高流动性混凝土综述及在沉管隧道中的应用

林鸣，刘晓东，林巍

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100088；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

高流动性混凝土综述及在沉管隧道中的应用

林鸣1，刘晓东2，林巍2

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100088；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

综合论述了高流动性混凝土的历史、发展驱动力、材料特性、机理以及配合比设计与试验检验方案。通过港珠澳大桥沉管隧道最终接头设计与施工准备工作中获取的经验，讨论了该类型混凝土在沉管隧道中的设计与施工中应保证的关键点。当决定使用高流动性混凝土时，不应仅将高流动性混凝土视作一种材料，而应视为一种工法，施工设计总承包模式较容易发挥该类型混凝土的优势。

高流动性混凝土；钢混三明治结构；沉管隧道；港珠澳大桥；发展驱动力

1 概述

1.1 历史

高流动性混凝土需求的提出是在20年前，日本学者Okamura发现自1983年起日本熟练振捣工人数量下降[1]，而耐久性好的混凝土结构必须充分的振捣（例如避免蜂窝裂缝[1]），因而于1986年提议有必要发明该类型的混凝土[2-4]，如图1示意[2]。东京大学的研究人员经过2年尝试，于1988年研发了第一个高流动性混凝土的原型[1-4]。

1995年以后，对高流动性混凝土的研究及应用兴趣由日本传到了欧洲诸国，瑞典、法国、德国、比利时、西班牙、荷兰、瑞士、意大利及英国先后成立了研究小组，或由其大学或承包商组织讨论并研究[1]。我国自20世纪90年代以后也做了一些研究工作[5-6]并于2006年出版了该类混凝土的技术规程[7]。

图1 高流动性混凝土必要性Fig.1 Necessity for self-compacting concrete

1.2 发展的动力

该类型的混凝土不需外部能量输入就可密实[1]，即不需振捣[2，8]，在其硬化前可将内部空气排出[4]，期望带来的优势有：

1）免去了振捣作业[1-2，8]；

2）噪音小，大约可降低至10%[8]，使得夜间施工成为可能[1，8]；在混凝土工厂尤其明显[2]；

3）施工进度快[4]，扰民时间短[1，8]；

4）避免振捣作业带来的典型问题，包括对预埋件、预应力管道及钢筋的扰动[4]；

5）确保结构浇筑的密实性，尤其在振捣困难的部位[2]，可提高混凝土质量[4]；

6）用工业废料作外加剂，利于环保及可持续发展[4]；

7）工人数量少，现场好管理[8]；

8）可达无法振捣的狭窄区间，因而不需分段浇筑，减少施工缝构造[8]；

9）钢筋较密时或结构形状较特殊时仍可正常浇筑混凝土[8]；

10）增加结构设计自由度[4]，激发建筑师兴趣；

11）省电[4]；

12）可能节省工程造价[4]。法国Lafarge小组为了证明高流动性混凝土的造价优势，与承包商合作在法国的Nanterre建造了两座相同的建筑，一座采用传统混凝土工艺，另一座采用高流动性混凝土工艺，使用高流动性混凝土的建筑最终节省了工程造价21.4%[1]。

综上，高流动性混凝土在经济、社会及环境方面均有优势。另一方面，高流动性混凝土性能允许的变化幅度相对很窄，新拌混凝土的性能对拌合料质量及配合比的要求也很高[1]。虽然省去了振捣作业，但是新拌合混凝土的检验工作有所增加。而且，坍落度随时间的改变相比普通混凝土要敏感，因此不利于混凝土自身质量控制与管理，也限制了生产效率。虽然已有大量的高流动性混凝土的施工性能研究，混凝土加入超级减水剂并泵送后的物理力学性能及耐久性是否会发生变化，及其变化的规律仍待确认[4]。

2 性能

2.1 特点

高流动性混凝土具备抗离析（segregation stability）、流动性（flowing ability）、通过性（passing ability）3个显著特性[1，9]，如图2。抗离析正如其名；流动性是指混凝土在其自重作用下流向并填满模板的端部；通过性是指混凝土能通过钢筋或狭窄的空间，粗骨料等不会堵塞。

