新型自密實(shí)透水混凝土抗堵塞性能及堵塞模型

是華榮,薛 璐,朱平華,史志浩,王新杰,劉 銘

(1.中節(jié)能(常州)環(huán)?？萍紙@發(fā)展有限公司,常州 213100;2.常州大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,常州 213164)

0 引 言

近些年來(lái)我國(guó)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā),防汛形勢(shì)嚴(yán)峻,“逢雨必澇”已成為中國(guó)許多城市的真實(shí)寫照。在2021年河南省鄭州“7·20”特大暴雨內(nèi)澇災(zāi)害中,受災(zāi)人口達(dá)到了188.49萬(wàn)人,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)532億元,人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全受到了嚴(yán)重威脅[1]。鋪設(shè)透水混凝土(pervious concrete, PC)可以減輕城市暴雨內(nèi)澇,是治理城市暴雨內(nèi)澇的重要實(shí)踐方法[2-3]。

傳統(tǒng)PC一般是由粗骨料和水泥漿體拌制而成的多孔輕質(zhì)混凝土,具有良好的透水功能。然而,由于泥土、砂等物質(zhì)的堵塞,大多數(shù)傳統(tǒng)PC路面的透水系數(shù)在服役5年后大幅降低[4-5],甚至演變?yōu)榉峭杆访鎇6]。Xie等[7]發(fā)現(xiàn),隨著泥沙粒徑的增大,PC的滲透率先減小后增大。Wang等[8]發(fā)現(xiàn)粒徑范圍較寬的砂子會(huì)導(dǎo)致PC滲透率顯著下降,而粒徑小于75 μm的細(xì)堵塞顆粒幾乎不會(huì)導(dǎo)致PC滲透率降低。此外,高壓水槍沖洗可以有效清洗透水路面表面的堵塞顆粒,但部分小顆粒會(huì)被沖入透水路面內(nèi)部[9]。真空抽吸是恢復(fù)PC滲透率的有效方法,然而對(duì)于粒徑較大的堵塞顆粒影響較小,因此該方法對(duì)傳統(tǒng)PC的改善效果有限[10]。

Li等[11]通過(guò)引入垂直孔道,設(shè)計(jì)了一種具有高滲透性的高強(qiáng)PC。Kia等[12]發(fā)現(xiàn)這種高強(qiáng)PC的抗壓強(qiáng)度是同孔隙率傳統(tǒng)透水混凝土的2倍,透水系數(shù)是傳統(tǒng)PC的10倍,在應(yīng)對(duì)城市暴雨內(nèi)澇的問(wèn)題上具有巨大潛力。在此基礎(chǔ)上,本文提出了以自密實(shí)混凝土為基體的新型自密實(shí)透水混凝土(new self-compacting pervious concrete, NSPC),前期試驗(yàn)表明NSPC具有優(yōu)異的強(qiáng)度和抗凍耐久性[13]。然而NSPC的孔道結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)透水混凝土存在顯著差異,NSPC的抗堵塞機(jī)理尚不清晰。為了評(píng)估NSPC的抗堵塞性能,以不同粒徑的砂作為堵塞物,模擬了不同積水深度和水平徑流速度作用下,NSPC堵塞循環(huán)后透水系數(shù)的衰減規(guī)律;探明了高壓水槍沖洗對(duì)NSPC堵塞后透水系數(shù)恢復(fù)率的影響;基于堵塞物被捕獲的概率建立了NSPC的堵塞模型,以預(yù)測(cè)孔道內(nèi)堵塞物的滯留情況和透水系數(shù)的變化規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 骨料、膠凝材料和堵塞物

水泥為江蘇揚(yáng)子水泥廠生產(chǎn)的P·O 52.5級(jí)水泥;粉煤灰來(lái)源于常州熱電廠,表觀密度為2 500 kg·m-3,燒失量為5.95%;硅灰來(lái)源于常州熱電廠,表觀密度為2 759 kg·m-3,燒失量為2.62%;天然河砂細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.4,表觀密度為2 586 kg·m-3;天然粗骨料為粒徑5～16 mm的碎石灰石,表觀密度為2 703 kg·m-3;減水劑為常州市建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸系減水劑,減水率超過(guò)30%。

堵塞物采用石英砂。通過(guò)調(diào)整細(xì)砂、中砂和粗砂所占比例,設(shè)置了5種不同類型的堵塞物D1、D2、D3、D4、D5,粒徑和占比如表1所示。

表1 不同堵塞物中細(xì)砂、中砂和粗砂所占的比例Table 1 Proportion of fine sand, medium sand and coarse sand in different clogging materials

