新型自密实透水混凝土抗堵塞性能及堵塞模型

是华荣,薛 璐,朱平华,史志浩,王新杰,刘 铭

(1.中节能(常州)环保科技园发展有限公司,常州 213100;2.常州大学城市建设学院,常州 213164)

0 引 言

近些年来我国暴雨内涝灾害频发,防汛形势严峻,“逢雨必涝”已成为中国许多城市的真实写照。在2021年河南省郑州“7·20”特大暴雨内涝灾害中,受灾人口达到了188.49万人,直接经济损失高达532亿元,人民群众的生命财产安全受到了严重威胁[1]。铺设透水混凝土(pervious concrete, PC)可以减轻城市暴雨内涝,是治理城市暴雨内涝的重要实践方法[2-3]。

传统PC一般是由粗骨料和水泥浆体拌制而成的多孔轻质混凝土,具有良好的透水功能。然而,由于泥土、砂等物质的堵塞,大多数传统PC路面的透水系数在服役5年后大幅降低[4-5],甚至演变为非透水路面[6]。Xie等[7]发现,随着泥沙粒径的增大,PC的渗透率先减小后增大。Wang等[8]发现粒径范围较宽的砂子会导致PC渗透率显著下降,而粒径小于75 μm的细堵塞颗粒几乎不会导致PC渗透率降低。此外,高压水枪冲洗可以有效清洗透水路面表面的堵塞颗粒,但部分小颗粒会被冲入透水路面内部[9]。真空抽吸是恢复PC渗透率的有效方法,然而对于粒径较大的堵塞颗粒影响较小,因此该方法对传统PC的改善效果有限[10]。

Li等[11]通过引入垂直孔道,设计了一种具有高渗透性的高强PC。Kia等[12]发现这种高强PC的抗压强度是同孔隙率传统透水混凝土的2倍,透水系数是传统PC的10倍,在应对城市暴雨内涝的问题上具有巨大潜力。在此基础上,本文提出了以自密实混凝土为基体的新型自密实透水混凝土(new self-compacting pervious concrete, NSPC),前期试验表明NSPC具有优异的强度和抗冻耐久性[13]。然而NSPC的孔道结构与传统透水混凝土存在显著差异,NSPC的抗堵塞机理尚不清晰。为了评估NSPC的抗堵塞性能,以不同粒径的砂作为堵塞物,模拟了不同积水深度和水平径流速度作用下,NSPC堵塞循环后透水系数的衰减规律;探明了高压水枪冲洗对NSPC堵塞后透水系数恢复率的影响;基于堵塞物被捕获的概率建立了NSPC的堵塞模型,以预测孔道内堵塞物的滞留情况和透水系数的变化规律。

1 实 验

1.1 骨料、胶凝材料和堵塞物

水泥为江苏扬子水泥厂生产的P·O 52.5级水泥;粉煤灰来源于常州热电厂,表观密度为2 500 kg·m-3,烧失量为5.95%;硅灰来源于常州热电厂,表观密度为2 759 kg·m-3,烧失量为2.62%;天然河砂细骨料细度模数为2.4,表观密度为2 586 kg·m-3;天然粗骨料为粒径5～16 mm的碎石灰石,表观密度为2 703 kg·m-3;减水剂为常州市建筑科学研究院生产的聚羧酸系减水剂,减水率超过30%。

堵塞物采用石英砂。通过调整细砂、中砂和粗砂所占比例,设置了5种不同类型的堵塞物D1、D2、D3、D4、D5,粒径和占比如表1所示。

表1 不同堵塞物中细砂、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 配合比和试件制备

采用自密实混凝土作为NSPC基体,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。利用不同直通孔孔径(1.50、2.00、2.50和3.00 mm)的直通孔模具制备不同孔隙率(0.315%、0.560%、0.875%和1.260%)的NSPC。NSPC试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,采用Feng等[13]提出的搅拌工艺制备NSPC,如图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 堵塞试验

采用4种直通孔孔径的NSPC和5种类型的堵塞物研究直通孔孔径与堵塞物粒径之比对NSPC透水系数的影响规律。当NSPC直通孔孔径为3.00 mm、堵塞物类型为D5时,设置了3种不同的积水深度(50、100、250 mm)研究内涝深度对NSPC透水系数的影响规律。通过调整NSPC表面的小型螺旋桨转速设置三种水平径流速度,分别为0.047、0.094、0.188 m·s-1。试验方案如表4所示。

