吳福飛,宮經(jīng)偉,董雙快,陳昌禮,趙振華
(1. 貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院,貴州貴陽 550025; 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052)
不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)水泥-鋰渣漿體水化程度影響
吳福飛1,宮經(jīng)偉2,董雙快1,陳昌禮1,趙振華1
(1. 貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院,貴州貴陽 550025; 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052)
為了分析水泥-鋰渣漿體的水化程度,采用高溫煅燒法測(cè)試各齡期的化學(xué)結(jié)合水,結(jié)果發(fā)現(xiàn):水泥-鋰渣漿體的化學(xué)結(jié)合水量隨齡期的延長(zhǎng)而增加,水化3 d和7 d時(shí)能達(dá)到水化90 d時(shí)的60%和80%。高溫養(yǎng)護(hù)、堿激發(fā)、高溫和堿激發(fā)均能提高鋰渣復(fù)合水泥基材料早期的化學(xué)結(jié)合水量,最高可達(dá)3~4倍,提高的幅度依次為堿激發(fā)和高溫養(yǎng)護(hù)>堿激發(fā)>高溫養(yǎng)護(hù)>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。高溫和復(fù)合環(huán)境養(yǎng)護(hù)也能提高水泥的水化程度,1~28 d內(nèi),鋰渣摻量在40%以內(nèi)時(shí),水泥水化程度相對(duì)指數(shù)(ψ值)均大于1;摻量為60%時(shí),ψ值均小于1。綜上,高溫養(yǎng)護(hù)、堿激發(fā)、高溫和堿激發(fā)均能提高鋰渣和水泥的水化程度,高溫和堿激發(fā)復(fù)合作用時(shí)較為顯著。
養(yǎng)護(hù)方式; 水泥; 鋰渣; 水化程度
鋰渣是一種具有潛在火山灰活性的礦物摻合料,適量鋰渣(20%~30%)等質(zhì)量替代水泥后,混凝土的力學(xué)性能、抗裂性能、干燥收縮、氯離子滲透性和抗凍性能等指標(biāo)[1-4]能得到改善,故鋰渣混凝土已在一些工程中得到了推廣使用:如新疆烏蘇布爾增水庫面板和基礎(chǔ)、新疆烏市新民路高架橋、新疆烏蘇西海子水庫面板,新疆呼圖壁縣青年渠首和四川金華電航橋等工程。對(duì)新疆呼圖壁縣青年渠首運(yùn)行6年的的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),鋰渣混凝土面板的表面均未出現(xiàn)小孔洞、開裂、局部表面漿體脫落等現(xiàn)象,同一水庫的粉煤灰混凝土面板表面已有部分剝落現(xiàn)象,且在混凝土硬化的整個(gè)齡期,鋰渣混凝土的強(qiáng)度均高于粉煤灰混凝土[5]。鋰渣摻量超過30%時(shí)對(duì)上述性能有劣化作用,因此不能大量使用鋰渣。為了提高礦物摻合料在砂漿及混凝土中的利用率,許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),磨細(xì)、高溫或化學(xué)激發(fā)等方式[6-8]都能提高礦物摻合料的活性。目前,表征復(fù)合水泥基材料水化過程的方法有未水化百分率法[9],K值法[10],Rietveld法[11],Ca(OH)2含量法和化學(xué)結(jié)合水量法[12-13]等?;瘜W(xué)結(jié)合水量法的操作、測(cè)試簡(jiǎn)單、成本低廉。另外,水泥漿體中的化學(xué)結(jié)合水通常以水分子或OH-的形式存在。因此,本文采用高溫、堿激發(fā)等養(yǎng)護(hù)方式,探討?zhàn)B護(hù)條件對(duì)鋰渣復(fù)合水泥基材料化學(xué)結(jié)合水量以及水泥水化程度的影響,以期為鋰渣在砂漿及混凝土中的利用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。
1.1 材料
水泥采用中國聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·Ⅰ42.5基準(zhǔn)水泥,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.8%,比表面積為380 m2/kg。鋰渣采用鋰鹽廠的烘干鋰渣,需水量為110 %,原渣比表面積為400 m2/kg,外觀呈乳白色。鋰渣和水泥化學(xué)成分的測(cè)定結(jié)果見表1。
表1 基準(zhǔn)水泥和鋰渣化學(xué)成分
1.2 試樣制備與測(cè)試方法
試驗(yàn)時(shí)按照表2所示配合比,成型基準(zhǔn)水泥-鋰渣凈漿試樣于10 mL的離心管中,將蓋擰緊后置于標(biāo)養(yǎng)室(溫度為(20±1) ℃、相對(duì)濕度大于95%)中養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(1,3,7,28,60和90 d)后通過馬弗爐高溫煅燒測(cè)試其水化結(jié)合水量(具體參照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行)。另外,對(duì)于摻鋰渣的部分試樣(LB1, LB3和LD1, LD3)同時(shí)還采用高溫養(yǎng)護(hù)、堿激發(fā)、堿激發(fā)和高溫復(fù)合作用的模式。高溫養(yǎng)護(hù)為:將成型后的基準(zhǔn)水泥-鋰渣凈漿試樣直接放入50 ℃和100 ℃的恒溫水浴中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。堿激發(fā)、堿激發(fā)和高溫復(fù)合養(yǎng)護(hù)為:采用NaOH配制成pH=13.5的堿溶液(每升水需12.65 g NaOH),將其作為漿體的拌合用水成型試樣,再將部分試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期,部分試樣放入100 ℃的恒溫水浴中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。