图2 高流动性混凝土特征及其与高和易性混凝土、高性能混凝土的关系Fig.2 Distinct properties of self-compacting concrete,and its connections to high-workability concrete and high performance concrete

高流动性混凝土的配合比材料用量与常规混凝土的比较见图3。高流动性混凝土可以是高和易性混凝土，但比高和易性混凝土具备更多的特性[8]。并且，由于高流动性混凝土密实性好，理论上将具备类似高性能混凝土的耐久性[1]，但是其诞生至今只有20年，更长远的耐久性表现有待时间证明[1]。

图3 高流动性混凝土与常规混凝土配合比比较Fig.3 Comparison of mix proportioning between selfcompacting concrete and conventionalconcrete

2.2 机理

获得高流动性混凝土的方法包括限制骨料含量及使用高效减水剂来实现低水粉比的配置。

混凝土流动变形时，特别当其接近阻碍物时，骨料之间相互靠近，内应力增大。研究发现混凝土的内部应力将导致流动能损耗，进而引起堵塞。而粗骨料在混凝土流动时产生的内应力特别大，因此限制粗骨料的用量能减少流动能的消耗，减少因为流动能量消耗引起的堵塞[2]。

高黏性的浆体也可以减小粗骨料之间产生的高应力，因此也能起到避免混凝土在障碍物部位流动受阻的作用。高黏性浆体可通过使用高效减水剂，大幅度降低水粉比来获得[2]。

试验表明粗骨料尺寸与障碍物净距对混凝土的密实性有直接影响。这就要求浆体要具备液体的流动能力，同时也要具有固体的传力能力，参考图4[2]。浆体足够的变形能力是混凝土不需振捣的必要条件，此外，适度的黏滞性和变形能力也是保证粗骨料在流动时位移可控、不离析的必要条件。浆体作为固体的传力能力要求粗骨料相互靠近时，中间的浆体可传递压力，这与组成浆体中细骨料（砂）的含量及形状密切相关[2]。

图4 粗骨料接近障碍物或互相靠近时浆体产生的正应力Fig.4 Normalstress generated by mortar due to coarse aggregate approaching each other or to obstacle

2.3 配合比

配合比设计是混凝土生产及应用中的关键步骤。目前世界范围内已有不少于19种高性能混凝土配合比设计方法，总体上可分为5类[3]：经验设计法，抗压强度设计法，CAP法（Close Aggregate Packing Method），统计阶乘模型，液变浆体模型。

设计配合比的混凝土样品结合试验对其性能进行测试。必要时需通过大量试验来确认所需的高流动性混凝土的配合比。并且，检查现拌混凝土的性能非常重要，混凝土质量管理通常需要进行的试验包括以下项目：

1）坍落扩展度试验

在坍落扩展度试验中，通过目测观察混凝土的范围、50 cm扩展度到达时间以及混凝土的状态，则可评价其流动性以及材料分离抵抗性[7-8]，参考图5。

图5 坍落扩展度试验Fig.5 Slump flow test

2）V形漏斗试验

V形漏斗试验如图6所示，通过测量混凝土流过的时间来综合评判流动性与通过性[4，8]。

图6 V形漏斗试验（单位：mm）Fig.6 V-funneltest(mm)

3）U形箱试验

U形容器试验和箱形容器试验如图7所示。在隔门部位设置竖向档条来模拟混凝土浇筑时的钢筋，目的是测试通过性及流动性[4，7-8]。

图7 U形箱试验Fig.7 Ubox test

4） L形扩展度试验

L形扩展度试验示意图如图8所示[7]。

5） 足尺模型试验

足尺模型试验示意图如图9所示[10]。

2.4 分类

高流动性混凝土基于提高流动性的方法，一般可分为增黏剂类、粉体类以及兼用类。增黏剂类高流动性混凝土是通过使用增黏剂和高性能AE减水剂发挥自我填充性的混凝土；粉体类高流动性混凝土是通过使用石灰石微粉末等微细混合材料和高性能AE减水剂发挥自我填充性的混凝土；兼用类高流动性混凝土是基于粉体类高流动性混凝土再适量加入增黏剂的混凝土。3种类型的配合比案例如表1所示。

