超疏水環(huán)保型砼的降阻性能實驗分析探究

龔金輝

(南豐縣水利局，江西 南豐 344500)

借助超疏水材料實現(xiàn)的超疏水環(huán)保水工渠道需要在疏水性與過流降阻性間保持優(yōu)化平衡，任何偏廢都將構成材料瑕疵與有欠完備，影響工程技術性能。本研究以大型室內(nèi)水槽模擬實驗分析的方式，對超疏水環(huán)保型砼的降阻性能開展專題分析探究，以期為同類渠道工程應用提供研究和技術參考，助力建設優(yōu)質適用的超疏水環(huán)保型砼渠道工程。

1 超疏水界面的降阻原理

超疏水仿生材料作為一種新型的降阻材料和技術，其環(huán)保疏水和渠道過流降阻技術擁有廣闊的應用前景。對超疏水材料的降阻原理經(jīng)典描述解析，目前主要是基于表觀移滑以及Plastron效應理論，其概要內(nèi)容如下：

1.1 基于Plastron效應說

超疏水材料具有降阻功能緣于其界面特定存在混合微觀粗糙構造、粗糙度或者微裂縫。實驗適用降阻性分析揭示，當液體觸接一般疏水界面或親水界面時，通常會向固體界面存在的混合微觀粗糙構造、粗糙度或者微裂縫發(fā)生部分分散入滲，正是這個入滲過程導致液體透過固體材料界面時的摩阻相對加大。

當液體觸接固體超疏水界面時，因混合微觀粗糙構造、粗糙度或者微裂縫而出現(xiàn)不間斷三相觸接線，導致固體與液體間生發(fā)存在了空氣層，起始液-固觸接面隨即轉變成氣-固界觸接面以及液-氣觸接面，必然降低固-液觸接面積，超疏水界面液體的流動阻力進而被降低，此為Plastron效應?；赑lastron效應的觸接面結構示意見圖1。

圖1 觸接面Plastron效應狀態(tài)示意

1.2 界面表觀滑移理論

通常有很強的殘存化學鍵在固體壁界面存在，這些化學鍵殘存表現(xiàn)出較強界面能，對外依然擁有很強的勾連或吸附活性，把流體分子吸附穩(wěn)定在固體界面。砼界面經(jīng)氟硅烷裝飾以后，砼界面能會大幅下降，導致砼和水分子間出現(xiàn)壁面移滑，存在和呈現(xiàn)不親和狀態(tài)。移滑長度概念具體見圖2。移滑速率一般要正比于壁面流切剪率，一般由如下計算公式給與描述和表現(xiàn)：

(1)

式中：b為移滑長度，其如果取值大于0值，則邊界條件系屬為有移滑邊界條件；如果取值以0值，則邊界條件系屬為無移滑邊界條件。

圖2 移滑邊界結構狀態(tài)示意

參考內(nèi)摩擦牛頓定律，固體界面上讓液體做層流運動，緊密相關液體性質，相近液層中間切力或內(nèi)摩阻力F跟流動速率du/dy梯度以及液層間的觸接A面積呈正比例關系，具體如下：

(2)

式中：μ為黏滯動力常數(shù)，單位N·s/m2。

所以，切應力可以等值作用于單位面積的內(nèi)摩阻，具體用符號τ表示，其公式如下：

(3)

在流態(tài)均勻恒定前提下，切應力τ跟沿程流水損失水頭hf滿足如下關系：

(4)

式中：l為流水沿程長度，m；γ為液體容重，N/m3。式(4)揭示，隨著界面切應力加大，沿程水頭損失會跟隨加大，特別是對遠距輸水水工渠道說來，則此種狀態(tài)規(guī)律愈發(fā)相對明顯。

