超荷載條件下合成型水泥混合料拌堤壩彈性恢復(fù)機制

王俠， 孫文君

(1. 河北水利電力學院 基礎(chǔ)部， 河北 滄州 061001；2. 河北水利電力學院 教務(wù)處， 河北 滄州 061001)

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超荷載條件下合成型水泥混合料拌堤壩彈性恢復(fù)機制

王俠1， 孫文君2

(1. 河北水利電力學院 基礎(chǔ)部， 河北 滄州 061001；2. 河北水利電力學院 教務(wù)處， 河北 滄州 061001)

通過對水泥材料、特定溫拌劑的添加量、溫度拌合技術(shù)和拌合攤鋪技術(shù)等方面的優(yōu)化分析，探討在超荷載條件下堤壩彈性恢復(fù)能力的恢復(fù)機制.結(jié)果表明：改進的水泥混合料拌合成型技術(shù)所修筑的堤壩在超荷載下抗荷載強度提高明顯，彈性恢復(fù)機制可以提高成型堤壩在超荷載下的彈性恢復(fù)能力.

堤壩； 水泥混合料； 拌合成型； 超荷載； 彈性恢復(fù)機制

在我國防洪堤壩建設(shè)過程中，傳統(tǒng)方法采用常溫下水泥混合料作為堤壩表層來加強堤壩的穩(wěn)定性.傳統(tǒng)水泥混合料主要由一定配比的礦物質(zhì)與水泥組成.具體拌合流程：將各種礦物混合料、一定量的水泥進行配比和拌合成型，在規(guī)定的時間內(nèi)對成型堤壩各項指標和彈性恢復(fù)相關(guān)性能進行測定[1-2].傳統(tǒng)的水泥混合料拌合一般采用連續(xù)攪拌樓(SEA)技術(shù)[3-4]，其最大特點是使用的混合料中細料較少，礦粉和粗料較多，這一特點增加了混合料的拌合難度.此外，由于粗料的比例較大，如果不能合理地配置細料倉與粗料倉的數(shù)量，就容易發(fā)生虧料和溢倉的情況.在這種條件下，水泥混合料拌合配料時，不容易控制粗料倉的開合，從而不可能最大限度地保持混合料的干燥性，無法精準地掌握混合料干拌和濕拌的時間，而且在拌合中，還要適量地添加纖維，因此，在混合料拌合均勻后，不能儲存較長時間[5].由于SEA技術(shù)的這些弊端，容易產(chǎn)生水泥混合料的析漏，使水泥混合料中的水泥量流失，所筑基堤壩彈性恢復(fù)強度降低，很大程度上影響了防洪堤壩的質(zhì)量.因此，本文對水泥混合料拌合成型堤壩在超荷載下彈性恢復(fù)機制進行了研究.

1　彈性恢復(fù)機制影響因素的優(yōu)化

對水泥的選用、添加特定的溫拌劑、溫度范圍的控制、混合料的拌合攤鋪等方面進行優(yōu)化，使之在超荷載條件下提高堤壩的彈性恢復(fù)能力.

1.1混合料中水泥的選擇和性能測試

選用ROL-2000型抗重載細基質(zhì)水泥，將其與傳統(tǒng)的YC-100水泥[6]進行對比,結(jié)果如表1所示.表1中:Mc為100 g，25 ℃，5 s，0.1 m條件下的粘合度；Kc為15 ℃，5 cm·min-1條件下的延展度；θ為應(yīng)變軟化溫度；ρ為密度；S為溶解度；AW為低溫成型度.由表1可知：ROL-2000型抗重載細基質(zhì)水泥的各項指標都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)YC-100混合水泥.