表2 鋰渣復(fù)合水泥基材料配合比
2.1 鋰渣復(fù)合水泥基材料的化學(xué)結(jié)合水
2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的化學(xué)結(jié)合水量 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下鋰渣復(fù)合水泥基材料的化學(xué)結(jié)合水量隨齡期的變化規(guī)律如圖1所示。
圖1 標(biāo)養(yǎng)下鋰渣復(fù)合水泥基材料的化學(xué)結(jié)合水量Fig.1 Combined water content of lithium slag composite binder under standard curing
由圖1可見,鋰渣復(fù)合水泥基材料的化學(xué)結(jié)合水量隨齡期的延長(zhǎng)而增大,但均低于同齡期下純水泥漿體。在水化早期,特別是水化7 d前,各組試樣化學(xué)結(jié)合水量的增幅較大,水化3和7 d時(shí)基本上能達(dá)到水化90 d時(shí)的60%和80%以上,之后的增幅變得較為緩慢。鋰渣摻入后降低了膠凝材料中水泥用量,使參與反應(yīng)的顆粒變少,進(jìn)一步降低了各齡期下化學(xué)結(jié)合水的總量。鋰渣摻量越大,這種稀釋作用就越明顯,其化學(xué)結(jié)合水量的降低幅度就越大。在同摻量下,水膠比增大時(shí),漿體的化學(xué)結(jié)合水量有增大趨勢(shì),但增幅基本上都小于鋰渣摻量的影響。雖然較大水膠比相對(duì)能提供更多的水分和水化反應(yīng)需要的水化空間,使其反應(yīng)更加充分進(jìn)而增大鋰渣復(fù)合水泥基材料的化學(xué)結(jié)合水量,但是鋰渣的吸水率較大,摻入后,除稀釋了水泥顆粒外,還增加了膠凝體系中的水量。因此,鋰渣摻量對(duì)復(fù)合水泥基材料的化學(xué)結(jié)合水量的影響高于水膠比。
2.1.2 高溫下的化學(xué)結(jié)合水量 高溫(50和100 ℃)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下鋰渣復(fù)合膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水量隨齡期的變化規(guī)律如圖2所示。高溫養(yǎng)護(hù)能提高各水膠比試樣的化學(xué)結(jié)合水量,尤其在水化早期(1~7 d)。當(dāng)水膠比為0.40且養(yǎng)護(hù)溫度為50 ℃時(shí),鋰渣復(fù)合水泥基材料水化1 d的化學(xué)結(jié)合水量比標(biāo)養(yǎng)時(shí)提高了21.5%(摻量為20%)和31.8%(摻量為60%),水膠比降低至0.30時(shí),分別提高了21.6%和60.5%。當(dāng)水膠比為0.40且養(yǎng)護(hù)溫度為100 ℃時(shí),鋰渣復(fù)合水泥基材料水化1 d的化學(xué)結(jié)合水量比標(biāo)養(yǎng)時(shí)提高了33.1%和47.6%,水膠比降低至0.30時(shí),分別提高了29.7%和83.1%??梢姼邷啬芴岣吣z凝材料的水化程度,鋰渣摻量越大,其化學(xué)結(jié)合水的增量就越大。這主要是高溫能夠加速鋰渣中以玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的—O—Si—O—鍵、—Al—O—Si—O—鍵發(fā)生斷裂,即高溫有利于玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的解聚,提高鋰渣在水泥基中的水化反應(yīng)速率,增大其水化反應(yīng)程度,使鋰渣活性得以激發(fā),反應(yīng)產(chǎn)物生成迅速,化學(xué)結(jié)合水量的增加趨勢(shì)就較大。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),各水膠比試樣化學(xué)結(jié)合水量的增長(zhǎng)幅度變得緩慢,但均超過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)試樣的化學(xué)結(jié)合水量。有關(guān)文獻(xiàn)研究表明:在高溫(45~100 ℃)養(yǎng)護(hù)時(shí),水泥水化速度較快,生成的水化產(chǎn)物較多并沉積在水泥或鋰渣顆粒表面,阻礙了膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水量的提高。
圖2 高溫(50 ℃和100 ℃)養(yǎng)護(hù)下鋰渣復(fù)合水泥基材料的化學(xué)結(jié)合水量Fig.2 Combined water content of lithium slag composite binder under 50 ℃ and 100 ℃ curing conditions