因為壁面與流體存在不親和性，流體與疏水性壁面處在不潤浸狀態(tài)，參考表觀Navier移滑理論，流體發(fā)生特定滾動或流動，并且緊貼在壁面，流體的壁面流動速率將不為零值，由式(3)和式(4)揭示，速率梯度在邊界壁面有所降低，即流體于邊界壁面上切剪應力降低了，進而降低了疏水性界面上流水沿程的水頭損失。同時因為速率梯度在邊界面有所降低，流態(tài)臨界轉換雷諾數(shù)亦對應加大，附面層流穩(wěn)定狀態(tài)有所加強，緩滯了湍流的出現(xiàn)，水頭損失從而得到進一步的降低。

2 超疏水環(huán)保型砼的基體制備

2.1 基礎材料

砂：渭河砂場2.75細度模數(shù)的自然中砂，泥含量為1.2%，表觀密度參數(shù)為2.56 g/cm3，堆積密度參數(shù)為1.772 g/cm3

圖3 粗礫再生及再生橡膠粉骨料

砼：P·O32.5R級硅酸鹽混合砼

橡膠：表觀密度為1.11 g/cm3，粒度60目，具體見圖3(b)

再生粗骨料：廢棄砼，強度C25～C40，分級破碎后構成再生粗骨料，級配5～40 mm；4∶6的小石中石比，4%有效吸水率，具體見圖3(a)

自然粗骨料：渭河卵石，小石(5～20 mm)，中石(20～40 mm)，4∶6小石中石比，0.3%含泥量，2.62 g/cm3表觀密度，1.649 g/cm3堆積密度

變性劑：KH-570偶聯(lián)硅烷劑

水：常規(guī)自來水

乙醇

2.2 基體制備

參考《水工砼配比設計規(guī)程》(DL/T 5330-2015)規(guī)程規(guī)定，依據(jù)《渠道水工工程防滲設計規(guī)范規(guī)程》(GB/T 50600-2010)，本次實驗采用常規(guī)C25砼，石子、砂、水和砼按1365∶585∶150∶300混合，砂率取0.3，水灰比取0.5。再生橡膠砼可以有機實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)保和安全性統(tǒng)一，本研究再生砼取<50%含量，橡膠含量2%～8%?？紤]長距輸水需求持久較大的砼抗?jié)B性，30%含量標準以再生粗骨料替代自然粗骨料；以等體積橡膠粉替代原有細骨料，以粒度60目，含量5%，制備構成本實驗超疏水環(huán)保型砼。

為了使砼基體更為緊密與橡膠融合，選用KH-570偶聯(lián)硅烷劑實施橡膠變性。制作過程為：取橡膠質量占1.5%的KH-570偶聯(lián)硅烷劑，復合配制依照水∶乙醇∶KH-570按0.08∶0.72∶0.2的比例實施，橡膠粉拌合硅烷偶聯(lián)劑溶液充分均勻，并于陰涼處置放，待橡膠粉界面已經(jīng)基本干燥。攪拌時，因為再生砼通常具有較大的吸水率，須按粗再生骨料4%質量標準實施附加補水。依照《砼水工實驗規(guī)程》(SL 352-2006)，成型試樣并給與充分的維護保養(yǎng)，實驗砼成分配比具體見表1，成型實驗砼試樣具體見圖4。

表1 實驗砼成分配比

圖4 成型實驗砼試樣

3 超疏水環(huán)保型砼降阻性實驗分析

粗糙壁面一定程度存在阻力，切應力的存在導致流體出現(xiàn)沿程水頭機械能損失，損失強度一般與流段的線程長度呈正比關系。尤其是對高寒地區(qū)長距離輸水渠道說來，砌襯砼糙率使得水工渠道出現(xiàn)相對較大的水頭能量損失，粗糙界面使得渠道單位時間內(nèi)的過流相對能力下降。超疏水環(huán)保型砼結構因為其界面一定程度存在著混合微細構造，擁有降阻成效較好的降低界面能物質。本研究經(jīng)過建立常規(guī)砼渠道結構以及超疏水環(huán)保型砼渠道，糙率率定其界面，進行超疏水環(huán)保型砼在渠道砌襯降阻方面的運用研究。