图8 L形扩展度试验（单位：mm）Fig.8 L-box flow test(mm)

图9 足尺模型试验（单位：mm）Fig.9 Full-scale tes（tmm）

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

考虑构造物的形状、尺寸及配筋，在填充性试验中设定流动障碍来评价混凝土的填充性。通常填充性分为3个等级。以日本规范为例，等级1的混凝土是针对最小钢材空隙为35～60 mm，复杂的断面形状、断面尺寸很小的构件或部位，仅依靠自重便可均匀填充；等级2的混凝土是针对最小钢材空隙为60～200 mm的钢筋混凝土构造物或构件，仅依靠自重便可均匀填充；等级3的混凝土是针对最小钢材空隙为200 mm以上，断面尺寸较大、配筋量少的构件或部位，无筋混凝土构造物，仅依靠自重便可均匀填充，参考表2。高流动性混凝土质量控制指标参考表3。

表2 填充性等级的特性值Table 2 Characteristic value of concrete compatibilities degree

表3 日本高流动性混凝土的质量控制指标Table 3 Self-consolidating concrete quality control standard in Japan

3 港珠澳沉管隧道最终接头的应用

3.1 设计

港珠澳大桥沉管隧道的最终接头经3年研究，主体结构采用了钢混三明治结构[11]。其中钢混三明治结构中的混凝土振捣困难，必须使用高流动性混凝土对内部空间进行填充。高流动性混凝土加钢材的设计总重量约5 000 t，目前已进入加工阶段，如图10所示。

随着方案的细化，认识到高流动性混凝土不只是一种材料，而且还是一种工法[1]。设计过程中充分考虑了高流动性混凝土的特性及工艺需求。例如，参考那霸沉管隧道的项目经验，图10中的浇筑混凝土的排气孔直径设计，通常不取决于开孔工艺或结构，而是取决于可买到的上部透明圆管的尺寸。如果能买到直径51 mm的透明圆管，排气孔就设计为直径50 mm，以便于圆管的固定。并且，图10中的纵、横隔板不仅取决于抗剪强度等结构验算，还取决于高流动性混凝土能充分填充的范围。

图10 港珠澳大桥最终接头方案示意图Fig.10 Illustrative drawing of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Projectclosure joint

3.2 浇筑施工

3.2.1 浇筑密实的关键技术

沉管隧道的钢混三明治结构隔舱形成了全密闭空间，如图10。因而为获得高质量的填充，可利用未凝固混凝土的液面高度压力对舱内混凝土进行充分密实。浇筑前，在下料孔上设置一段等内径的下料管，高100 cm；同样在排气孔上设一段等内径透明管，高约50 cm。另外对于顶面隔舱，为避免雨水流入内部，浇筑前用临时盖帽盖住圆筒口。浇筑时，将盖帽取走。当混凝土填满内仓以后还应继续浇筑，直至混凝土在下料圆管内的高度能保持在1 m，并观察透明排气管，保证每个排气管内的混凝土高度应达到30 cm以上。待2～3 h混凝土可自成形时，再移走排气管与下料管，完成浇筑。需注意对于沉管隧道外表面的开孔应焊接钢板或钢盖板封堵，并用气密法或染色法检查焊接质量，保证沉管隧道在水中的长期耐久性（对于管节内侧底板压载水箱部位的排气孔需注意也应进行焊接盖板封堵）。

3.2.2 海上浮态浇筑

以那霸3号钢壳沉管为例，其系泊方法如图11所示。根据钢壳系泊时和悬浮浇筑时的动力分析，使用高弹性尼龙绳把钢壳结构系在栈桥上。因为钢壳的刚性较低，易产生变形，所以需用三维全站仪监测混凝土浇筑前后的管节变形。其他实时监测项目包括管节吃水、系泊绳拉力、波高、风向和风速及潮位。

浇筑顺序如图11所示。为控制管节的变形以及钢壳的应力集中，在断面和平面上必须设计浇筑顺序。断面上按图11所示的逃生通道下部（Block I）、中墙、隔墙、侧墙下部（Block II）、侧墙上部（Block III）、底板（Block IV）、顶板（Block V）这样的浇筑顺序进行浇筑。先浇筑侧墙和中墙，后浇筑底板、顶板，该顺序确定的主要原则是结构刚度，此外期望控制日照温度变形。

