陶瓷透水路面砖细观孔隙结构分析及淤堵规律研究

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利用透水路面材料建设透水性道路是海绵城市建设中的重要内容,然而透水路面材料在实际应用中通常会面临淤堵问题,对其路用性能与使用寿命造成不利影响。淤堵问题的本质为堵塞物质滞留在透水路面材料内部孔隙中,使其孔隙连通程度降低、渗透能力减弱。因此,对透水路面材料细观孔隙结构进行分析是研究其淤堵规律的重要基础。通过阅读国内外文献资料,发现目前已有的关于透水路面材料细观孔隙结构与淤堵规律的研究大多是以透水沥青混合料、透水混凝土为研究对象,而对以废弃陶瓷为原料的透水路面砖的研究较少。且由于陶瓷透水路面砖生产原料与生产工艺的独特性,其细观孔隙结构和淤堵规律必然与其它透水路面材料存在较大差异。因此,研究陶瓷透水路面砖的细观孔隙结构与淤堵规律具有重要意义,研究结果可促进其在海绵城市建设中的应用。本研究通过采用X射线计算断层扫描(XCT)试验、图像处理与分析、渗透试验、淤堵试验以及渗流计算等方法,对陶瓷透水路面砖的细观孔隙结构与淤堵规律进行了研究,得到的主要结论有:(1)分析了陶瓷透水路面砖圆柱试样上层与下层结构中孔隙的二维与三维特征。对于孔隙二维特征,圆柱试样上层结构各切片的面孔隙率和孔隙二维分形维数整体较下层偏大。对于孔隙三维特征,圆柱试样上层和下层结构中连通孔隙的等效直径整体上均大于其孤立孔隙的等效直径;上层和下层结构中孤立孔隙的三维形状系数均较其连通孔隙的三维形状系数偏大,说明孤立孔隙三维轮廓形态更加规则。(2)基于自行研制的试验装置,进行了陶瓷透水路面砖渗透试验与淤堵试验。结果表明:在淤堵过程中,陶瓷透水路面砖的渗透系数随淤堵时间的增加而逐渐减小,减小过程大致可分为快速衰减阶段、缓慢衰减阶段和稳定阶段;归一化后的淤堵试验结果可用指数型函数进行较好地拟合。淤堵试验结束后,对滞留在不同部位的堵塞颗粒物进行了质量分析与粒径分析,发现淤堵后试样表面淤积的颗粒物质量占比最多;对于进入试样内部的颗粒物,其中能反向冲洗出来的颗粒物质量占比相较于难以反向冲洗出来的颗粒物质量占比要小得多;不同试样在完成淤堵试验后,表面淤积的颗粒物粒径分布特征相似,反向冲洗出试样的颗粒物粒径分布特征以及透过试样的颗粒物粒径分布特征也较为相似,即粒径0.005~0.075 mm的颗粒物占比最高,粒径1~2 mm的颗粒物占比最低。(3)从圆柱试样上层结构和下层结构中各取出一个合适尺寸的特征单元体,利用Avizo软件对其进行了渗流计算。可知对于同一渗流计算模型,虽然其内部连通孔隙结构是一致的,但流体在相同的压力条件下沿不同主要流动方向单通道流动时,流线的数量分布呈现出较大差异,且并不是所有的连通孔隙中都会有流线分布,即流体在流动过程中存在“优势通道现象”。此外,流体在渗流模型连通孔隙中发生流动时,流速较大的位置主要发生在孔喉处。(4)通过分析圆柱试样上下层结构各30个特征单元体的渗透系数与孔隙结构特征参数间的关系,发现对于圆柱试样上层结构与下层结构,渗透系数与有效孔隙率、连通指数间均呈正相关关系,与迂曲度间呈负相关关系;但散点图均较分散,原因为渗透系数是受多个孔隙结构特征参数共同影响的,建立陶瓷透水路面砖渗透系数与其主要孔隙结构特征参数间的数学关系式是后续的研究内容之一。
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