表1　不同型號抗重載細基質(zhì)水泥測試指標比對

1.2水泥混合料特定溫度拌合技術(shù)

采用間歇式水泥拌合機對水泥混合料進行拌合，根據(jù)多次實驗結(jié)果將拌合溫度恒定在特定的范圍.混合料拌合溫度的設(shè)定應(yīng)根據(jù)Rolbaos系列公式在不同的施工季節(jié)、氣候條件、運輸條件、運輸距離及攤鋪設(shè)備、碾壓設(shè)備等因素，在區(qū)間內(nèi)進行調(diào)整[7].

溫度拌合技術(shù)又可以分為熱拌和溫拌,熱拌主要將溫度控制在165 ℃，溫拌將溫度控制在140 ℃.因此，在進行水泥混合料拌合時,需要對溫度進行嚴格控制，在拌合的同時,不影響水泥混合料的性能[8].與此同時,一定要防止產(chǎn)生離析現(xiàn)象，不影響拌和效果[9].

Rolbaos系列公式表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中：θ1,θ2,…,θn為不同環(huán)境溫度下微調(diào)溫度；α(θ1),α(θ2),…,α(θn)為環(huán)境溫度變化修訂系數(shù)；θmin,θmax為環(huán)境溫度變化最大范圍；θ為根據(jù)不同的環(huán)境溫度修訂后的特定溫度中心值，該中心值的變化率應(yīng)控制在±10%.

通過式(1)～(4)，可以確定拌合溫度區(qū)間，拌合時要嚴格控制.在混合料生產(chǎn)過程中，若混合料的干濕程度、拌和系統(tǒng)加熱速率、溫度傳感器的敏感性與準確性等控制不好，出現(xiàn)較大的偏差，要及時查找原因，并迅速修正.

1.3特定溫拌劑的添加

在進行水泥混合料拌合時，采用為配合Rolbaos系列公式修訂的溫度而開發(fā)的AEM型水泥混合料溫拌劑.AEM型水泥混合料溫拌劑是一種臘狀粘性劑，它的最高熔點不超過100 ℃，可以完全溶解在Rolbaos溫度范圍內(nèi)最低溫度的水泥混合料中.AEM在水泥混合料中具有網(wǎng)狀的晶粒分布結(jié)構(gòu)，可以增加水泥混合料的穩(wěn)定性，增加堤壩的彈性，提高堤壩在使用溫度范圍內(nèi)的抗荷載性能.在添加特定溫拌劑時，需要注意添加速率，要求水泥罐車和特定溫拌劑同時卸完，基本上要同步[10].

添加AEM型水泥混合料溫拌劑后，堤壩在超荷載下的彈性機制表示為

(5)

(6)

式(5),(6)中:θmax,θmin分別為AEM型水泥混合料溫拌劑適宜溫度范圍的最大值和最小值；λ(θ)為在此溫度范圍內(nèi)的抗荷載函數(shù)值.

圖1　添加AEM溫拌劑前后的抗負載對比Fig.1　Comparison of strength before and after adding AEM warm mix agent

根據(jù)式(5)，(6)計算的特定溫度范圍內(nèi)，添加AEM溫拌劑和未添加AEM溫拌劑的抗荷載特性曲線，如圖1所示.圖1中：θ為溫度.用抗載荷系數(shù)對其進行描述，表示為

(7)

式(7)中：τ為抗載荷系數(shù)；W為總載荷.由圖1可知：在特定溫度下，添加AEM溫拌劑的混合料筑成的堤壩比未添加AEM的抗負載系數(shù)提高近一倍.

1.4新型水泥混合料攤鋪技術(shù)的引入

水泥混合料拌合后，需要借助攤鋪機在特定的溫度下進行持續(xù)攤鋪作業(yè).因此,在攤鋪前，必須對熨平板進行預(yù)熱，預(yù)熱時間控制在15min左右為宜[11].在進行攤鋪時要注意兩點：一是攤鋪時，要盡量維持在一個速度上，因為攤鋪速度發(fā)生變化會導致攤鋪表面不平衡[12]；二是攤鋪方式的選擇，常用的攤鋪方式為熱接熱的方法，該方法可以增加攤鋪后水泥混合料的性能[13].

