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山东大学在透水路面堵塞机理研究方面取得新进展
发布时间:2018年09月18日 11:31    作者:    点击:[]

山东大学在透水路面堵塞机理研究方面取得新进展

本文作者:马国栋

近日,我院水利工程系张炯副教授课题组研究成果Numerical study on pore clogging mechanism in pervious pavements” 透水路面孔隙堵塞机理数值模拟研究在国际著名期刊《Journal of Hydrology》上发表。海绵城市建设中广泛应用了透水路面来缓解城市防涝压力,透水路面的孔隙会随着泥沙尘土的聚集而堵塞并导致渗透性能不断降低,使其演变成非透水路面,造成经济上的严重浪费。因此研究透水路面孔隙堵塞的机理成为解决该难题的前提。透水混凝土路面内部的堵塞情况无法通过肉眼直接观察,目前国内外没有有效的研究其内部堵塞过程的方法,只能通过透水系数实验等手段直接测试堵塞的影响结果。

针对这一问题,课题组借助工业CT扫描技术,从材料内部探究透水混凝土的孔隙结构、孔隙率,孔隙分布等一系列介观参数,相当于内科医生利用窥镜检查病人的病变原理。然后利用3D可视化软件重构出真实的内部孔隙模型,利用计算流体力学软件进行了渗流模拟,得出与实际渗流情况一致的现象与结论。

1 透水混凝土重构模型渗流模拟研究

 

在此基础上,利用DEM-CFD(离散元-计算流体力学)数值模拟方法建立了透水混凝土孔隙堵塞模型(图2)。课题组在充分考虑实际透水路面可能遭遇到的各种外界堵塞条件下,重点研究了在泥沙粒径分布,路面水平径流流速,渗流流速,透水路面材料孔隙率等影响因素下透水混凝土路面内部的孔隙堵塞过程和机理。该研究发现:透水混凝土路面堵塞形成条件主要是由泥沙颗粒半径与骨料颗粒半径的比值决定(图3)。路面堵塞主要发生于表面30毫米以内; 而其中的粗颗粒主要集中在表面20毫米以内;细颗粒可以穿行至60-100毫米左右;并且堵塞位置随着地表水平流速和入渗流速、孔隙率的增加而加深。随着循环模拟次数的增加,在不增加外来泥沙污染源的情况下,路面堵塞程度没有显著改变。

2 透水混凝土孔隙堵塞DEM-CFD模型

3 透水混凝土孔隙堵塞机理探究

 

与此同时,课题组还利用试验方法验证了数值模拟结果的可靠性,创造性的利用聚丙烯酸钠小球来代替透水混凝土的粗集料。这是一种高分子吸水材料,当它充分吸水后体积可以膨胀近200倍,对光的折射率与水接近,因此这种材料组成的透水路面模型浸入水中就完全隐身了,泥沙颗粒的堵塞过程可以清楚的被观察到。

a)未浸入水中                  (b) 浸入水中

4 透明聚丙烯酸钠小球代替透水混凝土集料

 

5 堵塞颗粒在透水混凝土内部的堵塞发展过程

这一系列研究成果分别发表在土木工程1Top期刊Journal of Hydrology以及2区杂志Construction and Building Materials上。为有效的预防与治理透水路面堵塞问题奠定了坚实的理论基础。目前课题组所在的山东省海绵城市示范工程技术研究中心已在校园内建成了透水混凝土路面试验段(图6)用于开展养护试验,实验结果将为我国海绵城市建设保驾护航。

6 透水混凝土路面养护试验段

论文列表:

[1].   Zhang, J., Ma, G., Dai, Z., Ming, R., Cui, X., She, R. (2018). Numerical study on pore clogging mechanism in pervious pavements. Journal of Hydrology, 565, 589-598.

[2].   Zhang, J., Ma, G., Ming, R., Cui, X., Li, L., Xu, H. (2018). Numerical study on seepage flow in pervious concrete based on 3D CT imaging. Construction and Building Materials, 161, 468-478.

[3].   Zhang, J., She, R., Dai, Z., Ming, R., Ma, G., Cui, X., et al. (2018). Experimental simulation study on pore clogging mechanism of porous pavement. Construction and Building Materials, 187, 803-818.

 

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