王道勇

（費(fèi)縣水利工程保障中心,山東 費(fèi)縣 273400）

0 引言

混凝土大壩時(shí)水利工程中常見的建筑物,在混凝土凝結(jié)過程中,其中的水泥會(huì)與水作用,發(fā)生水化反應(yīng),使其內(nèi)部的漿體狀態(tài)發(fā)生變化,而混凝土的凝結(jié)過程將直接影響大壩的穩(wěn)定性[1-2],近年來,許多專家學(xué)者針對(duì)大壩混凝土的凝結(jié)過程開展相關(guān)研究。

柴天紅等人[3]開展凝結(jié)試驗(yàn),分析不同因素對(duì)混凝土拌合物凝結(jié)時(shí)間的影響,結(jié)果表明,混凝土的含水量對(duì)其凝結(jié)時(shí)間的影響較大,在實(shí)際工程中,可適當(dāng)添加減水劑,達(dá)到減小混凝土凝結(jié)時(shí)間的目的。肖楚珺等人[4]以某混凝土大壩為研究對(duì)象,開展超聲波透射試驗(yàn)研究,對(duì)混凝土的凝結(jié)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,采用該方法對(duì)混凝土的凝結(jié)過程進(jìn)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(duì)象,基于貫入阻力法,對(duì)影響大壩混凝土凝結(jié)時(shí)間的因素進(jìn)行分析,結(jié)果表明,減水劑的摻量對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間有一定的影響。李友群等人[6]開展室內(nèi)試驗(yàn),研究粉煤灰的摻入對(duì)混凝土凝結(jié)過程的影響,結(jié)果表明,摻入粉煤灰會(huì)增大混凝土的凝結(jié)時(shí)間,但是可顯著提升其強(qiáng)度特性。崔博等人[7]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)混凝土大壩的凝結(jié)狀態(tài)進(jìn)行分析,結(jié)果表明,采用該方法得出的混凝土凝結(jié)時(shí)間準(zhǔn)確性較高。

本研究以某工程大壩混凝土為研究對(duì)象,聯(lián)合超聲波透射法和超聲波反射法,基于LM算法,對(duì)混凝土的凝結(jié)過程進(jìn)行研究,得出混凝土的初凝和終凝時(shí)間。

1 工程概況

本研究以某地區(qū)河道為研究背景,其控制流域面積為2314 km2,該地區(qū)為半干旱大陸性氣候,水文地質(zhì)條件良好,夏季降水量較大,為396.7 mm,以暴雨為主。其河道長(zhǎng)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(zhǎng)度為3.3 km,蓄水量56萬m3。溢流壩段分6個(gè)表孔,每孔寬度16 m,6孔總長(zhǎng)為96 m,每孔內(nèi)裝有一扇弧形閘門,堰面和閘墩為常態(tài)混凝土。