引入了一種新型水泥混合料攤鋪技術(shù).在攤鋪開始時，由于新型拌合技術(shù)下水泥混合料的出口溫度不能低于100 ℃，在該初始溫度下,對攤鋪機工作溫度進行實時調(diào)整，并對熨平板進行持續(xù)加熱，確保攤鋪過程中滿足混合料的要求.

由于速度是ROL-2000型抗重載細基質(zhì)水泥能否與溫拌劑相結(jié)合的關(guān)鍵，根據(jù)不同溫度對攤鋪速度進行自適應(yīng)調(diào)整.攤鋪速度過快，容易使ROL-2000型抗重載細基質(zhì)水泥表面的粗顆粒向外滑動，造成堤壩的凹凸；攤鋪速度過慢，則影響施工效率，加重施工成本[14].在鋪筑中，還應(yīng)使R-L型螺旋送料器[15]慢速、均勻、持續(xù)不斷地向兩側(cè)分別供料，使送料器中的料始終維持在R-L型螺送料器的旋葉片上.隨著攤鋪機前進，R-L型螺旋攤鋪器即在攤鋪帶寬度上均勻地攤鋪水泥混合.配合ROL-2000型抗重載細基質(zhì)水泥與AEM型水泥混合料溫拌劑新型鋪攤技術(shù)的相關(guān)參數(shù)，如表2所示.表2中：θm為拌合溫度；t為鋪筑預(yù)熱時間；θo，min為出料最低溫度；θp為鋪筑溫度；v為鋪筑速度；d為層間錯縫.

表2　新型水泥混合料拌合成型技術(shù)下的鋪筑參數(shù)

表2的參數(shù)是改進型水泥混合料拌合成型技術(shù)在鋪筑堤壩時必須遵循的基礎(chǔ)參數(shù)，也是修筑堤壩在超荷載時,能夠確保彈性恢復(fù)的前提條件.

2　仿真分析

對改進的水泥混合料拌合成型堤壩彈性恢復(fù)機制進行仿真分析，將改進后和傳統(tǒng)彈性恢復(fù)方法的相關(guān)參數(shù)及施工條件進行對比分析，比較不同方法修筑后堤壩的彈性恢復(fù)效果.為了凸顯改進后水泥混合料成分、拌合溫度、AEM添加劑等主要因素對彈性機制的影響，在施工速度和層間錯縫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相同的條件下，進行仿真分析.傳統(tǒng)SEA技術(shù)的鋪筑參數(shù)：拌合溫度為室溫；無添加成分；無鋪筑預(yù)熱；出料最低溫度為環(huán)境溫度；鋪筑溫度為80 ℃.

通過計算機輔助計算，可得改進后水泥混合料拌合成型技術(shù)和傳統(tǒng)SEA技術(shù)的抗荷載能力分別為96，67 J·m-2；彈性恢復(fù)系數(shù)分別為0.92,0.71.

對不同水泥混合料拌合成型技術(shù)下的抗荷載能力和彈性恢復(fù)系數(shù)對比分析可知:改進的水泥混合料拌合成型技術(shù)所修筑的堤壩在超荷載下抗荷載強度提高明顯，彈性恢復(fù)機制也有所提高.說明改進的彈性恢復(fù)機制,可以提高成型堤壩在超荷載下的彈性恢復(fù)能力.

3　結(jié)束語

傳統(tǒng)水泥混合料拌合成型方式修筑堤壩表層軟硬程度不均一，在超荷載條件下對堤壩的損傷較大.通過改變水泥混合料的成分,選擇合適的拌合溫度和攤鋪溫度以及加入特殊的添加劑等方式對堤壩彈性恢復(fù)能力進行改進.實驗結(jié)果表明：在超荷載狀況下，抗荷載強度提高明顯，彈性恢復(fù)能力也有所提高.改進的彈性恢復(fù)機制可以提高成型堤壩在超荷載下的彈性恢復(fù)能力，為不同環(huán)境溫度下堤壩建設(shè)提供了科學依據(jù).