表4 NSPC的堵塞试验方案Table 4 Clogging test scheme of NSPC

采用Yuan等[14]设计的堵塞模拟装置进行堵塞试验。在研究不同类型堵塞物对NSPC抗堵塞性能的影响规律时,将50 g的堵塞物平均分成5份,每次堵塞循环加入一份堵塞物,总共5次堵塞循环。每次堵塞循环试验后,将NSPC从堵塞模拟装置中取出,并将NSPC上表面以及遗留在套筒底部的砂分别烘干称重,NSPC直通孔孔道内砂的质量根据式(1)计算。

MD=MA-MB-MC

(1)

式中:MD为NSPC直通孔孔道内砂的质量,MA为砂的总质量,MB为NSPC上表面砂的质量,MC为套筒底部的砂的质量。

在研究积水深度和水平径流速度对NSPC抗堵塞性能的影响规律时,每15 s加入一份10 g堵塞物,共加入5份堵塞物,试验共持续210 s。采用崔新壮等[15]设计的透水系数测试方法记录NSPC的透水系数变化。

1.4 透水系数恢复试验

不同直通孔孔径(1.50、2.00、2.50和3.00 mm)的NSPC在细砂5次堵塞循环后,采用额定功率为750 W的超高压短水枪垂直冲洗NSPC表面,高压水枪的冲洗压力为10 MPa。每次冲洗时间为60 s,总共冲洗6次;每次冲洗后测试NSPC的透水系数,并计算透水系数恢复率。高压水枪冲洗NSPC的透水系数恢复率η如式(2)所示。

(2)

式中:kf为NSPC经高压水枪冲洗后的透水系数,mm·s-1;ki为经NSPC高压水枪冲洗前的初始透水系数,mm·s-1。

2 结果与讨论

2.1 透水系数

2.1.1 单一类型堵塞物对NSPC透水系数的影响

在D1、D2和D3堵塞物作用下,不同直通孔孔径的NSPC的透水系数随堵塞循环次数的变化规律如图2所示。当NSPC透水系数小于0.5 mm·s-1时,可认为堵塞失效。由图2可知在三种类型的堵塞物作用下,直通孔孔径为3 mm的NSPC经过5次堵塞循环后的透水系数最高,除了D3堵塞物,直通孔孔径为1.5 mm的NSPC在5次堵塞循环后失效概率为100%。值得注意的是,直通孔孔径为1.50、2.00和2.50 mm的NSPC在5次粗砂堵塞循环后的透水系数基本相等。这种现象可能是因为NSPC的直通孔孔径与堵塞物粒径之比接近1,相比于细砂,粗砂不易进入NSPC孔道内部,对透水系数影响较小[16]。

图2 单一类型堵塞物对NSPC透水系数的影响Fig.2 Effect of single type of clogging material on permeability coefficient of NSPC

本试验中,粒径小的细砂(D1)对直通孔孔径为1.50 mm的NSPC堵塞循环后的透水系数的影响远大于粒径大的粗砂(D3)。然而以往的大多数研究[17]表明,过大或过小粒径的砂对传统透水混凝土的透水系数影响都较小。这主要是因为当NSPC表面积累了较多的砂颗粒时,表面的颗粒层与孔道形成类似于漏斗的结构[18],由砂形成的颗粒流迅速进入孔道并造成堵塞[19],这也解释了为什么即使其直通孔孔径与细砂粒径之比大于5,D1堵塞物作用下的NSPC仍会发生堵塞。此外,由粗砂颗粒流和细砂颗粒流引起的堵塞形式不同,粗砂颗粒相互堆积后残留空隙较大,细砂颗粒堆积更加紧密,残留的空隙相对较小[20]。

2.1.2 复合类型堵塞物对NSPC透水系数的影响

复合类型堵塞物对NSPC透水系数的影响如图3所示。相比于单一类型堵塞物,复合类型堵塞物对NSPC堵塞循环后的透水系数影响更大[21]。在D4和D5堵塞物作用下,直通孔孔径为1.50和2.00 mm的NSPC在5次堵塞循环后全部失效。尤其是在D4堵塞物作用下,直通孔孔径为1.50 mm的NSPC的透水系数在4次堵塞循环后就降至零。这是因为与单一类型堵塞物(D1～D3)不同,D4中小粒径堵塞物(0.25～0.50 mm)占比较大,堵塞过程中粒径与直通孔孔径接近的堵塞物留在孔道内,而更小粒径的堵塞物不断填充大粒径堵塞物之间的空隙,最终导致孔隙完全封闭[22]。

图3 复合类型堵塞物对NSPC透水系数的影响Fig.3 Effect of composite type clogging material on permeability coefficient of NSPC