2 混凝土初終凝時(shí)間的確定

為判斷混凝土的凝結(jié)狀態(tài),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(shí)間。而超聲波能量的變化可反應(yīng)混凝土內(nèi)部圍觀結(jié)構(gòu)的變化情況,相較于貫入阻力法而言,其準(zhǔn)確性較高,且能更直觀地反應(yīng)混凝土的凝結(jié)情況。在混凝土凝結(jié)過程中,其中的水泥會(huì)與水作用,發(fā)生水化反應(yīng),使其內(nèi)部的漿體狀態(tài)發(fā)生變化,當(dāng)水泥凝結(jié)為固體后,可通過得出的聲波信號(hào)的變化,來判斷混凝土的凝結(jié)情況。本研究所采用的大壩混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(duì)象,采用超聲波發(fā)射裝置,基于超聲波透射法和超聲波反射法,對(duì)混凝土的凝結(jié)過程進(jìn)行研究。將超聲波透射法和超聲波反射法聯(lián)合使用,從攪拌好的混凝土篩除粗骨料,隨后裝入超聲波聯(lián)合法試驗(yàn)裝置。從水泥加水?dāng)嚢柚翜y(cè)得第一個(gè)波形,以此時(shí)時(shí)間作為0時(shí),采集頻率設(shè)置成每60 s/次。通過小波去噪法對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行處理,該方法的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 小波去噪法相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 聯(lián)合法確定混凝土初終凝時(shí)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(jù)聲波信號(hào)的變化,來判斷混凝土的凝結(jié)情況,其測(cè)定過程需要人工參與,因此,本研究聯(lián)合超聲波透射法和反射法,對(duì)混凝土的凝結(jié)過程進(jìn)行研究。反射法和透射法的時(shí)間～能量接收比曲線見圖1。由圖1可知,隨著時(shí)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?；炷恋臅r(shí)間～能量接收比曲線主要分為3個(gè)階段,當(dāng)時(shí)間為0～160 min時(shí),此時(shí)為第一階段,在該階段中,透射法的曲線變化趨勢(shì)較為平緩,而反射法的曲線接近線性變化趨勢(shì)；說明此階段的混凝土還未開始凝結(jié),混凝土漿中主要為液體,使得超聲波的反射效果較差,其時(shí)間～能量接收比曲線變化趨勢(shì)較為平緩。隨著時(shí)間的增大,當(dāng)時(shí)間為160 min～389 min時(shí),混凝土進(jìn)入第二階段,在此階段中,透射法的時(shí)間～能量接收比曲線呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),反射法的時(shí)間～能量接收比曲線呈線性下降趨勢(shì),此階段混凝土開始凝結(jié),內(nèi)部的液體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w,超聲波得以在固體縫隙間傳播,使得采用透射法的時(shí)間～能量接收比曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)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(shí)間～能量接收比曲線逐漸下降。當(dāng)時(shí)間大于389 min時(shí),混凝土凝結(jié)進(jìn)入第三階段,此時(shí)反射法的時(shí)間～能量接收比曲線下降趨勢(shì)逐漸趨于平緩,而透射法的時(shí)間～能量接收比曲線上升趨勢(shì)具有一定的波動(dòng)性,此階段混凝土進(jìn)入固結(jié)階段,其內(nèi)部發(fā)生的水化反應(yīng)基本完成,固體骨架中充滿水化產(chǎn)物,混凝土內(nèi)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(wěn),所以反射法與透射法的時(shí)間～能量接收比曲線逐漸趨于平緩。

圖1 時(shí)間～能量接收比曲線

3.2 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定混凝土凝結(jié)時(shí)間

雖然超聲波透射法和反射法能判斷混凝土的凝結(jié)情況,但其時(shí)間～能量接收比曲線的變化趨勢(shì)難以通過線性擬合表達(dá),因此,本研究基于LM算法,對(duì)以上兩種方法進(jìn)行聯(lián)合,得出其特征值,以分析混凝土的凝結(jié)情況,采用經(jīng)驗(yàn)公式得出最優(yōu)值,其公式見式（1）。

式中：m為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；l為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)上述方法可得出本研究的隱含節(jié)點(diǎn)數(shù)為7,輸入層為2。采用LM算法對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行分析,其得出的結(jié)果的皮爾遜相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,說明采用該算法的準(zhǔn)確性較高,可運(yùn)用于實(shí)際工程中的混凝土凝結(jié)情況分析。

選取5組混凝土進(jìn)行計(jì)算,得出的初凝時(shí)間實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖,見圖2。由圖2可知,采用LM算法得出的初凝時(shí)間與實(shí)測(cè)值間的差距較小,且計(jì)算值均略大于實(shí)測(cè)值,采用LM算法得出的5組初凝時(shí)間均在170 min左右,對(duì)比采用聯(lián)結(jié)法得出的混凝土初凝時(shí)間可得,二者間的差距較小,說明采用LM算法得出的結(jié)果準(zhǔn)確性較高。第二組的初凝時(shí)間實(shí)測(cè)值與計(jì)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(shí)間的誤差均在10 %以內(nèi),說明采用該方法來計(jì)算的混凝土初凝時(shí)間可行性較高。

