超疏水環保型砼的降阻性能實驗分析探究

龔金輝

(南豐縣水利局，江西 南豐 344500)

借助超疏水材料實現的超疏水環保水工渠道需要在疏水性與過流降阻性間保持優化平衡，任何偏廢都將構成材料瑕疵與有欠完備，影響工程技術性能。本研究以大型室內水槽模擬實驗分析的方式，對超疏水環保型砼的降阻性能開展專題分析探究，以期為同類渠道工程應用提供研究和技術參考，助力建設優質適用的超疏水環保型砼渠道工程。

1 超疏水界面的降阻原理

超疏水仿生材料作為一種新型的降阻材料和技術，其環保疏水和渠道過流降阻技術擁有廣闊的應用前景。對超疏水材料的降阻原理經典描述解析，目前主要是基于表觀移滑以及Plastron效應理論，其概要內容如下：

1.1 基于Plastron效應說

超疏水材料具有降阻功能緣于其界面特定存在混合微觀粗糙構造、粗糙度或者微裂縫。實驗適用降阻性分析揭示，當液體觸接一般疏水界面或親水界面時，通常會向固體界面存在的混合微觀粗糙構造、粗糙度或者微裂縫發生部分分散入滲，正是這個入滲過程導致液體透過固體材料界面時的摩阻相對加大。

當液體觸接固體超疏水界面時，因混合微觀粗糙構造、粗糙度或者微裂縫而出現不間斷三相觸接線，導致固體與液體間生發存在了空氣層，起始液-固觸接面隨即轉變成氣-固界觸接面以及液-氣觸接面，必然降低固-液觸接面積，超疏水界面液體的流動阻力進而被降低，此為Plastron效應。基于Plastron效應的觸接面結構示意見圖1。

圖1 觸接面Plastron效應狀態示意

1.2 界面表觀滑移理論

通常有很強的殘存化學鍵在固體壁界面存在，這些化學鍵殘存表現出較強界面能，對外依然擁有很強的勾連或吸附活性，把流體分子吸附穩定在固體界面。砼界面經氟硅烷裝飾以后，砼界面能會大幅下降，導致砼和水分子間出現壁面移滑，存在和呈現不親和狀態。移滑長度概念具體見圖2。移滑速率一般要正比于壁面流切剪率，一般由如下計算公式給與描述和表現：

(1)

式中：b為移滑長度，其如果取值大于0值，則邊界條件系屬為有移滑邊界條件；如果取值以0值，則邊界條件系屬為無移滑邊界條件。

圖2 移滑邊界結構狀態示意

參考內摩擦牛頓定律，固體界面上讓液體做層流運動，緊密相關液體性質，相近液層中間切力或內摩阻力F跟流動速率du/dy梯度以及液層間的觸接A面積呈正比例關系，具體如下：

(2)

式中：μ為黏滯動力常數，單位N·s/m2。

所以，切應力可以等值作用于單位面積的內摩阻，具體用符號τ表示，其公式如下：

(3)

在流態均勻恒定前提下，切應力τ跟沿程流水損失水頭hf滿足如下關系：

(4)

式中：l為流水沿程長度，m；γ為液體容重，N/m3。式(4)揭示，隨著界面切應力加大，沿程水頭損失會跟隨加大，特別是對遠距輸水水工渠道說來，則此種狀態規律愈發相對明顯。

因為壁面與流體存在不親和性，流體與疏水性壁面處在不潤浸狀態，參考表觀Navier移滑理論，流體發生特定滾動或流動，并且緊貼在壁面，流體的壁面流動速率將不為零值，由式(3)和式(4)揭示，速率梯度在邊界壁面有所降低，即流體于邊界壁面上切剪應力降低了，進而降低了疏水性界面上流水沿程的水頭損失。同時因為速率梯度在邊界面有所降低，流態臨界轉換雷諾數亦對應加大，附面層流穩定狀態有所加強，緩滯了湍流的出現，水頭損失從而得到進一步的降低。

2 超疏水環保型砼的基體制備

2.1 基礎材料

砂：渭河砂場2.75細度模數的自然中砂，泥含量為1.2%，表觀密度參數為2.56 g/cm3，堆積密度參數為1.772 g/cm3

圖3 粗礫再生及再生橡膠粉骨料

砼：P·O32.5R級硅酸鹽混合砼

橡膠：表觀密度為1.11 g/cm3，粒度60目，具體見圖3(b)

再生粗骨料：廢棄砼，強度C25～C40，分級破碎后構成再生粗骨料，級配5～40 mm；4∶6的小石中石比，4%有效吸水率，具體見圖3(a)

自然粗骨料：渭河卵石，小石(5～20 mm)，中石(20～40 mm)，4∶6小石中石比，0.3%含泥量，2.62 g/cm3表觀密度，1.649 g/cm3堆積密度

變性劑：KH-570偶聯硅烷劑

水：常規自來水

乙醇

2.2 基體制備

參考《水工砼配比設計規程》(DL/T 5330-2015)規程規定，依據《渠道水工工程防滲設計規范規程》(GB/T 50600-2010)，本次實驗采用常規C25砼，石子、砂、水和砼按1365∶585∶150∶300混合，砂率取0.3，水灰比取0.5。再生橡膠砼可以有機實現經濟、環保和安全性統一，本研究再生砼取<50%含量，橡膠含量2%～8%。考慮長距輸水需求持久較大的砼抗滲性，30%含量標準以再生粗骨料替代自然粗骨料；以等體積橡膠粉替代原有細骨料，以粒度60目，含量5%，制備構成本實驗超疏水環保型砼。

