新拌大壩混凝土的凝結狀態測定分析

王道勇

（費縣水利工程保障中心,山東 費縣 273400）

0 引言

混凝土大壩時水利工程中常見的建筑物,在混凝土凝結過程中,其中的水泥會與水作用,發生水化反應,使其內部的漿體狀態發生變化,而混凝土的凝結過程將直接影響大壩的穩定性[1-2],近年來,許多專家學者針對大壩混凝土的凝結過程開展相關研究。

柴天紅等人[3]開展凝結試驗,分析不同因素對混凝土拌合物凝結時間的影響,結果表明,混凝土的含水量對其凝結時間的影響較大,在實際工程中,可適當添加減水劑,達到減小混凝土凝結時間的目的。肖楚珺等人[4]以某混凝土大壩為研究對象,開展超聲波透射試驗研究,對混凝土的凝結狀態進行監測,結果表明,采用該方法對混凝土的凝結過程進行分析的可行性較高。王凱等人[5]以碾壓混凝土壩為研究對象,基于貫入阻力法,對影響大壩混凝土凝結時間的因素進行分析,結果表明,減水劑的摻量對混凝土凝結時間有一定的影響。李友群等人[6]開展室內試驗,研究粉煤灰的摻入對混凝土凝結過程的影響,結果表明,摻入粉煤灰會增大混凝土的凝結時間,但是可顯著提升其強度特性。崔博等人[7]采用神經網絡模型,對混凝土大壩的凝結狀態進行分析,結果表明,采用該方法得出的混凝土凝結時間準確性較高。

本研究以某工程大壩混凝土為研究對象,聯合超聲波透射法和超聲波反射法,基于LM算法,對混凝土的凝結過程進行研究,得出混凝土的初凝和終凝時間。

1 工程概況

本研究以某地區河道為研究背景,其控制流域面積為2314 km2,該地區為半干旱大陸性氣候,水文地質條件良好,夏季降水量較大,為396.7 mm,以暴雨為主。其河道長3.6 km,主壩為混凝土重力壩,最大壩高88.50 m,最大壩底寬75.8 m,壩頂寬7 m,大壩由溢流壩段、左右岸擋水壩段,下游水墊塘組成,其總蓄水長度為3.3 km,蓄水量56萬m3。溢流壩段分6個表孔,每孔寬度16 m,6孔總長為96 m,每孔內裝有一扇弧形閘門,堰面和閘墩為常態混凝土。

2 混凝土初終凝時間的確定

為判斷混凝土的凝結狀態,常采用貫入阻力法得出混凝土的貫入阻力,以此判斷混凝土的初凝和終凝時間。而超聲波能量的變化可反應混凝土內部圍觀結構的變化情況,相較于貫入阻力法而言,其準確性較高,且能更直觀地反應混凝土的凝結情況。在混凝土凝結過程中,其中的水泥會與水作用,發生水化反應,使其內部的漿體狀態發生變化,當水泥凝結為固體后,可通過得出的聲波信號的變化,來判斷混凝土的凝結情況。本研究所采用的大壩混凝土強度等級為C25,其配合比為水泥：水：砂：碎石=1∶0.47∶1.59∶3.39。本研究以某工程大壩混凝土為研究對象,采用超聲波發射裝置,基于超聲波透射法和超聲波反射法,對混凝土的凝結過程進行研究。將超聲波透射法和超聲波反射法聯合使用,從攪拌好的混凝土篩除粗骨料,隨后裝入超聲波聯合法試驗裝置。從水泥加水攪拌至測得第一個波形,以此時時間作為0時,采集頻率設置成每60 s/次。通過小波去噪法對得出的結果進行處理,該方法的相關參數見表1。

表1 小波去噪法相關參數

3 結果分析

3.1 聯合法確定混凝土初終凝時間

由于反射法存在一定的局限性,受到入射角度的影響,而透射法是根據聲波信號的變化,來判斷混凝土的凝結情況,其測定過程需要人工參與,因此,本研究聯合超聲波透射法和反射法,對混凝土的凝結過程進行研究。反射法和透射法的時間～能量接收比曲線見圖1。由圖1可知,隨著時間的增大,透射法的能量接收比逐漸增大,而反射法的能量接收比逐漸減小。混凝土的時間～能量接收比曲線主要分為3個階段,當時間為0～160 min時,此時為第一階段,在該階段中,透射法的曲線變化趨勢較為平緩,而反射法的曲線接近線性變化趨勢；說明此階段的混凝土還未開始凝結,混凝土漿中主要為液體,使得超聲波的反射效果較差,其時間～能量接收比曲線變化趨勢較為平緩。隨著時間的增大,當時間為160 min～389 min時,混凝土進入第二階段,在此階段中,透射法的時間～能量接收比曲線呈線性增長趨勢,反射法的時間～能量接收比曲線呈線性下降趨勢,此階段混凝土開始凝結,內部的液體逐漸轉變為固體,超聲波得以在固體縫隙間傳播,使得采用透射法的時間～能量接收比曲線增長趨勢顯著；采用反射法的橫波在鋼板與砂漿間上下折射衰減,使得采用反射法的時間～能量接收比曲線逐漸下降。當時間大于389 min時,混凝土凝結進入第三階段,此時反射法的時間～能量接收比曲線下降趨勢逐漸趨于平緩,而透射法的時間～能量接收比曲線上升趨勢具有一定的波動性,此階段混凝土進入固結階段,其內部發生的水化反應基本完成,固體骨架中充滿水化產物,混凝土內部逐漸致密化,其中的孔隙逐漸減小,橫波與縱波反射較為平穩,所以反射法與透射法的時間～能量接收比曲線逐漸趨于平緩。