對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)發(fā)現(xiàn),高溫養(yǎng)護(hù)有利于漿體化學(xué)結(jié)合水量的提高。水化齡期越短增幅就越大??梢娺m當(dāng)提高早期養(yǎng)護(hù)溫度有利于膠凝材料的水化。水化7 d后,各組試樣的增長(zhǎng)率都在15%以下,水化90 d時(shí),個(gè)別試樣的增長(zhǎng)率已低于5%。這進(jìn)一步說明高溫有利于漿體早期水化,但對(duì)后期影響較小,甚至可以忽略。
圖3 堿環(huán)境激發(fā)和堿與高溫(50 ℃)養(yǎng)護(hù)下鋰渣復(fù)合膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水量Fig.3 Combined water content of lithium slag composite binder under alkali activation and high temperature curing
2.1.4 堿激發(fā)與高溫作用下的化學(xué)結(jié)合水量 堿激發(fā)與高溫作用下鋰渣復(fù)合膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水量如圖3。堿激發(fā)與高溫作用下,LB15p和LB35p的化學(xué)結(jié)合水量比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)提高了29.1%和43.3%;LD15p和LD35p的化學(xué)結(jié)合水量比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)提高了28.5%和82.2%。可見堿激發(fā)與高溫作用也能提高漿體早期的化學(xué)結(jié)合水量,但對(duì)后期的影響較小(2%以內(nèi))。對(duì)比單獨(dú)堿激發(fā)或高溫(50 ℃)養(yǎng)護(hù)發(fā)現(xiàn),復(fù)合作用下的化學(xué)結(jié)合水量較高,但相差幅度并不是很大(3%以內(nèi))。隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng),特別是7 d以后,3種養(yǎng)護(hù)方式下的化學(xué)結(jié)合水量基本相同。因此,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,為了提高混凝土早期性能,可以考慮選擇單獨(dú)堿激發(fā)或高溫養(yǎng)護(hù)或復(fù)合養(yǎng)護(hù)。
結(jié)合前述的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),養(yǎng)護(hù)方式對(duì)復(fù)合水泥漿體化學(xué)結(jié)合水量的影響大小順序分別為:高溫和堿激發(fā)環(huán)境養(yǎng)護(hù)>堿激發(fā)>高溫養(yǎng)護(hù)>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。當(dāng)摻量增大時(shí),鋰渣的反應(yīng)程度都有一定的提高[4]。水膠比較高時(shí),復(fù)合作用的效果較高。原因在于,水膠比高時(shí),水泥顆粒與水接觸的機(jī)率增大,促使鋰渣的反應(yīng)程度增大,此時(shí)鋰渣作為輔助膠凝材料有促進(jìn)水泥水化的作用;當(dāng)其替代率低于30%時(shí),通常表現(xiàn)出延緩作用[14]。
2.2 鋰渣復(fù)合膠凝材料中水泥的水化程度
水泥是混凝土中主要的膠凝材料,其水化程度能表征其水化機(jī)理。鋰渣摻入后,其水化機(jī)理變得復(fù)雜,下面采用等效化學(xué)結(jié)合水量法來表征其鋰渣復(fù)合水泥基材料中水泥的水化程度,并計(jì)算其相對(duì)指數(shù)。
2.2.1等效化學(xué)結(jié)合水量法 從前述研究不難發(fā)現(xiàn),摻鋰渣后,漿體的化學(xué)結(jié)合水量與純水泥漿體不同,因此,采用摻鋰渣漿體的化學(xué)結(jié)合水量評(píng)價(jià)水泥水化程度就不再適用?,F(xiàn)采用等效化學(xué)結(jié)合水(式(1))和考慮鋰渣反應(yīng)程度的等效化學(xué)結(jié)合水(式(2))來計(jì)算。
ωne,C=ωne/(1-fLi)×100%
(1)
ωne,C=ωne/(1-αLifLi)×100%
(2)
式中:ωne,C為單位質(zhì)量水泥所對(duì)應(yīng)的化學(xué)結(jié)合水量(%);fLi為鋰渣摻量(%);ωne為鋰渣復(fù)合膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水量(%)。αLi為鋰渣反應(yīng)程度(%)。經(jīng)HCl溶解法測(cè)試出鋰渣反應(yīng)程度,代入式(2)可得考慮鋰渣反應(yīng)程度的等效化學(xué)結(jié)合水,如圖4所示(編號(hào)為L(zhǎng)B1-1~LD3-1為考慮鋰渣反應(yīng)程度的等效化學(xué)結(jié)合水)。
圖4 考慮鋰渣反應(yīng)程度后水泥的化學(xué)結(jié)合水量Fig.4 Combined water content of cement considering reaction degree of lithium slag
從圖4可見:考慮鋰渣的反應(yīng)程度后,各水膠比下復(fù)合膠凝材料中水泥的化學(xué)結(jié)合水量均比未考慮時(shí)要小。水化1 d且水膠比為0.40和0.30時(shí),摻20%和60%鋰渣的復(fù)合膠凝材料中水泥的化學(xué)結(jié)合水量分別為未考慮鋰渣反應(yīng)程度時(shí)的80%和40%,鋰渣摻量越大,這種降低幅度就越大。