[1]王鐵慶,楊人鳳,李愛國.橡膠瀝青彈性恢復(fù)性能指標的對比試驗研究[J].公路交通科技,2016(4):32-38.

[2]劉靜靜,黎圣,覃朝科,等.鉛鋅硫化礦尾礦用作生產(chǎn)復(fù)合硅酸鹽水泥混合材料的試驗研究[J].礦產(chǎn)與地質(zhì),2015,29(5):678-681.

[3]王連捷,崔軍文,孫東生.騰沖科學鉆探孔非彈性應(yīng)變恢復(fù)法三維地應(yīng)力測量[J].地球?qū)W報,2016(1):111-115.

[4]魏鵬.不同水泥用量對乳化瀝青冷再生混合料性能的影響[J].城市道橋與防洪,2014,7(7):328-330.

[5]盧紅,武海龍,王衛(wèi)華.水泥基快硬瓷磚膠中鋁酸鹽復(fù)合膠凝體系的試驗[J].華僑大學學報(自然科學版),2015,36(1):69-73.

[6]王官超,杜啟振.基于包絡(luò)目標函數(shù)的彈性波波形反演[J].石油物探,2016(1):133-141.

[7]黃麗媚,郭松,趙騫.熱塑性聚烯烴彈性體的單向形狀記憶行為[J].化工學報,2016(2):661-666.

[8]林生峰.溫拌纖維瀝青混合料在舊水泥路面加鋪的應(yīng)用[J].廣東建材,2015,31(5):17-19.

[9]胡尚軍.水泥穩(wěn)定碎石混合料施工防離析技術(shù)研究[J].交通科技,2014(6):123-125.

[10]楊融,韓鵬.溫拌瀝青混合料SMA在寧高高速公路改造工程中的應(yīng)用[J].四川水泥,2015(10)：326-327.

[11]尹錦明,田濤,王永.強震后鉛芯橡膠支座在簡支梁橋恢復(fù)重建中的應(yīng)用[J].中外公路,2016(1):140-143.

[12]邊玉強.高速公路瀝青路面施工中雙層攤鋪技術(shù)的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2016(2)：141-143.

[13]楊永紅,任亞鵬,王選倉,等.瀝青面層雙層攤鋪混合料疲勞性能[J].建筑材料學報,2015,18(3):458-463.

[14]孔綱強,周航,曹兆虎.擴底楔形樁水平向承載力理論計算方法研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2016,53(1):119-126.

[15]周航,孔綱強,曹兆虎.橢圓形孔擴張彈性分析[J].固體力學學報,2015(1):85-91.

(責任編輯： 黃曉楠英文審校： 方德平)

Elastic Recovery Mechanism of Synthetic Cement Mixture Mixed Dam Under Over Load

WANG Xia1, SUN Wenjun2

(1. Basic Science Department， Hebei University of Water Resources and Electric Engineering， Cangzhou 061001, China；2. Educational Administration Department，Hebei University of Water Resources and Electric Engineering， Cangzhou 061001, China)

The mechanism of the dam elastic recovery ability under over load was discussed by the optimal analysis of the cement material, amount of special warm mix additives, mixing temperature and mixing paving technology. The results show that the strength of the dam constructed by the improved mixing technology of cement mixed material increases significantly under over load, and elastic recovery mechanism can improve the elastic recovery ability of the formed dam under over load.

dam； cement mixture; mix molding; over load; elastic recovery mechanism

10.11830/ISSN.1000-5013.201605012

2016-06-21

王俠(1973-)，女，副教授，主要從事建筑與土木工程的研究.E-mail:hebeiwangxia@163.com.

河北省高等學校人文社會科學研究規(guī)劃項目(GH161029)

TU 338

A

1000-5013(2016)05-0587-04