各浇筑隔舱平面上的浇筑顺序并不是从端部往中央浇筑这种自重易偏心的单侧浇筑，而是按照图12的划分，对各种浇筑顺序组合进行模拟，按照模拟结构采用⑥～②～⑧～④～⑤～①～⑦～③的顺序进行浇筑。再基于浇筑顺序决定最终30次浇筑的总顺序，每日浇筑中还需考虑悬浮倾斜平衡以及中转泵站的位置匹配性，因而经常不得不采用对角依次浇筑的顺序。

图11 那霸沉管管节悬浮浇筑及横向浇筑顺序Fig.11 Naha tunnelelement floating castand transverse cast sequence

图12 那霸沉管管节平面浇筑顺序Fig.12 Naha element plan castsequence

3.2.3 底板浇筑

往密闭车道内浇筑高流动性混凝土需要从顶板设置贯通孔插入混凝土输送管道。

考虑到填孔工序和止水因素，贯通孔越少越好。每个贯通孔需向多个底板区段浇筑，贯通孔和浇筑孔在水平方向上存在一定距离，故需要在一定程度上弯曲管道。并且，从管节上部往底板内浇筑混凝土，管道会很长，考虑到管道、管道内的混凝土重量以及输送时振动带来的冲击力等因素，人工浇筑十分困难。为了解决这些问题，日本开发了混凝土管道绞车。绞车的半圆形能固定混凝土塑胶管道，通过旋转该半圆形可提升管道。绞车在浇筑孔之间移动使用滑轮，可通过人力推动该绞车。浇筑情况如图13所示。

图13 底板浇筑Fig.13 Cast bottom slab

3.3 品质管理

1）高流动性混凝土相比普通混凝土对原材料变化的影响极为敏感，因此需要极其精细地管理材料品质以及材料的用量，尽量减少不合格高流动性混凝土的废弃量。

2）为避免离析，需实时控制出料口与混凝土浇筑面的净距，混凝土的下落高度不应超过1 m，并且软管不能与混凝土表面接触。因而，泵管需匹配混凝土的上升速度而同步抬升。由于混凝土浇筑过程中泵管的重量大，用人力较难控制，设置图13圆转盘来确保浇筑的操作性及质量。

3）搅拌机的负荷值对坍落扩展度管理有积极作用，混凝土生产时需要对搅拌机负荷进行监管。

4）对每车混凝土都需要实施坍落扩展度测试，必须在确认合格后才能进行浇筑。

5）高流动性混凝土的有效使用时间一般为60 min，超时后需要废弃。

6）需要严格控制骨料表面含水率，必要时还需进行防水覆盖。

7）密封舱内浇筑高度的确认是从排气孔观察，当混凝土液面高度上升至密封舱顶面以上后，对超出部分使用照相监测管理。

8）浇筑速度通常控制在50 m3/h，对于浇筑困难部位，为保持浇筑的连续性，浇筑速度下降至15～20 m3/h，以确保填充密实。

9）目测混凝土是否上升到高于排气孔30 cm处，以判断混凝土的浇筑是否完成。

4 结语

高流动性混凝土起源于日本，距第一例原型的发明已有20年。高流动性混凝土可持续发展的独特优势——利用工业废料，以及良好的密实性能，可能使结构耐久性增加（有待时间验证）——驱动了很多的研究与试验。但是在世界范围内其应用尚未普及，在预制构件方面的应用多于现浇结构，在我国也依然较罕见。

港珠澳大桥沉管隧道最终接头结构由于采用了钢混组合三明治结构，为确保混凝土和钢板能一定程度的协同工作，其内部必须使用高流动性混凝土进行填充。目前正在进行施工前的试浇筑与准备工作。在沉管隧道工程领域，常见的结构形式是钢筋混凝土或钢结构[12]，而港珠澳大桥沉管隧道最终接头是继2座（均在日本）全断面钢混三明治沉管隧道以后的第3次应用[13]。钢混三明治结构设计时调研了那霸沉管隧道第4节管节施工经验，根据高流动性混凝土的工艺工序特点对分仓、浇筑孔及排气孔等结构进行了完善。