3.1 渠道模型布設

本實驗于某泥沙廳砼矩形砌襯渠道模型內(nèi)實施。渠道模型布設狀態(tài)具體見圖5。

圖5 渠道模型布設狀態(tài)圖

圖5中，1為進水池，2和3為測點1和測點2，4為矩形渠道，5為量水矩形堰，6為退水池。

模型整體是由量水堰、退水池、進水池、穩(wěn)水柵、矩形渠道等組成。其中矩形渠道縱向底坡i=1/400，渠頂寬度19.5 cm，渠深度50 cm，總長度25 m。模型渠道循環(huán)提供水是由水泵自動持續(xù)提供，進入進水池后，流水首先流經(jīng)穩(wěn)水柵，再流經(jīng)矩形模型渠道，再流經(jīng)矩形量水堰，最終集中流入退水池。

3.2 實驗成果分析

為了證實超疏水環(huán)保型砼測量的水工降阻效果，參考謝才-曼寧公式對界面糙率給與基本率定。本次實驗按0.057，0.047，0.039和0.020 m3/s分別調整入口實驗過流量。按謝才公式整理實驗結果，具體如下：

(5)

式中：C為謝才常數(shù)，m0.5/s；Q為過流量，m3/s；R為水力半徑，m；A為截面面積，m2。

謝才常數(shù)C通常以曼寧公式給與表達，具體如下：

(6)

式中：n為渠道壁面糙率。計算糙率公式具體如下：

(7)

無側聚縮、薄壁矩形自由出流堰的過流量計算具體如下：

(8)

式中：b為堰口截面水面寬度，m；m為過流量常數(shù)；H為堰上水頭，m；g為重力加速率，9.8 m/s2。

過流量常數(shù)可按下式表示：

(9)

式中：P為堰高，m。

水深與過流量關系見表2。

表2 水深與過流量關系

由表2可知，不論過流量怎樣演變，對比常規(guī)砼砌襯渠道，超疏水環(huán)保型砼砌襯渠道的界面糙率均相對要低，擁有較顯著降阻效果。參考4個過流量參數(shù)，對應計算糙率均值，獲得值0.013 22的超疏水環(huán)保型砼砌襯渠道界面糙率，獲得值0.014 91的常規(guī)砼砌襯渠道的界面糙率，前者渠道界面糙率較后者存在有11.3%的降低量，這是由于流水跟超疏水環(huán)保型砼砌襯間有空氣層構成，使得流水跟固體邊界間的觸接面積有所降低；再加上超疏水環(huán)保型砼砌襯渠道的界面能相對極低，流水跟砼壁面間呈現(xiàn)出一種不親和狀態(tài)，流水跟砌襯的粘貼作用相對較弱，出現(xiàn)壁面移滑，速率移滑的存在降低了流水流動速率梯度，進而降低了邊壁與流水剪力，使超疏水環(huán)保型砼界面糙率比較小。

4 結 語

本研究以大型室內(nèi)水槽模擬實驗分析的方式，對超疏水環(huán)保型砼的降阻性能開展專題分析探究。主要介紹了超疏水界面的降阻原理，介紹了超疏水環(huán)保型砼的基體制備技術條件及過程，并對超疏水環(huán)保型砼降阻性實驗分析。分析揭示，不論過流量怎樣演變，對比常規(guī)砼砌襯渠道，超疏水環(huán)保型砼砌襯渠道的界面糙率均相對要低，后者渠道界面糙率較前者存在有11.3%的降低量，超疏水環(huán)保型砼砌襯渠道的界面能相對極低，流水跟砼壁面間呈現(xiàn)出一種不親和狀態(tài)，流水跟砌襯的粘貼作用相對較弱，出現(xiàn)壁面移滑，速率移滑的存在降低了流水流動速率梯度，進而降低了邊壁與流水剪力，使超疏水環(huán)保型砼界面糙率比較小。