1.2 配合比和試件制備

采用自密實(shí)混凝土作為NSPC基體,NSPC的配合比如表2所示,混凝土拌合物的工作性能如表3所示。利用不同直通孔孔徑(1.50、2.00、2.50和3.00 mm)的直通孔模具制備不同孔隙率(0.315%、0.560%、0.875%和1.260%)的NSPC。NSPC試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,采用Feng等[13]提出的攪拌工藝制備NSPC,如圖1所示。

表2 NSPC配合比Table 2 Mix proportion of NSPC

表3 混凝土拌合物的工作性能Table 3 Workability of concrete mixture

1.3 堵塞試驗(yàn)

采用4種直通孔孔徑的NSPC和5種類型的堵塞物研究直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響規(guī)律。當(dāng)NSPC直通孔孔徑為3.00 mm、堵塞物類型為D5時(shí),設(shè)置了3種不同的積水深度(50、100、250 mm)研究?jī)?nèi)澇深度對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響規(guī)律。通過(guò)調(diào)整NSPC表面的小型螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)置三種水平徑流速度,分別為0.047、0.094、0.188 m·s-1。試驗(yàn)方案如表4所示。

表4 NSPC的堵塞試驗(yàn)方案Table 4 Clogging test scheme of NSPC

采用Yuan等[14]設(shè)計(jì)的堵塞模擬裝置進(jìn)行堵塞試驗(yàn)。在研究不同類型堵塞物對(duì)NSPC抗堵塞性能的影響規(guī)律時(shí),將50 g的堵塞物平均分成5份,每次堵塞循環(huán)加入一份堵塞物,總共5次堵塞循環(huán)。每次堵塞循環(huán)試驗(yàn)后,將NSPC從堵塞模擬裝置中取出,并將NSPC上表面以及遺留在套筒底部的砂分別烘干稱重,NSPC直通孔孔道內(nèi)砂的質(zhì)量根據(jù)式(1)計(jì)算。

MD=MA-MB-MC

(1)

式中:MD為NSPC直通孔孔道內(nèi)砂的質(zhì)量,MA為砂的總質(zhì)量,MB為NSPC上表面砂的質(zhì)量,MC為套筒底部的砂的質(zhì)量。

在研究積水深度和水平徑流速度對(duì)NSPC抗堵塞性能的影響規(guī)律時(shí),每15 s加入一份10 g堵塞物,共加入5份堵塞物,試驗(yàn)共持續(xù)210 s。采用崔新壯等[15]設(shè)計(jì)的透水系數(shù)測(cè)試方法記錄NSPC的透水系數(shù)變化。

1.4 透水系數(shù)恢復(fù)試驗(yàn)

不同直通孔孔徑(1.50、2.00、2.50和3.00 mm)的NSPC在細(xì)砂5次堵塞循環(huán)后,采用額定功率為750 W的超高壓短水槍垂直沖洗NSPC表面,高壓水槍的沖洗壓力為10 MPa。每次沖洗時(shí)間為60 s,總共沖洗6次;每次沖洗后測(cè)試NSPC的透水系數(shù),并計(jì)算透水系數(shù)恢復(fù)率。高壓水槍沖洗NSPC的透水系數(shù)恢復(fù)率η如式(2)所示。

(2)

式中:kf為NSPC經(jīng)高壓水槍沖洗后的透水系數(shù),mm·s-1;ki為經(jīng)NSPC高壓水槍沖洗前的初始透水系數(shù),mm·s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 透水系數(shù)

2.1.1 單一類型堵塞物對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響

在D1、D2和D3堵塞物作用下,不同直通孔孔徑的NSPC的透水系數(shù)隨堵塞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖2所示。當(dāng)NSPC透水系數(shù)小于0.5 mm·s-1時(shí),可認(rèn)為堵塞失效。由圖2可知在三種類型的堵塞物作用下,直通孔孔徑為3 mm的NSPC經(jīng)過(guò)5次堵塞循環(huán)后的透水系數(shù)最高,除了D3堵塞物,直通孔孔徑為1.5 mm的NSPC在5次堵塞循環(huán)后失效概率為100%。值得注意的是,直通孔孔徑為1.50、2.00和2.50 mm的NSPC在5次粗砂堵塞循環(huán)后的透水系數(shù)基本相等。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)镹SPC的直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比接近1,相比于細(xì)砂,粗砂不易進(jìn)入NSPC孔道內(nèi)部,對(duì)透水系數(shù)影響較小[16]。

圖2 單一類型堵塞物對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響Fig.2 Effect of single type of clogging material on permeability coefficient of NSPC

