钢壳沉管自密实混凝土浇筑顶面缺陷表征研究

张照坤 ，陈飞翔 *，可奥 ，杨兴 ，张园园 ，胡骏

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040；4.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

自密实混凝土（Self-Compacting Concrete或Self-Consolidating Concrete，简称SCC）具有高流动、自密实、免振捣的特点[1-5]，在一些结构或是施工条件下能够起到普通混凝土不可替代的作用，如房建中的壳式结构、桥梁中的钢管混凝土拱、轨道中的狭小缝隙或薄层结构等[6-8]。近年来，我国、日本、美国等国家将自密实混凝土引入钢壳沉管中[9-12]，混凝土可在提前加工好的钢壳内进行浮态浇筑，省去模板、钢筋等工序，大大缩短了沉管制造周期，同时还可以带来防水性能优、承载能力强等好处。

然而，对于大断面、结构复杂、密闭空间的钢壳混凝土沉管而言，要想实现自密实混凝土免振捣、自填充以及与钢壳长期协同受力仍然存在诸多难题，例如混凝土的流动性不足将很难对钢壳填充密实，尤其是结构复杂的隐蔽区域；黏聚性不足则很容易出现浆骨分离，顶面气泡也将在钢混结合面形成蜂窝麻面，成为结构受力的薄弱区域；水胶比较低、胶凝材料用量大引起的早期收缩大，容易造成钢壳与混凝土脱空等。

针对上述技术难点，本文通过一系列室内试验确定了钢壳沉管浇筑拟采用的自密实混凝土配合比及工作性评价方法；通过室外钢壳沉管单仓缩尺模型试验，进一步检验了自密实混凝土的工作性，并掌握了混凝土浇筑时缺陷产生的位置和原因，同时采用石粉填充法和图像二灰度处理法测试表征了混凝土浇筑顶面的缺陷面积占比、体积占比、最大/平均缺陷深度、主要缺陷分布等参数，为钢壳沉管自密实混凝土的后续施工提供了数据支撑。

1 试验

1.1 原材料

试验原材料包括P.Ⅱ 42.5硅酸盐水泥（C）、Ⅰ级粉煤灰（FA），需水量比96%、S95级矿粉（SL）、复合型膨胀剂（P1）、塑性膨胀剂（P2）、5～20 mm连续级配花岗岩碎石（G），筛分曲线见图1（a）、Ⅱ级配区河砂（S），细度模数2.7，筛分曲线见图1（b）、聚羧酸盐高性能减水剂（SP）、自来水（W）。

图1 骨料筛分曲线Fig.1 Aggregate screening curve

1.2 配合比

通过前期室内一系列试验确定的钢壳沉管用自密实混凝土配合比见表1，水胶比为0.32，砂率为46%。

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

1.3 模型参数

单仓缩尺模型尺寸为 1.5 m×1.5 m×0.75 m（长×宽×高），除底板外，其余面全部采用亚克力透明板，以便于观察自密实混凝土的实时浇筑情况。为保证面板平整度和施工过程中的刚度，在顶面设置反向加劲肋，上面开设浇筑孔和排气孔，侧面板和加劲肋制作同顶板，底面板和加劲肋均采用钢材制作，模型示意图及实体见图2。

图2 单仓缩尺模型Fig.2 Single warehouse scale model

1.4 缺陷表征方法

混凝土浇筑完成1 d后，拆除顶板，用相机拍摄顶面全景并进行相应图形处理来描绘缺陷形貌，同时采用坐底数显百分表测量缺陷深度，采用石粉填充缺陷，根据填充缺陷所需石粉的质量与其自身的松散堆积密度计算缺陷面积占比、体积占比、最大/平均缺陷深度、主要缺陷分布等，计算公式如下：

式中：S为顶面面积；Vc为顶板角钢高度范围内混凝土体积；di为第i次缺陷测量深度。面积缺陷率Ds由软件二灰度法直接得到。

2 结果与讨论

2.1 工作性

自密实混凝土的实测工作性见表2，指标完全符合设计要求。

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

2.2 顶面缺陷表征

由于单仓缩尺模型为半封闭结构，导致在自密实混凝土浇筑过程中模型内的气体无法完全通过排气孔排出，因此在混凝土脱模后，浇筑顶面会形成一些缺陷，见图3。

图3 顶面缺陷局部放大图Fig.3 Partial enlarged drawing of top surface defects

通过采用坐底数显百分表测量混凝土浇筑顶面的缺陷深度，并采用石粉填充法测量顶面缺陷的体积，将主要缺陷的深度描绘于CAD中，见图4。试验过程中发现对于一些微小的孔隙和不规则缺陷，由于百分表探头尺寸的限制无法自由深入，所以测量具有一定的局限性。

图4 顶面缺陷测试表征Fig.4 Characterization of top surface defect test

通过使用Image Pro Plus或Adobe Photo Shop软件对混凝土浇筑顶面缺陷的全景图进行二灰度处理，调节图像到适合的灰度阈值，可以方便地定性描述缺陷所占的比例，见图5。

图5 缺陷的二灰度处理效果图Fig.5 Effect of two-level grayscale processing of defects

通过上述方法对混凝土浇筑的顶面缺陷进行测试表征，可以依次得到最大缺陷深度、面（体）积缺陷率、平均缺陷深度、主要缺陷分布等数据，见表3。发现较大的缺陷往往集中出现在下料口附近、顶面加劲肋背面（相对于下料口）。下料口附近的缺陷主要有3个方面的因素：1）过快的浇筑速度不利于模型内空气的排出；2）悬空下料的冲击力也会在混凝土内部及顶面产生大量气泡和浮浆；3）近下料口流体压力较小难以保证混凝土的自密实。顶面加劲肋背面的缺陷主要是由于肋板开孔较大时，混凝土过孔时的冲击力大于自下而上的填充压力，造成易于在肋板背面形成缺陷。

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

3 结语

本文以深中通道钢壳沉管自密实混凝土浇筑为试验对象，为钢壳沉管自密实混凝土的后续施工提供了数据支撑，结论如下：

1）通过单仓缩尺模型试验检验了自密实混凝土浇筑时的工作性，并掌握了混凝土浇筑时缺陷产生的位置和原因。

2）采用了石粉填充法和图像二灰度处理法测试表征了混凝土浇筑顶面的缺陷面积占比、体积占比、最大/平均缺陷深度、主要缺陷分布等参数，较大缺陷往往集中出现在下料口附近、顶面加劲肋背面（相对于下料口）。