2.2.2 水泥水化程度的相對(duì)指數(shù) 定義鋰渣復(fù)合膠凝材料中水泥水化程度的相對(duì)指數(shù)為單位質(zhì)量水泥的化學(xué)結(jié)合水量與純水泥漿體化學(xué)結(jié)合水量的比值,如式(3)所示。
ψ=ωne,C/ωC×100%
(3)
式中:ωC為純水泥漿體的化學(xué)結(jié)合水量(%)。純水泥漿體時(shí)ψ=1;ψ>1時(shí)表示鋰渣復(fù)合膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水量較純水泥漿體的化學(xué)結(jié)合水量高;反之,ψ<1。
經(jīng)式(3)計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下不同鋰渣摻量的ψ值如圖5所示,從圖5中可以看出:在1~28 d,ψ基本小于1,鋰渣摻量越大,ψ值基本上就越??;水膠比變化時(shí),ψ值的增減趨勢(shì)也不明顯。這主要因?yàn)殇囋谠缙诰蛥⑴c反應(yīng),進(jìn)而降低了水泥的水化程度相對(duì)指數(shù);白建飛等[14]研究發(fā)現(xiàn),鋰渣摻量越大,水化放熱溫峰逐漸推后,在水化過程中可能存在“熱催化作用”,使水膠比為0.4,14~28 d時(shí)的ψ值出現(xiàn)了異常。養(yǎng)護(hù)28 d后,ψ值基本大于或等于1,摻量越大其水化程度相對(duì)指數(shù)越高,這是因?yàn)殇囋鼡饺肫鸬较♂屗嗟淖饔?,鋰渣摻量越大,其作用就越明顯,而鋰渣的反應(yīng)程度有限,因此在后期水泥的水化程度就凸顯出來。
圖5 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下水泥水化程度相對(duì)指數(shù)Fig.5 Reaction degree relative index of cement under standard curing
2.2.3 高溫和復(fù)合環(huán)境養(yǎng)護(hù)下水泥水化程度相對(duì)指數(shù) 水泥水化程度相對(duì)指數(shù)在高溫和復(fù)合環(huán)境養(yǎng)護(hù)下的試驗(yàn)結(jié)果如圖6和7所示。高溫和復(fù)合環(huán)境養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥水化程度的影響較為顯著,特別是1~28 d內(nèi),摻量在40%以內(nèi)時(shí),ψ值均大于1,且隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)呈降低的趨勢(shì),在高水膠比下?lián)搅繛?0%時(shí)ψ值高達(dá)3.6,但水膠比降低時(shí),其值要小些,但其降低幅度較小(8%以內(nèi)),說明水膠比對(duì)其影響并不明顯。鋰渣摻量高達(dá)60%時(shí),高溫養(yǎng)護(hù)下水泥水化程度相對(duì)指數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)逐漸增大,在28 d以內(nèi)時(shí),ψ值均小于1。但當(dāng)采用高溫和堿環(huán)境養(yǎng)護(hù)時(shí),水膠比為0.40時(shí)的ψ值在7 d以后就超過1,水膠比降低至0.30時(shí)ψ值的增長(zhǎng)趨勢(shì)有延后趨勢(shì)。因此,若要提高水泥水化程度,可采用高溫水浴養(yǎng)護(hù)或高溫與堿環(huán)境復(fù)合養(yǎng)護(hù)。
圖6 高溫養(yǎng)護(hù)下水泥水化程度相對(duì)指數(shù)Fig.6 Reaction degree relative index of cement under high temperature curing
圖7 復(fù)合養(yǎng)護(hù)下水泥水化程度相對(duì)指數(shù)Fig.7 Reaction degree relative index of cement under alkali activation and high temperature curing
鋰渣復(fù)合膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水量隨齡期的延長(zhǎng)而增大。在水化早期,特別是7 d前,各組試樣化學(xué)結(jié)合水量的增幅較大,水化3和7 d時(shí)基本能達(dá)到水化90 d時(shí)的60%和80%以上,之后的增幅較為緩慢。
高溫養(yǎng)護(hù)、堿激發(fā)、高溫和堿激發(fā)均能提高鋰渣復(fù)合水泥基材料早期的化學(xué)結(jié)合水量,最高可達(dá)3~4倍,但對(duì)后期影響較小(5%以內(nèi))。
用等效化學(xué)結(jié)合水量法計(jì)算低摻量下鋰渣復(fù)合膠凝材料漿體中單位質(zhì)量水泥的化學(xué)結(jié)合水量,結(jié)果表明,早期(1~28 d)時(shí)單位質(zhì)量水泥的化學(xué)結(jié)合水量較小,隨齡期的延長(zhǎng)而增大,特別是60~90 d后,單位質(zhì)量水泥的化學(xué)結(jié)合水量較大。
高溫和復(fù)合環(huán)境養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥水化程度的影響較為顯著,特別是1~28 d內(nèi),鋰渣摻量在40%以內(nèi)時(shí),ψ值均大于1,且隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)。鋰渣摻量為60%時(shí),高溫養(yǎng)護(hù)下水泥水化程度的相對(duì)指數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)逐漸增大,在28 d以內(nèi)時(shí),ψ值均小于1。