本試驗(yàn)中,粒徑小的細(xì)砂(D1)對(duì)直通孔孔徑為1.50 mm的NSPC堵塞循環(huán)后的透水系數(shù)的影響遠(yuǎn)大于粒徑大的粗砂(D3)。然而以往的大多數(shù)研究[17]表明,過(guò)大或過(guò)小粒徑的砂對(duì)傳統(tǒng)透水混凝土的透水系數(shù)影響都較小。這主要是因?yàn)楫?dāng)NSPC表面積累了較多的砂顆粒時(shí),表面的顆粒層與孔道形成類似于漏斗的結(jié)構(gòu)[18],由砂形成的顆粒流迅速進(jìn)入孔道并造成堵塞[19],這也解釋了為什么即使其直通孔孔徑與細(xì)砂粒徑之比大于5,D1堵塞物作用下的NSPC仍會(huì)發(fā)生堵塞。此外,由粗砂顆粒流和細(xì)砂顆粒流引起的堵塞形式不同,粗砂顆粒相互堆積后殘留空隙較大,細(xì)砂顆粒堆積更加緊密,殘留的空隙相對(duì)較小[20]。

2.1.2 復(fù)合類型堵塞物對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響

復(fù)合類型堵塞物對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響如圖3所示。相比于單一類型堵塞物,復(fù)合類型堵塞物對(duì)NSPC堵塞循環(huán)后的透水系數(shù)影響更大[21]。在D4和D5堵塞物作用下,直通孔孔徑為1.50和2.00 mm的NSPC在5次堵塞循環(huán)后全部失效。尤其是在D4堵塞物作用下,直通孔孔徑為1.50 mm的NSPC的透水系數(shù)在4次堵塞循環(huán)后就降至零。這是因?yàn)榕c單一類型堵塞物(D1～D3)不同,D4中小粒徑堵塞物(0.25～0.50 mm)占比較大,堵塞過(guò)程中粒徑與直通孔孔徑接近的堵塞物留在孔道內(nèi),而更小粒徑的堵塞物不斷填充大粒徑堵塞物之間的空隙,最終導(dǎo)致孔隙完全封閉[22]。

圖3 復(fù)合類型堵塞物對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響Fig.3 Effect of composite type clogging material on permeability coefficient of NSPC

2.2 積水深度和水平徑流速度對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響

圖4為不同水頭高度下NSPC透水系數(shù)的過(guò)程曲線。水頭高度為50、100和250 mm時(shí),堵塞試驗(yàn)后NSPC的透水系數(shù)分別為初始透水系數(shù)的90%、80%和60%。隨著水頭高度增加,NSPC的透水系數(shù)不斷降低。這是因?yàn)樵黾铀^高度會(huì)導(dǎo)致NSPC孔道內(nèi)水流量增加[23],小顆粒在水壓的推動(dòng)下進(jìn)入孔隙并逐漸積累,而大顆粒則被相對(duì)較小的孔隙捕獲[24],造成NSPC孔道入口處堵塞。在堵塞過(guò)程結(jié)束后,盡管NSPC的透水系數(shù)最高降低了40%左右,但沒(méi)有出現(xiàn)堵塞失效的情況。這是因?yàn)槎氯锊捎昧酥猩昂痛稚暗慕M合,堵塞試驗(yàn)結(jié)束后大顆粒之間的空隙仍然存在,因此水頭高度對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響有限[14]。

圖4 不同水頭高度下NSPC透水系數(shù)的過(guò)程曲線Fig.4 Process curves of permeability coefficients of NSPC under different water head heights

圖5為不同水平徑流速度下NSPC透水系數(shù)的過(guò)程曲線。水平徑流速度分別為0.047、0.094、0.188 m·s-1時(shí),除了在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的15 s,NSPC的透水系數(shù)分別在30、90和110 s附近顯著下降。這表明隨著水平徑流速度增加,透水系數(shù)下降的時(shí)間不斷延遲。這可能是由于堵塞物隨著水流在一定深度內(nèi)產(chǎn)生水平轉(zhuǎn)動(dòng),不停運(yùn)動(dòng)的堵塞物暫時(shí)不會(huì)使NSPC發(fā)生嚴(yán)重堵塞。三種水平徑流速度引起的NSPC透水系數(shù)差異較小,穩(wěn)定后的透水系數(shù)分別為初始透水系數(shù)的62%、63%和69%。這主要是因?yàn)殡S著堵塞過(guò)程的進(jìn)行,堵塞物顆粒不斷沉積到孔道內(nèi)并造成NSPC堵塞。

