新型自密實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.中節能(常州)環?？萍紙@發展有限公司,常州 213100;2.常州大學城市建設學院,常州 213164)

0 引 言

近些年來我國暴雨內澇災害頻發,防汛形勢嚴峻,“逢雨必澇”已成為中國許多城市的真實寫照。在2021年河南省鄭州“7·20”特大暴雨內澇災害中,受災人口達到了188.49萬人,直接經濟損失高達532億元,人民群眾的生命財產安全受到了嚴重威脅[1]。鋪設透水混凝土(pervious concrete, PC)可以減輕城市暴雨內澇,是治理城市暴雨內澇的重要實踐方法[2-3]。

傳統PC一般是由粗骨料和水泥漿體拌制而成的多孔輕質混凝土,具有良好的透水功能。然而,由于泥土、砂等物質的堵塞,大多數傳統PC路面的透水系數在服役5年后大幅降低[4-5],甚至演變為非透水路面[6]。Xie等[7]發現,隨著泥沙粒徑的增大,PC的滲透率先減小后增大。Wang等[8]發現粒徑范圍較寬的砂子會導致PC滲透率顯著下降,而粒徑小于75 μm的細堵塞顆粒幾乎不會導致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,但部分小顆粒會被沖入透水路面內部[9]。真空抽吸是恢復PC滲透率的有效方法,然而對于粒徑較大的堵塞顆粒影響較小,因此該方法對傳統PC的改善效果有限[10]。

Li等[11]通過引入垂直孔道,設計了一種具有高滲透性的高強PC。Kia等[12]發現這種高強PC的抗壓強度是同孔隙率傳統透水混凝土的2倍,透水系數是傳統PC的10倍,在應對城市暴雨內澇的問題上具有巨大潛力。在此基礎上,本文提出了以自密實混凝土為基體的新型自密實透水混凝土(new self-compacting pervious concrete, NSPC),前期試驗表明NSPC具有優異的強度和抗凍耐久性[13]。然而NSPC的孔道結構與傳統透水混凝土存在顯著差異,NSPC的抗堵塞機理尚不清晰。為了評估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堵塞循環后透水系數的衰減規律;探明了高壓水槍沖洗對NSPC堵塞后透水系數恢復率的影響;基于堵塞物被捕獲的概率建立了NSPC的堵塞模型,以預測孔道內堵塞物的滯留情況和透水系數的變化規律。

1 實 驗

1.1 骨料、膠凝材料和堵塞物

水泥為江蘇揚子水泥廠生產的P·O 52.5級水泥;粉煤灰來源于常州熱電廠,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%;天然河砂細骨料細度模數為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研究院生產的聚羧酸系減水劑,減水率超過30%。

堵塞物采用石英砂。通過調整細砂、中砂和粗砂所占比例,設置了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

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NSPC透水系數的影響規律。當NSPC直通孔孔徑為3.00 mm、堵塞物類型為D5時,設置了3種不同的積水深度(50、100、250 mm)研究內澇深度對NSPC透水系數的影響規律。通過調整NSPC表面的小型螺旋槳轉速設置三種水平徑流速度,分別為0.047、0.094、0.188 m·s-1。試驗方案如表4所示。

表4 NSPC的堵塞試驗方案Table 4 Clogging test scheme of NSPC

采用Yuan等[14]設計的堵塞模擬裝置進行堵塞試驗。在研究不同類型堵塞物對NSPC抗堵塞性能的影響規律時,將50 g的堵塞物平均分成5份,每次堵塞循環加入一份堵塞物,總共5次堵塞循環。每次堵塞循環試驗后,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直通孔孔道內砂的質量根據式(1)計算。

MD=MA-MB-MC

(1)

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

在研究積水深度和水平徑流速度對NSPC抗堵塞性能的影響規律時,每15 s加入一份10 g堵塞物,共加入5份堵塞物,試驗共持續210 s。采用崔新壯等[15]設計的透水系數測試方法記錄NSPC的透水系數變化。

1.4 透水系數恢復試驗

不同直通孔孔徑(1.50、2.00、2.50和3.00 mm)的NSPC在細砂5次堵塞循環后,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。每次沖洗時間為60 s,總共沖洗6次;每次沖洗后測試NSPC的透水系數,并計算透水系數恢復率。高壓水槍沖洗NSPC的透水系數恢復率η如式(2)所示。

(2)