2.2 积水深度和水平径流速度对NSPC透水系数的影响

图4为不同水头高度下NSPC透水系数的过程曲线。水头高度为50、100和250 mm时,堵塞试验后NSPC的透水系数分别为初始透水系数的90%、80%和60%。随着水头高度增加,NSPC的透水系数不断降低。这是因为增加水头高度会导致NSPC孔道内水流量增加[23],小颗粒在水压的推动下进入孔隙并逐渐积累,而大颗粒则被相对较小的孔隙捕获[24],造成NSPC孔道入口处堵塞。在堵塞过程结束后,尽管NSPC的透水系数最高降低了40%左右,但没有出现堵塞失效的情况。这是因为堵塞物采用了中砂和粗砂的组合,堵塞试验结束后大颗粒之间的空隙仍然存在,因此水头高度对NSPC透水系数的影响有限[14]。

图4 不同水头高度下NSPC透水系数的过程曲线Fig.4 Process curves of permeability coefficients of NSPC under different water head heights

图5为不同水平径流速度下NSPC透水系数的过程曲线。水平径流速度分别为0.047、0.094、0.188 m·s-1时,除了在试验开始时的15 s,NSPC的透水系数分别在30、90和110 s附近显著下降。这表明随着水平径流速度增加,透水系数下降的时间不断延迟。这可能是由于堵塞物随着水流在一定深度内产生水平转动,不停运动的堵塞物暂时不会使NSPC发生严重堵塞。三种水平径流速度引起的NSPC透水系数差异较小,稳定后的透水系数分别为初始透水系数的62%、63%和69%。这主要是因为随着堵塞过程的进行,堵塞物颗粒不断沉积到孔道内并造成NSPC堵塞。

图5 不同水平径流速度下NSPC透水系数的过程曲线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

本文采用基于预测堵塞物被捕获概率的模型评估NSPC的渗透率[25]。堵塞物不断停留在孔道内导致孔径减小,NSPC所有孔道中的颗粒沉积速率计算如式(3)所示。

(3)

式中:N(ri,aj)为半径为aj的颗粒沉积在半径为ri孔道中的总数量,p(ri,aj)为半径为aj的颗粒在半径为ri的孔道中被捕获的概率,q(ri)为通过半径为ri孔道中水的流量,C(aj)为单位体积水流中半径为aj的颗粒总数量,n(ri)为半径为ri的NSPC孔道总数,t为试验时间。哈根-泊肃叶方程可以用来描述不可压缩牛顿流体通过恒定圆截面孔道的层流(孔道长度远远大于直径,且管内的流体没有加速),流量q计算如式(4)所示。

(4)

式中:ri为孔道半径,m;ρw为水的密度,1 000 kg·m-3;g为重力加速度,m·s-2;Δh为水头高度差,m;μ为水的黏度,1×10-3N s·m-2;L为NSPC的高度,m。

堵塞物被捕获的概率与颗粒的半径aj和孔道半径ri的比值有关[26],如式(5)所示。

(5)

式中:aj为颗粒半径,m;θ为与多种作用力有关的参数,例如重力、引力和范德华力等[25],可以用式(6)表示。

(6)

式中:θ0为取决于离子条件的常数,本试验θ0取值为3[26];v为孔道中流体的速度;v*为临界速度,当水流速度超过临界速度时,几乎不会导致孔道完全堵塞,本试验中只有0.315%的NSPC出现了完全堵塞,因此将孔隙率为0.315%时孔道中的水流速度作为临界速度。需要注意的是,当θaj>ri时,堵塞物被捕获的概率为1。

C(aj)描述的是单位体积水流中半径为aj的颗粒总数量。假设每个砂颗粒为球形,通过孔道的颗粒浓度是恒定的,三种类型砂的粒径均匀分布,即认为每种粒径的砂所占的比值是相同的。C(aj)可用式(7)表示。

(7)

式中:ρ为堵塞物的表观密度,kg·m-3;Vw为通过孔道的水的总体积,m3。在本试验中各粒径的堵塞物并不是均匀分布在水中,其分布状态与自身的粒径、质量和直通孔孔径有关。根据试验结果,直通孔孔径与粒径之比和堵塞物质量之间的关系如图6所示。

图6 堵塞颗粒质量随直通孔孔径与粒径之比的变化Fig.6 Change of clogging particle mass with ratio of straight through pore diameter to particle diameter

直通孔孔径与堵塞物粒径之比ξ和堵塞物质量m之间的关系如式(8)所示。

m=-0.184ξ+5.663

(8)