圖5 不同水平徑流速度下NSPC透水系數(shù)的過(guò)程曲線Fig.5 Process curves of permeability coefficients of NSPC under different horizontal runoff velocity

2.3 堵塞模型

2.3.1 模型建立

本文采用基于預(yù)測(cè)堵塞物被捕獲概率的模型評(píng)估NSPC的滲透率[25]。堵塞物不斷停留在孔道內(nèi)導(dǎo)致孔徑減小,NSPC所有孔道中的顆粒沉積速率計(jì)算如式(3)所示。

(3)

式中:N(ri,aj)為半徑為aj的顆粒沉積在半徑為ri孔道中的總數(shù)量,p(ri,aj)為半徑為aj的顆粒在半徑為ri的孔道中被捕獲的概率,q(ri)為通過(guò)半徑為ri孔道中水的流量,C(aj)為單位體積水流中半徑為aj的顆?？倲?shù)量,n(ri)為半徑為ri的NSPC孔道總數(shù),t為試驗(yàn)時(shí)間。哈根-泊肅葉方程可以用來(lái)描述不可壓縮牛頓流體通過(guò)恒定圓截面孔道的層流(孔道長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直徑,且管內(nèi)的流體沒(méi)有加速),流量q計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式中:ri為孔道半徑,m;ρw為水的密度,1 000 kg·m-3;g為重力加速度,m·s-2;Δh為水頭高度差,m;μ為水的黏度,1×10-3N s·m-2;L為NSPC的高度,m。

堵塞物被捕獲的概率與顆粒的半徑aj和孔道半徑ri的比值有關(guān)[26],如式(5)所示。

(5)

式中:aj為顆粒半徑,m;θ為與多種作用力有關(guān)的參數(shù),例如重力、引力和范德華力等[25],可以用式(6)表示。

(6)

式中:θ0為取決于離子條件的常數(shù),本試驗(yàn)θ0取值為3[26];v為孔道中流體的速度;v*為臨界速度,當(dāng)水流速度超過(guò)臨界速度時(shí),幾乎不會(huì)導(dǎo)致孔道完全堵塞,本試驗(yàn)中只有0.315%的NSPC出現(xiàn)了完全堵塞,因此將孔隙率為0.315%時(shí)孔道中的水流速度作為臨界速度。需要注意的是,當(dāng)θaj>ri時(shí),堵塞物被捕獲的概率為1。

C(aj)描述的是單位體積水流中半徑為aj的顆粒總數(shù)量。假設(shè)每個(gè)砂顆粒為球形,通過(guò)孔道的顆粒濃度是恒定的,三種類型砂的粒徑均勻分布,即認(rèn)為每種粒徑的砂所占的比值是相同的。C(aj)可用式(7)表示。

(7)

式中:ρ為堵塞物的表觀密度,kg·m-3;Vw為通過(guò)孔道的水的總體積,m3。在本試驗(yàn)中各粒徑的堵塞物并不是均勻分布在水中,其分布狀態(tài)與自身的粒徑、質(zhì)量和直通孔孔徑有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,直通孔孔徑與粒徑之比和堵塞物質(zhì)量之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 堵塞顆粒質(zhì)量隨直通孔孔徑與粒徑之比的變化Fig.6 Change of clogging particle mass with ratio of straight through pore diameter to particle diameter

直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比ξ和堵塞物質(zhì)量m之間的關(guān)系如式(8)所示。

m=-0.184ξ+5.663

(8)

2.3.2 模型的驗(yàn)證

圖7為各NSPC所捕獲堵塞物質(zhì)量的堵塞模型計(jì)算值及試驗(yàn)值。隨著直通孔孔徑增加,孔道內(nèi)堵塞物的質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)。與細(xì)砂和中砂相比,粗砂的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值產(chǎn)生的差異較大,這可能是因?yàn)樵诒驹囼?yàn)中,粗砂顆粒的質(zhì)量顯著高于細(xì)砂和中砂,粗砂并不會(huì)像小顆粒一樣隨著水流運(yùn)動(dòng),因此粗砂加入水中時(shí)的位置是影響堵塞的一個(gè)重要因素,而每次加入砂的位置是隨機(jī)選擇的,因此產(chǎn)生的誤差較大。此外,當(dāng)NSPC直通孔孔徑為1.50 mm、砂粒徑為1.00～2.00 mm時(shí),式(5)中認(rèn)為2.00 mm的堵塞物被孔道捕獲的概率為100%,然而在試驗(yàn)中大顆粒的砂進(jìn)入水中后會(huì)迅速沉降,水流的流動(dòng)并不會(huì)對(duì)NSPC表面大顆粒的砂造成影響,式(5)可能高估了ξ>1時(shí)顆粒被捕獲的概率。