圖1 時間～能量接收比曲線

3.2 利用神經網絡確定混凝土凝結時間

雖然超聲波透射法和反射法能判斷混凝土的凝結情況,但其時間～能量接收比曲線的變化趨勢難以通過線性擬合表達,因此,本研究基于LM算法,對以上兩種方法進行聯合,得出其特征值,以分析混凝土的凝結情況,采用經驗公式得出最優值,其公式見式（1）。

式中：m為隱含層節點數；l為輸出層節點數；n為輸入層節點數。

根據上述方法可得出本研究的隱含節點數為7,輸入層為2。采用LM算法對混凝土的凝結時間進行分析,其得出的結果的皮爾遜相關系數均在0.9以上,說明采用該算法的準確性較高,可運用于實際工程中的混凝土凝結情況分析。

選取5組混凝土進行計算,得出的初凝時間實測值與計算值對比圖,見圖2。由圖2可知,采用LM算法得出的初凝時間與實測值間的差距較小,且計算值均略大于實測值,采用LM算法得出的5組初凝時間均在170 min左右,對比采用聯結法得出的混凝土初凝時間可得,二者間的差距較小,說明采用LM算法得出的結果準確性較高。第二組的初凝時間實測值與計算值間的誤差最小,其值為0.3 %,第四組的誤差最大,其值為6.8 %,5組混凝土的平均誤差為2.34 %,通過LM算法得出的混凝土初凝時間的誤差均在10 %以內,說明采用該方法來計算的混凝土初凝時間可行性較高。

圖2 初凝時間實測值與計算值對比圖

混凝土終凝時間實測值與計算值對比圖見圖3。由圖可知,采用LM算法得出的混凝土終凝時間在360 min ～375 min之間,與聯結法得出的混凝土終凝時間較為接近。第二組的初凝時間實測值與計算值間的誤差最小,其值為1.4%,第四組的誤差最大,其值為4.8%,5組混凝土的平均誤差為3.06%。對比采用LM算法得出的初凝時間可得,終凝時間的誤差較大,說明采用LM算法對混凝土的初凝時間進行計算的準確性較高,而采用LM算法得出的終凝時間的誤差變化較為穩定,均在5%以內,說明采用LM算法對混凝土終凝時間進行計算的效果較為穩定。綜合以上分析可得,采用LM算法對混凝土的初凝及終凝時間進行計算的準確性較高,可應用于實際工程中對混凝土的凝結情況進行分析。

圖3 終凝時間實測值與計算值對比圖

為分析混凝土凝結過程中,超聲波波速的變化情況,測得混凝土的凝結時間～超聲波波速曲線,見圖4。由圖4可知,凝結時間與超聲波波速呈正相關關系,隨著時間的增大,超聲波的波速呈增大趨勢。不同樣本間的凝結時間～波速曲線的變化趨勢具有一致性,且同一凝結時間對應的超聲波波速差距較小,說明采用LM算法得出的超聲波波速結果較為穩定,準確性較高。不同階段的凝結時間～波速曲線具有一定的差異性,主要體現在其曲線的斜率變化,當凝結時間較小時,凝結時間-波速曲線變化趨勢較為平緩,此時混凝土還未開始凝結,混凝土漿中主要為液體,使得超聲波的反射效果較差,波速較小；隨著時間的增大,當時間為170 min時,混凝土的凝結時間～波速曲線斜率變大,根據以上分析可得,此時混凝土開始凝結,內部的液體逐漸轉變為固體,超聲波得以在固體縫隙間傳播,使得超聲波波速增大；當時間為360 min時,混凝土的凝結時間-波速曲線斜率進一步增大,此時混凝土進入第三階段,水化反應完成,內部逐漸致密化,混凝土凝結完成。

圖4 混凝土的凝結時間-超聲波波速曲線

為驗證本研究采用的基于聯合法的LM算法相對于其他方法的優越性,對比分析不同方法下的初凝和終凝時間的誤差情況,見圖5。由圖5可知,采用聯合法的初凝和終凝時間相對誤差均為最小,采用反射法和透射法產生的相對誤差較大,不同樣本的初凝和終凝時間均在10%以上,說明僅采用以上兩種方式對混凝土的凝結過程進行分析的誤差較大,若將反射法與透射法進行聯合分析,可顯著提高其分析結果的準確性。采用聯合法分析混凝土凝結時間的相對誤差均小于5%,且不同樣本間的相對誤差差距較小,說明采用該方法對混凝土的凝結過程進行分析的準確性較高,且其分析結果較為穩定。

圖5 不同方法下的初凝和終凝時間的誤差

4 結論

本研究以某工程大壩混凝土為研究對象,聯合超聲波透射法和超聲波反射法,基于LM算法,對混凝土的凝結過程進行研究,得出以下結論：

（1）采用LM算法得出的初凝時間與實測值間的差距較小,且計算值均略大于實測值,得出的5組初凝時間均在170 min左右。

（2）混凝土終凝時間在360 min～375 min之間,5組混凝土的平均誤差為3.06%。對比采用LM算法得出的初凝時間可得,終凝時間的誤差較大,說明采用LM算法對混凝土的初凝時間進行計算的準確性較高,但終凝時間的誤差變化較為穩定,均在5%以內,說明采用LM算法對混凝土終凝時間進行計算的效果較為穩定。

（3）采用聯合法分析混凝土凝結時間的相對誤差均小于5%,可顯著提高其分析結果的準確性,且不同樣本間的相對誤差差距較小,采用該方法對混凝土的凝結過程進行分析的準確性較高,且其分析結果較為穩定。