2.3.2 模型的验证

图7为各NSPC所捕获堵塞物质量的堵塞模型计算值及试验值。随着直通孔孔径增加,孔道内堵塞物的质量整体呈下降趋势。与细砂和中砂相比,粗砂的预测值与实际值产生的差异较大,这可能是因为在本试验中,粗砂颗粒的质量显著高于细砂和中砂,粗砂并不会像小颗粒一样随着水流运动,因此粗砂加入水中时的位置是影响堵塞的一个重要因素,而每次加入砂的位置是随机选择的,因此产生的误差较大。此外,当NSPC直通孔孔径为1.50 mm、砂粒径为1.00～2.00 mm时,式(5)中认为2.00 mm的堵塞物被孔道捕获的概率为100%,然而在试验中大颗粒的砂进入水中后会迅速沉降,水流的流动并不会对NSPC表面大颗粒的砂造成影响,式(5)可能高估了ξ>1时颗粒被捕获的概率。

图7 模型预测值与试验值Fig.7 Model prediction value and measured value

孔道内堵塞物的质量与透水系数衰减率的关系如图8所示,根据直通孔孔径与堵塞物最大粒径之比ξmax将其分为两组。透水系数衰减率根据式(9)计算。

图8 堵塞物的质量与透水系数衰减率的关系Fig.8 Relationship between mass of clogging material and attenuation rate of permeability coefficient

(9)

式中:φ为NSPC透水系数衰减率,%;kf为NSPC经高压水枪冲洗后的透水系数,mm·s-1;ki为NSPC高压水枪冲洗前的初始透水系数,mm·s-1。随着孔道内堵塞物质量增加,两组NSPC的透水系数衰减率不断增大,这表明孔道内堵塞物的质量越多,对NSPC的渗透率越不利。与ξ>5相比,ξ<5时造成相同程度透水系数的下降需要的堵塞物质量更少,这表明ξ越小,透水系数对堵塞物质量的敏感度越高。因此建议NSPC在进行孔道设计时考虑直通孔孔径与粒径之比的影响,推荐的ξmin为5。尽管孔道内堵塞物的质量可以在一定程度评估NSPC的透水系数,但试验并没有考虑堵塞深度的影响。当堵塞颗粒密度较高时,在NSPC孔道入口处即可造成堵塞,这时仅需极少的堵塞物便可使透水系数迅速降低[27],因此对于NSPC堵塞发生的位置仍需要进一步研究。

2.4 高压水枪冲洗对NSPC透水系数的影响

不同孔径的NSPC高压水枪冲洗后的透水系数恢复率随冲洗次数的变化规律如图9所示。当孔径分别为1.50、2.00、2.50和3.00 mm时,NSPC在6次高压水枪冲洗后的透水系数恢复率分别为13%、64%、67%和85%。此外,当孔径为1.50 mm时,高压水枪冲洗1次后的透水系数恢复率为11%,后续的高压冲洗对NSPC透水系数恢复率影响不大。这是因为当直通孔孔径与堵塞物粒径之比ξ<5时,孔道内的堵塞结构稳定,高压水枪冲洗后,堵塞物易在孔道底部堵塞,上方堆积的堵塞物难以再从孔道排出,导致后续的高压水冲洗效果不佳。

图9 不同直通孔孔径的NSPC的透水系数恢复率Fig.9 Recovery rate of permeability coefficient of NSPC with different straight through pore diameters

3 结 论

1)复合类型堵塞物中的细小颗粒会填充堵塞物的空隙,比单一类型堵塞物造成的透水系数损失更大。堵塞循环后的透水系数随直通孔孔径增加而增大,直通孔孔径与堵塞物粒径之比大于5时,堵塞物形成的颗粒流仍会造成NSPC堵塞。

2)堵塞试验后NSPC的透水系数随积水深度增加而降低;水平径流速度对NSPC的透水系数影响较小,但增加水平径流速度会延迟透水系数降低的时间。

3)NSPC堵塞模型表明,直通孔孔径与堵塞物粒径之比越接近1,堵塞物被直通孔孔道捕获的概率越大。直通孔孔道内堵塞物的质量和透水系数衰减率呈线性增加的关系。

4)采用高压水枪冲洗堵塞后,NSPC的透水系数恢复率随直通孔孔径与堵塞物粒径之比增加而增加。高压水枪冲洗后NSPC的透水系数恢复率最高可以达到85%,直通孔孔径与堵塞物粒径之比小于5时,NSPC的透水系数的恢复率仅为13%。