圖7 模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值Fig.7 Model prediction value and measured value

孔道內(nèi)堵塞物的質(zhì)量與透水系數(shù)衰減率的關(guān)系如圖8所示,根據(jù)直通孔孔徑與堵塞物最大粒徑之比ξmax將其分為兩組。透水系數(shù)衰減率根據(jù)式(9)計(jì)算。

圖8 堵塞物的質(zhì)量與透水系數(shù)衰減率的關(guān)系Fig.8 Relationship between mass of clogging material and attenuation rate of permeability coefficient

(9)

式中:φ為NSPC透水系數(shù)衰減率,%;kf為NSPC經(jīng)高壓水槍沖洗后的透水系數(shù),mm·s-1;ki為NSPC高壓水槍沖洗前的初始透水系數(shù),mm·s-1。隨著孔道內(nèi)堵塞物質(zhì)量增加,兩組NSPC的透水系數(shù)衰減率不斷增大,這表明孔道內(nèi)堵塞物的質(zhì)量越多,對(duì)NSPC的滲透率越不利。與ξ>5相比,ξ<5時(shí)造成相同程度透水系數(shù)的下降需要的堵塞物質(zhì)量更少,這表明ξ越小,透水系數(shù)對(duì)堵塞物質(zhì)量的敏感度越高。因此建議NSPC在進(jìn)行孔道設(shè)計(jì)時(shí)考慮直通孔孔徑與粒徑之比的影響,推薦的ξmin為5。盡管孔道內(nèi)堵塞物的質(zhì)量可以在一定程度評(píng)估NSPC的透水系數(shù),但試驗(yàn)并沒(méi)有考慮堵塞深度的影響。當(dāng)堵塞顆粒密度較高時(shí),在NSPC孔道入口處即可造成堵塞,這時(shí)僅需極少的堵塞物便可使透水系數(shù)迅速降低[27],因此對(duì)于NSPC堵塞發(fā)生的位置仍需要進(jìn)一步研究。

2.4 高壓水槍沖洗對(duì)NSPC透水系數(shù)的影響

不同孔徑的NSPC高壓水槍沖洗后的透水系數(shù)恢復(fù)率隨沖洗次數(shù)的變化規(guī)律如圖9所示。當(dāng)孔徑分別為1.50、2.00、2.50和3.00 mm時(shí),NSPC在6次高壓水槍沖洗后的透水系數(shù)恢復(fù)率分別為13%、64%、67%和85%。此外,當(dāng)孔徑為1.50 mm時(shí),高壓水槍沖洗1次后的透水系數(shù)恢復(fù)率為11%,后續(xù)的高壓沖洗對(duì)NSPC透水系數(shù)恢復(fù)率影響不大。這是因?yàn)楫?dāng)直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比ξ<5時(shí),孔道內(nèi)的堵塞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,高壓水槍沖洗后,堵塞物易在孔道底部堵塞,上方堆積的堵塞物難以再?gòu)目椎琅懦?導(dǎo)致后續(xù)的高壓水沖洗效果不佳。

圖9 不同直通孔孔徑的NSPC的透水系數(shù)恢復(fù)率Fig.9 Recovery rate of permeability coefficient of NSPC with different straight through pore diameters

3 結(jié) 論

1)復(fù)合類型堵塞物中的細(xì)小顆粒會(huì)填充堵塞物的空隙,比單一類型堵塞物造成的透水系數(shù)損失更大。堵塞循環(huán)后的透水系數(shù)隨直通孔孔徑增加而增大,直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比大于5時(shí),堵塞物形成的顆粒流仍會(huì)造成NSPC堵塞。

2)堵塞試驗(yàn)后NSPC的透水系數(shù)隨積水深度增加而降低;水平徑流速度對(duì)NSPC的透水系數(shù)影響較小,但增加水平徑流速度會(huì)延遲透水系數(shù)降低的時(shí)間。

3)NSPC堵塞模型表明,直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比越接近1,堵塞物被直通孔孔道捕獲的概率越大。直通孔孔道內(nèi)堵塞物的質(zhì)量和透水系數(shù)衰減率呈線性增加的關(guān)系。

4)采用高壓水槍沖洗堵塞后,NSPC的透水系數(shù)恢復(fù)率隨直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比增加而增加。高壓水槍沖洗后NSPC的透水系數(shù)恢復(fù)率最高可以達(dá)到85%,直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比小于5時(shí),NSPC的透水系數(shù)的恢復(fù)率僅為13%。