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

2 結果與討論

2.1 透水系數

2.1.1 單一類型堵塞物對NSPC透水系數的影響

在D1、D2和D3堵塞物作用下,不同直通孔孔徑的NSPC的透水系數隨堵塞循環次數的變化規律如圖2所示。當NSPC透水系數小于0.5 mm·s-1時,可認為堵塞失效。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經過5次堵塞循環后的透水系數最高,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次粗砂堵塞循環后的透水系數基本相等。這種現象可能是因為NSPC的直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比接近1,相比于細砂,粗砂不易進入NSPC孔道內部,對透水系數影響較小[16]。

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

本試驗中,粒徑小的細砂(D1)對直通孔孔徑為1.50 mm的NSPC堵塞循環后的透水系數的影響遠大于粒徑大的粗砂(D3)。然而以往的大多數研究[17]表明,過大或過小粒徑的砂對傳統透水混凝土的透水系數影響都較小。這主要是因為當NSPC表面積累了較多的砂顆粒時,表面的顆粒層與孔道形成類似于漏斗的結構[18],由砂形成的顆粒流迅速進入孔道并造成堵塞[19],這也解釋了為什么即使其直通孔孔徑與細砂粒徑之比大于5,D1堵塞物作用下的NSPC仍會發生堵塞。此外,由粗砂顆粒流和細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,細砂顆粒堆積更加緊密,殘留的空隙相對較小[20]。

2.1.2 復合類型堵塞物對NSPC透水系數的影響

復合類型堵塞物對NSPC透水系數的影響如圖3所示。相比于單一類型堵塞物,復合類型堵塞物對NSPC堵塞循環后的透水系數影響更大[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的透水系數在4次堵塞循環后就降至零。這是因為與單一類型堵塞物(D1～D3)不同,D4中小粒徑堵塞物(0.25～0.50 mm)占比較大,堵塞過程中粒徑與直通孔孔徑接近的堵塞物留在孔道內,而更小粒徑的堵塞物不斷填充大粒徑堵塞物之間的空隙,最終導致孔隙完全封閉[22]。

圖3 復合類型堵塞物對NSPC透水系數的影響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NSPC透水系數的影響

圖4為不同水頭高度下NSPC透水系數的過程曲線。水頭高度為50、100和250 mm時,堵塞試驗后NSPC的透水系數分別為初始透水系數的90%、80%和60%。隨著水頭高度增加,NSPC的透水系數不斷降低。這是因為增加水頭高度會導致NSPC孔道內水流量增加[23],小顆粒在水壓的推動下進入孔隙并逐漸積累,而大顆粒則被相對較小的孔隙捕獲[24],造成NSPC孔道入口處堵塞。在堵塞過程結束后,盡管NSPC的透水系數最高降低了40%左右,但沒有出現堵塞失效的情況。這是因為堵塞物采用了中砂和粗砂的組合,堵塞試驗結束后大顆粒之間的空隙仍然存在,因此水頭高度對NSPC透水系數的影響有限[14]。

圖4 不同水頭高度下NSPC透水系數的過程曲線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透水系數的過程曲線。水平徑流速度分別為0.047、0.094、0.188 m·s-1時,除了在試驗開始時的15 s,NSPC的透水系數分別在30、90和110 s附近顯著下降。這表明隨著水平徑流速度增加,透水系數下降的時間不斷延遲。這可能是由于堵塞物隨著水流在一定深度內產生水平轉動,不停運動的堵塞物暫時不會使NSPC發生嚴重堵塞。三種水平徑流速度引起的NSPC透水系數差異較小,穩定后的透水系數分別為初始透水系數的62%、63%和69%。這主要是因為隨著堵塞過程的進行,堵塞物顆粒不斷沉積到孔道內并造成NSPC堵塞。

圖5 不同水平徑流速度下NSPC透水系數的過程曲線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

本文采用基于預測堵塞物被捕獲概率的模型評估NSPC的滲透率[25]。堵塞物不斷停留在孔道內導致孔徑減小,NSPC所有孔道中的顆粒沉積速率計算如式(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?？倲盗?n(ri)為半徑為ri的NSPC孔道總數,t為試驗時間。哈根-泊肅葉方程可以用來描述不可壓縮牛頓流體通過恒定圓截面孔道的層流(孔道長度遠遠大于直徑,且管內的流體沒有加速),流量q計算如式(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[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的參數,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,本試驗θ0取值為3[26];v為孔道中流體的速度;v*為臨界速度,當水流速度超過臨界速度時,幾乎不會導致孔道完全堵塞,本試驗中只有0.315%的NSPC出現了完全堵塞,因此將孔隙率為0.315%時孔道中的水流速度作為臨界速度。需要注意的是,當θaj>ri時,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?？倲盗?。假設每個砂顆粒為球形,通過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為通過孔道的水的總體積,m3。在本試驗中各粒徑的堵塞物并不是均勻分布在水中,其分布狀態與自身的粒徑、質量和直通孔孔徑有關。根據試驗結果,直通孔孔徑與粒徑之比和堵塞物質量之間的關系如圖6所示。

