透水混凝土蒸发降温性能优化研究

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中国城市化快速发展,引发城市热环境问题,其中城市热岛现象尤为严重。透水混凝土路面作为海绵城市建设的重要组成部分,能有效缓解城市热岛效应。然而传统透水混凝土透水性较大,雨水快速下渗导致无法有效截留水分进行蒸发,导致蒸发降温能力严重不足。因此,亟需深入探究透水混凝土蒸发降温性能优化问题,鉴于此,本文添加高吸水性(生物炭、沸石粉)掺合料取代部分水泥制备透水混凝土,论文从三个部分开展对透水混凝土蒸发降温性能优化研究。首先探究生物炭、沸石粉掺入透水混凝土对其基本力学性能、透水性能及含水率的影响,并给出合理的掺量。然后通过广西南宁典型气象日进行改良透水混凝土蒸发降温试验,获取生物炭、沸石粉的掺入对透水混凝土蒸发降温性能的增益效果。最后基于多孔介质传热及路表热流平衡理论,建立以热流为边界条件的多物理场耦合传热模型,为优化透水混凝土的蒸发降温性能提供可行性建议。通过上述研究工作,得到以下成果:1.生物炭、沸石粉的掺入对透水混凝土孔隙率及透水系数的影响是随机的,但均能提高透水混凝土的含水率,且孔隙率与透水系数呈正相关。就提高透水混凝土体积含水率而言;生物炭的改善效果优于沸石粉。在生物炭取代率较低时(1~3%),其掺入对透水混凝土不同龄期的抗压抗折强度均有所提高,其中3%BC7d、28d龄期抗压强度分别提升14.7%、7.2%,3%BC7d、28d龄期抗折强度分别提升9.88%、7.32%,但随着取代率的增大,抗压抗折强度都不同程度减少,8%BC7d、28d龄期抗压强度分别降低13.1%、16%,8%BC7d、28d龄期抗折强度分别降低23.6%、22.5%。而随着沸石粉取代率的增大,试件的7d龄期抗压抗折强度均不断减少,20%ZP7d龄期抗压强度降低22.13%,20%ZP7d龄期抗折强度降低13.5%,28d龄期抗压抗折强度与对照组相比则表现为先增大后降低,其中15%ZP28d龄期抗压抗折强度分别提高7.2%、7.88%。因此在不影响强度及透水性能的条件下,生物炭最佳掺量为5%,沸石粉的最佳掺量为15%。2.试验研究表明:干燥透水混凝土具有更高的路表温度,通过人工补水能有效降低路表最高温度,但冷却时间仅能维持5~6小时。此外淋水后,掺入生物炭、沸石粉的透水混凝土具有更低显热释放及更长冷却时间,但其增益是有限的,这验证了掺入吸水性填料改善透水混凝土蒸发降温性能技术的可行性。3.数值模拟表明:对面层材料而言:考虑工程实际及可行性,应优先考虑提高面层反射率及导热系数来调控路表温度。对于结构设计而言:储水层的深度设置为15 cm左右,能合理兼顾经济及冷却性能。对淋水方案而言:根据降温幅度及冷却时长,正午12点淋水具有更优的降温表现,并通过数学关系给出最佳单次淋水量为2.5 kg/m~2。对透水混凝土的材料选取、结构及养护方案具有一定指导意义。
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