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Influences of different curing methods on cement-lithium slag slurry hydration degree
WU Fufei1, GONG Jingwei2, DONG Shuangkuai1, CHEN Changli1, ZHAO Zhenhua1
(1.SchoolofMaterialsandArchitecturalEngineering,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550025,China; 2.CollegeofHydraulicandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)
In order to analyze the hydration degree of the cement-lithium slag slurry, the chemically combined water is tested by high-temperature calcination at different ages. The testing results show that the chemically combined water of the cement-lithium slag slurry increases with prolongation of the age that can be able to achieve more than 60% and 80% for 90 d at 3 d and 7 d hydration degree, after then this increase becomes slower. The chemically combined water at 1 d is up to 3 to 4 times under the conditions of high temperature curing, alkali activation, high temperature and alkali activation (composite curing), which is better than standard curing. Relatively speaking, the effect of the 4 kinds of curing is in the order of composite curing >alkali activation> high temperature curing>standard curing. The chemically combined water of unit cement at 1~28 d is small by an equivalent chemically combined water method, the relative index (ψvalue) of the cement hydration degree at 1~28 d is greater than 1 when the content of the lithium slag is less than 40%, andψvalue is less than 1 when the content of the lithium slag is 60% under high temperature curing and composite curing. In summary, the hydration degree of the cement and lithium slag can be improved by high temperature curing, alkali-activation and composite curing, and it is more significant in the composite curing period.
curing method; cement; lithium slag; hydration degree
10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.012
2016-05-26
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51541909);貴州師范大學(xué)2016年博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(2016)
吳福飛(1985—),男,貴州興義人,講師,博士,主要從事水工混凝土材料和農(nóng)業(yè)水土工程的教學(xué)和科研工作。E-mail:392429521@qq.com
TU528
A
1009-640X(2017)03-0086-07
吳福飛, 宮經(jīng)偉, 董雙快, 等. 不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)水泥-鋰渣漿體水化程度影響[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(3): 86-92. (WU Fufei, GONG Jingwei, DONG Shuangkuai, et al. Influences of different curing methods on cement-lithium slag slurry hydration degree[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 86-92. (in Chinese))