龔金輝

(南豐縣水利局，江西 南豐 344500)

借助超疏水材料實(shí)現(xiàn)的超疏水環(huán)保水工渠道需要在疏水性與過流降阻性間保持優(yōu)化平衡，任何偏廢都將構(gòu)成材料瑕疵與有欠完備，影響工程技術(shù)性能。本研究以大型室內(nèi)水槽模擬實(shí)驗(yàn)分析的方式，對(duì)超疏水環(huán)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(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力建設(shè)優(yōu)質(zhì)適用的超疏水環(huán)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(shù)，其環(huán)保疏水和渠道過流降阻技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)超疏水材料的降阻原理經(jīng)典描述解析，目前主要是基于表觀移滑以及Plastron效應(yīng)理論，其概要內(nèi)容如下：

1.1 基于Plastron效應(yīng)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(gòu)造、粗糙度或者微裂縫。實(shí)驗(yàn)適用降阻性分析揭示，當(dāng)液體觸接一般疏水界面或親水界面時(shí)，通常會(huì)向固體界面存在的混合微觀粗糙構(gòu)造、粗糙度或者微裂縫發(fā)生部分分散入滲，正是這個(gè)入滲過程導(dǎo)致液體透過固體材料界面時(shí)的摩阻相對(duì)加大。

當(dāng)液體觸接固體超疏水界面時(shí)，因混合微觀粗糙構(gòu)造、粗糙度或者微裂縫而出現(xiàn)不間斷三相觸接線，導(dǎo)致固體與液體間生發(fā)存在了空氣層，起始液-固觸接面隨即轉(zhuǎn)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(dòng)阻力進(jìn)而被降低，此為Plastron效應(yīng)?；赑lastron效應(yīng)的觸接面結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 觸接面Plastron效應(yīng)狀態(tài)示意

1.2 界面表觀滑移理論

通常有很強(qiáng)的殘存化學(xué)鍵在固體壁界面存在，這些化學(xué)鍵殘存表現(xiàn)出較強(qiáng)界面能，對(duì)外依然擁有很強(qiáng)的勾連或吸附活性，把流體分子吸附穩(wěn)定在固體界面。砼界面經(jīng)氟硅烷裝飾以后，砼界面能會(huì)大幅下降，導(dǎo)致砼和水分子間出現(xiàn)壁面移滑，存在和呈現(xiàn)不親和狀態(tài)。移滑長(zhǎng)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(jì)算公式給與描述和表現(xiàn)：

(1)

式中：b為移滑長(zhǎng)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(jié)構(gòu)狀態(tài)示意

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

(2)

式中：μ為黏滯動(dòng)力常數(shù)，單位N·s/m2。

所以，切應(yīng)力可以等值作用于單位面積的內(nèi)摩阻，具體用符號(hào)τ表示，其公式如下：

(3)

在流態(tài)均勻恒定前提下，切應(yīng)力τ跟沿程流水損失水頭hf滿足如下關(guān)系：

(4)

式中：l為流水沿程長(zhǎng)度，m；γ為液體容重，N/m3。式(4)揭示，隨著界面切應(yīng)力加大，沿程水頭損失會(huì)跟隨加大，特別是對(duì)遠(yuǎn)距輸水水工渠道說來，則此種狀態(tài)規(guī)律愈發(fā)相對(duì)明顯。

因?yàn)楸诿媾c流體存在不親和性，流體與疏水性壁面處在不潤(rùn)浸狀態(tài)，參考表觀Navier移滑理論，流體發(fā)生特定滾動(dòng)或流動(dòng)，并且緊貼在壁面，流體的壁面流動(dòng)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(yīng)力降低了，進(jìn)而降低了疏水性界面上流水沿程的水頭損失。同時(shí)因?yàn)樗俾侍荻仍谶吔缑嬗兴档停鲬B(tài)臨界轉(zhuǎn)換雷諾數(shù)亦對(duì)應(yīng)加大，附面層流穩(wěn)定狀態(tài)有所加強(qiáng)，緩滯了湍流的出現(xiàn)，水頭損失從而得到進(jìn)一步的降低。

2 超疏水環(huán)保型砼的基體制備

2.1 基礎(chǔ)材料

砂：渭河砂場(chǎng)2.75細(xì)度模數(shù)的自然中砂，泥含量為1.2%，表觀密度參數(shù)為2.56 g/cm3，堆積密度參數(shù)為1.772 g/cm3

圖3 粗礫再生及再生橡膠粉骨料

砼：P·O32.5R級(jí)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(qiáng)度C25～C40，分級(jí)破碎后構(gòu)成再生粗骨料，級(jí)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(lián)硅烷劑

水：常規(guī)自來水

乙醇

2.2 基體制備

參考《水工砼配比設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T 5330-2015)規(guī)程規(guī)定，依據(jù)《渠道水工工程防滲設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)程》(GB/T 50600-2010)，本次實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)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(jī)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和安全性統(tǒng)一，本研究再生砼取<50%含量，橡膠含量2%～8%?？紤]長(zhǎng)距輸水需求持久較大的砼抗?jié)B性，30%含量標(biāo)準(zhǔn)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(xì)骨料，以粒度60目，含量5%，制備構(gòu)成本實(shí)驗(yàn)超疏水環(huán)保型砼。

