超荷載條件下合成型水泥混合料拌堤壩彈性恢復機制

王俠， 孫文君

(1. 河北水利電力學院 基礎部， 河北 滄州 061001；2. 河北水利電力學院 教務處， 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機制

王俠1， 孫文君2

(1. 河北水利電力學院 基礎部， 河北 滄州 061001；2. 河北水利電力學院 教務處， 河北 滄州 061001)

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

堤壩； 水泥混合料； 拌合成型； 超荷載； 彈性恢復機制

在我國防洪堤壩建設過程中，傳統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定性.傳統水泥混合料主要由一定配比的礦物質與水泥組成.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，在規定的時間內對成型堤壩各項指標和彈性恢復相關性能進行測定[1-2].傳統的水泥混合料拌合一般采用連續攪拌樓(SEA)技術[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量，就容易發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技術的這些弊端，容易產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強度降低，很大程度上影響了防洪堤壩的質量.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機制進行了研究.

1　彈性恢復機制影響因素的優化

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化，使之在超荷載條件下提高堤壩的彈性恢復能力.

1.1混合料中水泥的選擇和性能測試

選用ROL-2000型抗重載細基質水泥，將其與傳統的YC-100水泥[6]進行對比,結果如表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型抗重載細基質水泥的各項指標都遠遠優于傳統YC-100混合水泥.

表1　不同型號抗重載細基質水泥測試指標比對

1.2水泥混合料特定溫度拌合技術

采用間歇式水泥拌合機對水泥混合料進行拌合，根據多次實驗結果將拌合溫度恒定在特定的范圍.混合料拌合溫度的設定應根據Rolbaos系列公式在不同的施工季節、氣候條件、運輸條件、運輸距離及攤鋪設備、碾壓設備等因素，在區間內進行調整[7].

溫度拌合技術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,一定要防止產生離析現象，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為不同環境溫度下微調溫度；α(θ1),α(θ2),…,α(θn)為環境溫度變化修訂系數；θmin,θmax為環境溫度變化最大范圍；θ為根據不同的環境溫度修訂后的特定溫度中心值，該中心值的變化率應控制在±10%.

通過式(1)～(4)，可以確定拌合溫度區間，拌合時要嚴格控制.在混合料生產過程中，若混合料的干濕程度、拌和系統加熱速率、溫度傳感器的敏感性與準確性等控制不好，出現較大的偏差，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溫度范圍內最低溫度的水泥混合料中.AEM在水泥混合料中具有網狀的晶粒分布結構，可以增加水泥混合料的穩定性，增加堤壩的彈性，提高堤壩在使用溫度范圍內的抗荷載性能.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)為在此溫度范圍內的抗荷載函數值.

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

根據式(5)，(6)計算的特定溫度范圍內，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.用抗載荷系數對其進行描述，表示為

(7)

式(7)中：τ為抗載荷系數；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的抗負載系數提高近一倍.

1.4新型水泥混合料攤鋪技術的引入

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攤鋪作業.因此,在攤鋪前，必須對熨平板進行預熱，預熱時間控制在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.在攤鋪開始時，由于新型拌合技術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整，并對熨平板進行持續加熱，確保攤鋪過程中滿足混合料的要求.

由于速度是ROL-2000型抗重載細基質水泥能否與溫拌劑相結合的關鍵，根據不同溫度對攤鋪速度進行自適應調整.攤鋪速度過快，容易使ROL-2000型抗重載細基質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，還應使R-L型螺旋送料器[15]慢速、均勻、持續不斷地向兩側分別供料，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型抗重載細基質水泥與AEM型水泥混合料溫拌劑新型鋪攤技術的相關參數，如表2所示.表2中：θm為拌合溫度；t為鋪筑預熱時間；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下的鋪筑參數

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

2　仿真分析

對改進的水泥混合料拌合成型堤壩彈性恢復機制進行仿真分析，將改進后和傳統彈性恢復方法的相關參數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數據相同的條件下，進行仿真分析.傳統SEA技術的鋪筑參數：拌合溫度為室溫；無添加成分；無鋪筑預熱；出料最低溫度為環境溫度；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和傳統SEA技術的抗荷載能力分別為96，67 J·m-2；彈性恢復系數分別為0.92,0.71.

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

3　結束語

傳統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能力進行改進.實驗結果表明：在超荷載狀況下，抗荷載強度提高明顯，彈性恢復能力也有所提高.改進的彈性恢復機制可以提高成型堤壩在超荷載下的彈性恢復能力，為不同環境溫度下堤壩建設提供了科學依據.

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(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劃項目(GH161029)

TU 338

A

1000-5013(2016)05-0587-04