充缺陷，根據填充缺陷所需石粉的質量與其自身的松散堆積密度計算缺陷面積占比、體積占比、最大/平均缺陷深度、主要缺陷分布等，計算公式如下：

式中：S為頂面面積；Vc為頂板角鋼高度范圍內混凝土體積；di為第i次缺陷測量深度。面積缺陷率Ds由軟件二灰度法直接得到。

2 結果與討論

2.1 工作性

自密實混凝土的實測工作性見表2，指標完全符合設計要求。

表2 自密實混凝土的工作性Table 2 Workability of self-compacting concrete

2.2 頂面缺陷表征

由于單倉縮尺模型為半封閉結構，導致在自密實混凝土澆筑過程中模型內的氣體無法完全通過排氣孔排出，因此在混凝土脫模后，澆筑頂面會形成一些缺陷，見圖3。

圖3 頂面缺陷局部放大圖Fig.3 Partial enlarged drawing of top surface defects

通過采用坐底數顯百分表測量混凝土澆筑頂面的缺陷深度，并采用石粉填充法測量頂面缺陷的體積，將主要缺陷的深度描繪于CAD中，見圖4。試驗過程中發現對于一些微小的孔隙和不規則缺陷，由于百分表探頭尺寸的限制無法自由深入，所以測量具有一定的局限性。

圖4 頂面缺陷測試表征Fig.4 Characterization of top surface defect test

通過使用Image Pro Plus或Adobe Photo Shop軟件對混凝土澆筑頂面缺陷的全景圖進行二灰度處理，調節圖像到適合的灰度閾值，可以方便地定性描述缺陷所占的比例，見圖5。

圖5 缺陷的二灰度處理效果圖Fig.5 Effect of two-level grayscale processing of defects

通過上述方法對混凝土澆筑的頂面缺陷進行測試表征，可以依次得到最大缺陷深度、面（體）積缺陷率、平均缺陷深度、主要缺陷分布等數據，見表3。發現較大的缺陷往往集中出現在下料口附近、頂面加勁肋背面（相對于下料口）。下料口附近的缺陷主要有3個方面的因素：1）過快的澆筑速度不利于模型內空氣的排出；2）懸空下料的沖擊力也會在混凝土內部及頂面產生大量氣泡和浮漿；3）近下料口流體壓力較小難以保證混凝土的自密實。頂面加勁肋背面的缺陷主要是由于肋板開孔較大時，混凝土過孔時的沖擊力大于自下而上的填充壓力，造成易于在肋板背面形成缺陷。

表3 頂面缺陷示例Table 3 Examples of top surface defects

3 結語

本文以深中通道鋼殼沉管自密實混凝土澆筑為試驗對象，為鋼殼沉管自密實混凝土的后續施工提供了數據支撐，結論如下：

1）通過單倉縮尺模型試驗檢驗了自密實混凝土澆筑時的工作性，并掌握了混凝土澆筑時缺陷產生的位置和原因。

2）采用了石粉填充法和圖像二灰度處理法測試表征了混凝土澆筑頂面的缺陷面積占比、體積占比、最大/平均缺陷深度、主要缺陷分布等參數，較大缺陷往往集中出現在下料口附近、頂面加勁肋背面（相對于下料口）。