高流动性混凝土不能振捣，不然会离析。而常规的混凝土结构的概念及方案通常是建立在需要振捣的前提上。所以，高流动性混凝土的科学应用离不开设计与施工的紧密配合[14]，施工设计总承包模式对于高流动性混凝土方案的发展与完善较有利。

当工程师不再将高流动性混凝土看做一种材料，而是看成一种工法时，该类混凝土才能被更好地理解与应用。

[1] GOODIER C I.Development of self-compacting concrete[J]. Structures&Buildings,2003,156(11):405-414.

[2]HAJIME Okamura,MASAHIRO Ouchi.Self-compacting concrete [J].Journalof Advanced Concrete Technology,2003(4):5-15.

[3] SHICai-jun,WU Ze-mei,LÜKui-xi,et al.A review on mixture design methods for self-compacting concrete[J].Construction and Building Materials,2015,84:387-398.

[4]CHEN Ze-kong,YANG Mao.The research on process and application ofself-compacting concrete[J].Journalof Engineering Research and Applications，2015,5(8):12-18.

[5]韩先福，李清和，段雄辉，等.免振捣自密实混凝土的研制与应用[J].混凝土，1996（6）：4-15. HAN Xian-fu,LI Qing-he,DUAN Xiong-hui,etal.Development and application of free-vibration self-consolidating concrete[J]. Concrete,1996(6):4-15.

[6]陈剑雄.不振捣的高性能优质混凝土[J].混凝土，1994（4）：14-19. CHEN Jian-xiong.Non-vibrating high performance good quality concrete[J].Concrete,1994(4):14-19.

[7]CECS203：2006.自密实混凝土应用技术规程[S]. CECS203:2006.Technical specification for application of selfcompacting concrete[S].

[8] KWAN Albert K H,NG Ivan Y T.Performance criteria for selfconsolidating concrete[J].The Hong Kong Institution of Engineers Transactions,2013(9):35-41.

[9] RICH David.UK contractor's vies on self-compacting concrete in construction[J].Construction Materials,2010(12):1-10.

[10]SONODA Keiitirou.沈埋函トンネル技術マニュアル[M].改訂版.东京：財団法人沿岸開発技術研究センター，2002. SONODA Keiitirou.Immersed tube tunnel technical manual[M]. Revised version.Tokyo：Juridical Foundation Coast Development Technical Study Centre,2002.

[11]林鸣，刘晓东，林巍，等.钢混三明治沉管结构综述[J].中国港湾建设，2016，36（11）：1-4，10. LIN Ming,LIU Xiao-dong,LIN Wei,et al.General discussion on steel-concrete composite sandwich immersed tunnel structure[J]. China Harbour Engineering，2016,36(11):1-4,10.

[12]林鸣，林巍.沉管隧道结构选型的原理和方法[J].中国港湾建设，2016，36（1）：1-5，36. LIN Ming,LIN Wei.Principles and methods for structural-type selection of immersed tunnel[J].China Harbour Engineering, 2016,36(1):1-5,36.

[13]林鸣，刘晓东，林巍.钢混三明治沉管结构发展历史及设计方法适用边际研究[J].中国港湾建设，2016，36（12）：1-7. LIN Ming,LIU Xiao-dong,LIN Wei.Application margin of design method ofsteel-concrete-steelsandwich immersed tunnelwith the history ofits development[J].China Harbor Engineering,2016,36 (12):1-7.

[14]林鸣，刘晓东，林巍，等.沉管隧道规划综述[J].中国港湾建设，2017，37（1）：1-7. LIN Ming,LIU Xiao-dong,LIN Wei,et al.General discussion on theplanningofimmersed tunnelproject[J].China HarborEngineering, 2017,37(1):1-7.

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

林鸣（1957— ），男，江苏南京市人，总工程师，教授级高级工程师，从事水工及路桥施工技术管理。

E-mail：linming1004@sohu.com