為了使砼基體更為緊密與橡膠融合，選用KH-570偶聯(lián)硅烷劑實(shí)施橡膠變性。制作過程為：取橡膠質(zhì)量占1.5%的KH-570偶聯(lián)硅烷劑，復(fù)合配制依照水∶乙醇∶KH-570按0.08∶0.72∶0.2的比例實(shí)施，橡膠粉拌合硅烷偶聯(lián)劑溶液充分均勻，并于陰涼處置放，待橡膠粉界面已經(jīng)基本干燥。攪拌時(shí)，因?yàn)樵偕磐ǔ＞哂休^大的吸水率，須按粗再生骨料4%質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施附加補(bǔ)水。依照《砼水工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2006)，成型試樣并給與充分的維護(hù)保養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)砼成分配比具體見表1，成型實(shí)驗(yàn)砼試樣具體見圖4。

表1 實(shí)驗(yàn)砼成分配比

圖4 成型實(shí)驗(yàn)砼試樣

3 超疏水環(huán)保型砼降阻性實(shí)驗(yàn)分析

粗糙壁面一定程度存在阻力，切應(yīng)力的存在導(dǎo)致流體出現(xiàn)沿程水頭機(jī)械能損失，損失強(qiáng)度一般與流段的線程長(zhǎng)度呈正比關(guān)系。尤其是對(duì)高寒地區(qū)長(zhǎng)距離輸水渠道說來，砌襯砼糙率使得水工渠道出現(xiàn)相對(duì)較大的水頭能量損失，粗糙界面使得渠道單位時(shí)間內(nèi)的過流相對(duì)能力下降。超疏水環(huán)保型砼結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浣缑嬉欢ǔ潭却嬖谥旌衔⒓?xì)構(gòu)造，擁有降阻成效較好的降低界面能物質(zhì)。本研究經(jīng)過建立常規(guī)砼渠道結(jié)構(gòu)以及超疏水環(huán)保型砼渠道，糙率率定其界面，進(jìn)行超疏水環(huán)保型砼在渠道砌襯降阻方面的運(yùn)用研究。

3.1 渠道模型布設(shè)

本實(shí)驗(yàn)于某泥沙廳砼矩形砌襯渠道模型內(nèi)實(shí)施。渠道模型布設(shè)狀態(tài)具體見圖5。

圖5 渠道模型布設(shè)狀態(tài)圖

圖5中，1為進(jìn)水池，2和3為測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)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(jìn)水池、穩(wěn)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(zhǎng)度25 m。模型渠道循環(huán)提供水是由水泵自動(dòng)持續(xù)提供，進(jìn)入進(jìn)水池后，流水首先流經(jīng)穩(wěn)水柵，再流經(jīng)矩形模型渠道，再流經(jīng)矩形量水堰，最終集中流入退水池。

3.2 實(shí)驗(yàn)成果分析

為了證實(shí)超疏水環(huán)保型砼測(cè)量的水工降阻效果，參考謝才-曼寧公式對(duì)界面糙率給與基本率定。本次實(shí)驗(yàn)按0.057，0.047，0.039和0.020 m3/s分別調(diào)整入口實(shí)驗(yàn)過流量。按謝才公式整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體如下：

(5)

式中：C為謝才常數(shù)，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(shù)C通常以曼寧公式給與表達(dá)，具體如下：

(6)

式中：n為渠道壁面糙率。計(jì)算糙率公式具體如下：

(7)

無側(cè)聚縮、薄壁矩形自由出流堰的過流量計(jì)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(shù)；H為堰上水頭，m；g為重力加速率，9.8 m/s2。

過流量常數(shù)可按下式表示：

(9)

式中：P為堰高，m。

水深與過流量關(guān)系見表2。

表2 水深與過流量關(guān)系

由表2可知，不論過流量怎樣演變，對(duì)比常規(guī)砼砌襯渠道，超疏水環(huán)保型砼砌襯渠道的界面糙率均相對(duì)要低，擁有較顯著降阻效果。參考4個(gè)過流量參數(shù)，對(duì)應(yīng)計(jì)算糙率均值，獲得值0.013 22的超疏水環(huán)保型砼砌襯渠道界面糙率，獲得值0.014 91的常規(guī)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(huán)保型砼砌襯間有空氣層構(gòu)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(huán)保型砼砌襯渠道的界面能相對(duì)極低，流水跟砼壁面間呈現(xiàn)出一種不親和狀態(tài)，流水跟砌襯的粘貼作用相對(duì)較弱，出現(xiàn)壁面移滑，速率移滑的存在降低了流水流動(dòng)速率梯度，進(jìn)而降低了邊壁與流水剪力，使超疏水環(huán)保型砼界面糙率比較小。

4 結(jié) 語

本研究以大型室內(nèi)水槽模擬實(shí)驗(yàn)分析的方式，對(duì)超疏水環(huán)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(huán)保型砼的基體制備技術(shù)條件及過程，并對(duì)超疏水環(huán)保型砼降阻性實(shí)驗(yàn)分析。分析揭示，不論過流量怎樣演變，對(duì)比常規(guī)砼砌襯渠道，超疏水環(huán)保型砼砌襯渠道的界面糙率均相對(duì)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(huán)保型砼砌襯渠道的界面能相對(duì)極低，流水跟砼壁面間呈現(xiàn)出一種不親和狀態(tài)，流水跟砌襯的粘貼作用相對(duì)較弱，出現(xiàn)壁面移滑，速率移滑的存在降低了流水流動(dòng)速率梯度，進(jìn)而降低了邊壁與流水剪力，使超疏水環(huán)保型砼界面糙率比較小。