圖6 堵塞顆粒質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和堵塞物質量m之間的關系如式(8)所示。

m=-0.184ξ+5.663

(8)

2.3.2 模型的驗證

圖7為各NSPC所捕獲堵塞物質量的堵塞模型計算值及試驗值。隨著直通孔孔徑增加,孔道內堵塞物的質量整體呈下降趨勢。與細砂和中砂相比,粗砂的預測值與實際值產生的差異較大,這可能是因為在本試驗中,粗砂顆粒的質量顯著高于細砂和中砂,粗砂并不會像小顆粒一樣隨著水流運動,因此粗砂加入水中時的位置是影響堵塞的一個重要因素,而每次加入砂的位置是隨機選擇的,因此產生的誤差較大。此外,當NSPC直通孔孔徑為1.50 mm、砂粒徑為1.00～2.00 mm時,式(5)中認為2.00 mm的堵塞物被孔道捕獲的概率為100%,然而在試驗中大顆粒的砂進入水中后會迅速沉降,水流的流動并不會對NSPC表面大顆粒的砂造成影響,式(5)可能高估了ξ>1時顆粒被捕獲的概率。

圖7 模型預測值與試驗值Fig.7 Model prediction value and measured value

孔道內堵塞物的質量與透水系數衰減率的關系如圖8所示,根據直通孔孔徑與堵塞物最大粒徑之比ξmax將其分為兩組。透水系數衰減率根據式(9)計算。

圖8 堵塞物的質量與透水系數衰減率的關系Fig.8 Relationship between mass of clogging material and attenuation rate of permeability coefficient

(9)

式中:φ為NSPC透水系數衰減率,%;kf為NSPC經高壓水槍沖洗后的透水系數,mm·s-1;ki為NSPC高壓水槍沖洗前的初始透水系數,mm·s-1。隨著孔道內堵塞物質量增加,兩組NSPC的透水系數衰減率不斷增大,這表明孔道內堵塞物的質量越多,對NSPC的滲透率越不利。與ξ>5相比,ξ<5時造成相同程度透水系數的下降需要的堵塞物質量更少,這表明ξ越小,透水系數對堵塞物質量的敏感度越高。因此建議NSPC在進行孔道設計時考慮直通孔孔徑與粒徑之比的影響,推薦的ξmin為5。盡管孔道內堵塞物的質量可以在一定程度評估NSPC的透水系數,但試驗并沒有考慮堵塞深度的影響。當堵塞顆粒密度較高時,在NSPC孔道入口處即可造成堵塞,這時僅需極少的堵塞物便可使透水系數迅速降低[27],因此對于NSPC堵塞發生的位置仍需要進一步研究。

2.4 高壓水槍沖洗對NSPC透水系數的影響

不同孔徑的NSPC高壓水槍沖洗后的透水系數恢復率隨沖洗次數的變化規律如圖9所示。當孔徑分別為1.50、2.00、2.50和3.00 mm時,NSPC在6次高壓水槍沖洗后的透水系數恢復率分別為13%、64%、67%和85%。此外,當孔徑為1.50 mm時,高壓水槍沖洗1次后的透水系數恢復率為11%,后續的高壓沖洗對NSPC透水系數恢復率影響不大。這是因為當直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比ξ<5時,孔道內的堵塞結構穩定,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從孔道排出,導致后續的高壓水沖洗效果不佳。

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

3 結 論

1)復合類型堵塞物中的細小顆粒會填充堵塞物的空隙,比單一類型堵塞物造成的透水系數損失更大。堵塞循環后的透水系數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,堵塞物形成的顆粒流仍會造成NSPC堵塞。

2)堵塞試驗后NSPC的透水系數隨積水深度增加而降低;水平徑流速度對NSPC的透水系數影響較小,但增加水平徑流速度會延遲透水系數降低的時間。

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。直通孔孔道內堵塞物的質量和透水系數衰減率呈線性增加的關系。

4)采用高壓水槍沖洗堵塞后,NSPC的透水系數恢復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的透水系數恢復率最高可以達到85%,直通孔孔徑與堵塞物粒徑之比小于5時,NSPC的透水系數的恢復率僅為13%。