為了使砼基體更為緊密與橡膠融合，選用KH-570偶聯硅烷劑實施橡膠變性。制作過程為：取橡膠質量占1.5%的KH-570偶聯硅烷劑，復合配制依照水∶乙醇∶KH-570按0.08∶0.72∶0.2的比例實施，橡膠粉拌合硅烷偶聯劑溶液充分均勻，并于陰涼處置放，待橡膠粉界面已經基本干燥。攪拌時，因為再生砼通常具有較大的吸水率，須按粗再生骨料4%質量標準實施附加補水。依照《砼水工實驗規程》(SL 352-2006)，成型試樣并給與充分的維護保養，實驗砼成分配比具體見表1，成型實驗砼試樣具體見圖4。

表1 實驗砼成分配比

圖4 成型實驗砼試樣

3 超疏水環保型砼降阻性實驗分析

粗糙壁面一定程度存在阻力，切應力的存在導致流體出現沿程水頭機械能損失，損失強度一般與流段的線程長度呈正比關系。尤其是對高寒地區長距離輸水渠道說來，砌襯砼糙率使得水工渠道出現相對較大的水頭能量損失，粗糙界面使得渠道單位時間內的過流相對能力下降。超疏水環保型砼結構因為其界面一定程度存在著混合微細構造，擁有降阻成效較好的降低界面能物質。本研究經過建立常規砼渠道結構以及超疏水環保型砼渠道，糙率率定其界面，進行超疏水環保型砼在渠道砌襯降阻方面的運用研究。

3.1 渠道模型布設

本實驗于某泥沙廳砼矩形砌襯渠道模型內實施。渠道模型布設狀態具體見圖5。

圖5 渠道模型布設狀態圖

圖5中，1為進水池，2和3為測點1和測點2，4為矩形渠道，5為量水矩形堰，6為退水池。

模型整體是由量水堰、退水池、進水池、穩水柵、矩形渠道等組成。其中矩形渠道縱向底坡i=1/400，渠頂寬度19.5 cm，渠深度50 cm，總長度25 m。模型渠道循環提供水是由水泵自動持續提供，進入進水池后，流水首先流經穩水柵，再流經矩形模型渠道，再流經矩形量水堰，最終集中流入退水池。

3.2 實驗成果分析

為了證實超疏水環保型砼測量的水工降阻效果，參考謝才-曼寧公式對界面糙率給與基本率定。本次實驗按0.057，0.047，0.039和0.020 m3/s分別調整入口實驗過流量。按謝才公式整理實驗結果，具體如下：

(5)

式中：C為謝才常數，m0.5/s；Q為過流量，m3/s；R為水力半徑，m；A為截面面積，m2。

謝才常數C通常以曼寧公式給與表達，具體如下：

(6)

式中：n為渠道壁面糙率。計算糙率公式具體如下：

(7)

無側聚縮、薄壁矩形自由出流堰的過流量計算具體如下：

(8)

式中：b為堰口截面水面寬度，m；m為過流量常數；H為堰上水頭，m；g為重力加速率，9.8 m/s2。

過流量常數可按下式表示：

(9)

式中：P為堰高，m。

水深與過流量關系見表2。

表2 水深與過流量關系

由表2可知，不論過流量怎樣演變，對比常規砼砌襯渠道，超疏水環保型砼砌襯渠道的界面糙率均相對要低，擁有較顯著降阻效果。參考4個過流量參數，對應計算糙率均值，獲得值0.013 22的超疏水環保型砼砌襯渠道界面糙率，獲得值0.014 91的常規砼砌襯渠道的界面糙率，前者渠道界面糙率較后者存在有11.3%的降低量，這是由于流水跟超疏水環保型砼砌襯間有空氣層構成，使得流水跟固體邊界間的觸接面積有所降低；再加上超疏水環保型砼砌襯渠道的界面能相對極低，流水跟砼壁面間呈現出一種不親和狀態，流水跟砌襯的粘貼作用相對較弱，出現壁面移滑，速率移滑的存在降低了流水流動速率梯度，進而降低了邊壁與流水剪力，使超疏水環保型砼界面糙率比較小。

4 結 語

本研究以大型室內水槽模擬實驗分析的方式，對超疏水環保型砼的降阻性能開展專題分析探究。主要介紹了超疏水界面的降阻原理，介紹了超疏水環保型砼的基體制備技術條件及過程，并對超疏水環保型砼降阻性實驗分析。分析揭示，不論過流量怎樣演變，對比常規砼砌襯渠道，超疏水環保型砼砌襯渠道的界面糙率均相對要低，后者渠道界面糙率較前者存在有11.3%的降低量，超疏水環保型砼砌襯渠道的界面能相對極低，流水跟砼壁面間呈現出一種不親和狀態，流水跟砌襯的粘貼作用相對較弱，出現壁面移滑，速率移滑的存在降低了流水流動速率梯度，進而降低了邊壁與流水剪力，使超疏水環保型砼界面糙率比較小。