圖2 初凝時(shí)間實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

混凝土終凝時(shí)間實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖見圖3。由圖可知,采用LM算法得出的混凝土終凝時(shí)間在360 min ～375 min之間,與聯(lián)結(jié)法得出的混凝土終凝時(shí)間較為接近。第二組的初凝時(shí)間實(shí)測(cè)值與計(jì)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(duì)比采用LM算法得出的初凝時(shí)間可得,終凝時(shí)間的誤差較大,說明采用LM算法對(duì)混凝土的初凝時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的準(zhǔn)確性較高,而采用LM算法得出的終凝時(shí)間的誤差變化較為穩(wěn)定,均在5%以內(nèi),說明采用LM算法對(duì)混凝土終凝時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的效果較為穩(wěn)定。綜合以上分析可得,采用LM算法對(duì)混凝土的初凝及終凝時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的準(zhǔn)確性較高,可應(yīng)用于實(shí)際工程中對(duì)混凝土的凝結(jié)情況進(jìn)行分析。

圖3 終凝時(shí)間實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

為分析混凝土凝結(jié)過程中,超聲波波速的變化情況,測(cè)得混凝土的凝結(jié)時(shí)間～超聲波波速曲線,見圖4。由圖4可知,凝結(jié)時(shí)間與超聲波波速呈正相關(guān)關(guān)系,隨著時(shí)間的增大,超聲波的波速呈增大趨勢(shì)。不同樣本間的凝結(jié)時(shí)間～波速曲線的變化趨勢(shì)具有一致性,且同一凝結(jié)時(shí)間對(duì)應(yīng)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(jié)果較為穩(wěn)定,準(zhǔn)確性較高。不同階段的凝結(jié)時(shí)間～波速曲線具有一定的差異性,主要體現(xiàn)在其曲線的斜率變化,當(dāng)凝結(jié)時(shí)間較小時(shí),凝結(jié)時(shí)間-波速曲線變化趨勢(shì)較為平緩,此時(shí)混凝土還未開始凝結(jié),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?。浑S著時(shí)間的增大,當(dāng)時(shí)間為170 min時(shí),混凝土的凝結(jié)時(shí)間～波速曲線斜率變大,根據(jù)以上分析可得,此時(shí)混凝土開始凝結(jié),內(nèi)部的液體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w,超聲波得以在固體縫隙間傳播,使得超聲波波速增大；當(dāng)時(shí)間為360 min時(shí),混凝土的凝結(jié)時(shí)間-波速曲線斜率進(jìn)一步增大,此時(shí)混凝土進(jìn)入第三階段,水化反應(yīng)完成,內(nèi)部逐漸致密化,混凝土凝結(jié)完成。

圖4 混凝土的凝結(jié)時(shí)間-超聲波波速曲線

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

圖5 不同方法下的初凝和終凝時(shí)間的誤差

4 結(jié)論

本研究以某工程大壩混凝土為研究對(duì)象,聯(lián)合超聲波透射法和超聲波反射法,基于LM算法,對(duì)混凝土的凝結(jié)過程進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論：

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

（2）混凝土終凝時(shí)間在360 min～375 min之間,5組混凝土的平均誤差為3.06%。對(duì)比采用LM算法得出的初凝時(shí)間可得,終凝時(shí)間的誤差較大,說明采用LM算法對(duì)混凝土的初凝時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的準(zhǔn)確性較高,但終凝時(shí)間的誤差變化較為穩(wěn)定,均在5%以內(nèi),說明采用LM算法對(duì)混凝土終凝時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的效果較為穩(wěn)定。

（3）采用聯(lián)合法分析混凝土凝結(jié)時(shí)間的相對(duì)誤差均小于5%,可顯著提高其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,且不同樣本間的相對(duì)誤差差距較小,采用該方法對(duì)混凝土的凝結(jié)過程進(jìn)行分析的準(zhǔn)確性較高,且其分析結(jié)果較為穩(wěn)定。