透水水泥混凝土路面孔隙堵塞演化及滲流特征研究

摘要 透水水泥混凝土路面因其多孔易堵塞性，影響排水功能，需研究其孔隙堵塞機理。文章模擬了透水水泥混凝土阻塞情況，通過試驗結果分析阻塞顆粒的演變過程，并根據不同深度堵塞的發展過程、阻塞顆粒的平均深度，對阻塞平均深度與相關變量進行了研究，分析了相關變量與滲透系數的相關性，以期為透水路面設計和養護提供參考。

關鍵詞 透水水泥混凝土；孔隙；阻塞；滲透系數

中圖分類號 U414.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0112-03

0 引言

透水路面可增加雨水下滲，減少路面雨水徑流，其透水性能與物理性能相互制約。為推廣透水混凝土路面，需深入研究孔隙堵塞的影響因素，以確保長久的抗阻塞性能。

1 透水多孔介質滲流和阻塞機制

1.1 多孔介質

透水混凝土以骨料和黏合劑作為固體骨架，內部形成連通、半連通或不連通空洞，這些空洞稱作多孔介質，多孔介質內的流體以滲流方式運動。

1.2 滲流

在滲流模型中，邊界條件按實際設置，用流場連續函數、水力學法進行研究。研究時把多孔介質運動的真實水流假設為充滿整個滲流區連續穩定與均勻的水流[1]。

1.3 透水性能阻塞機制和影響因素

（1）透水多孔介質的阻塞機制

透水混凝土多孔介質顆粒逐漸堵塞共有5個階段：堵塞初始、架橋、堆積、填充、截流。堵塞程度與材料相關性大，阻塞研究的堵塞材料是懸浮物[2]。

（2）透水多孔介質阻塞的影響因素

1）骨料和水泥影響。骨料和水泥均影響透水混凝土的透水性能，骨料的級配、大小、種類和形狀均會影響阻塞情況。

2）目標孔隙率影響。孔隙率受壓實度影響，施工時不同級配、骨料均會導致透水混凝土產生不同的孔隙率。混凝土孔隙率越大，進入水多孔介質的阻塞顆粒通過孔隙排出的可能性更大。

3）阻塞顆粒影響。灰塵顆粒污染物會通過不同途徑滲入混凝土內部的孔隙，使孔隙率降低、滲透功能減弱，導致滲透系數和水利傳導系數下降，喪失透水功能。

1.4 多孔介質中的顆粒阻塞

骨料在堆積時成多孔介質，具有高彎曲度、變直徑截面等特點，顆粒易在孔隙內堆積、堵塞。堵塞有三個階段：快速堵塞、短暫恢復、漸進堵塞。

2 透水水泥混凝土路面阻塞和滲流模型

2.1 透水水泥混凝土阻塞試驗

試驗不考慮孔隙率、級配參數，僅用40 Hz震動頻率和1年、2年、5年、7年、9年阻塞顆粒進行震動阻塞。震動結束后通過定水頭法進行滲透系數的測定，擬合混凝土滲透系數隨使用年限變化的曲線如圖1所示，可知隨使用年限增加，滲透系數逐漸減小。

2.2 透水水泥混凝土阻塞仿真模型

水泥混凝土粗骨料選用碎石。為簡化計算，模型采用圓形骨料，將水泥體積計入骨料中。將阻塞顆粒釋放至混凝土表面，通過震動混凝土塊，模擬車輛壓過路面，研究阻塞顆粒的堵塞情況和狀態。使用離散元生成路面顆粒，同時確定混凝土孔隙率和骨料級配。生成時假設為50 mm×50 mm×70 mm的長方體，骨料上層厚10 mm，下層厚60 mm。此次使用線性模型生成中，可以忽略水泥黏結力。

粒徑≥1.2 mm的阻塞顆粒無法通過表面孔隙進入內部，不納入考慮范圍；粒徑＜0.15 mm的阻塞顆粒可在混凝土內部自然下滲，對其內部阻塞無影響，也不納入考慮。阻塞顆粒恢復、靜摩擦、滾動系數分別為0.5、0.5、0.001。最終，阻塞顆粒的級配如圖2所示，阻塞顆粒與時間關系的數量如表1所示。

采用控制變量法研究透水混凝土的阻塞情況，以分析單一變量對透水混凝土性能的影響。如表2所示，工況1、工況2、工況3模擬不同透水水泥骨料級配的影響，工況1、工況4、工況5模擬不同透水混凝土孔隙率的影響，工況1、工況6、工況7模擬不同阻塞顆粒數量的影響，工況1、工況8、工況9模擬不同震動頻率的影響。其中，工況1是基準組。阻塞顆粒釋放完成后，將模擬時間歸零，開始透水混凝土試件震動的阻塞模擬。

2.3 透水水泥混凝土路面滲流模型

水泥混凝土路面滲流模型中使用和混凝土阻塞相同的工況模擬。在逐漸阻塞試驗時，其孔隙率、阻力系數發生變化，將透水水泥混凝土按10 mm劃分成不同部分，取每10 mm的孔隙率、阻塞顆粒數量、平均粒徑、路面顆粒體積和位置，計算滲流模擬的孔隙率、黏性阻力、慣性阻力系數。此次試驗選用時間點作為滲透系數的測量點。

選擇k-epsilon模型及Navier-Stokes方程等，使用Fluent自帶網格劃分法對網格進行劃分，生成的網格模型如圖3所示。

3 透水水泥混凝土阻塞仿真分析

在相關度分析中，其應變量為阻塞顆粒深度，自變量為震動頻率、孔隙率、級配和使用年限。不同頻率下阻塞顆粒所處的平均深度見圖4所示：

由試驗可知，孔隙率顯著性水平較高，孔隙率增加對阻塞顆粒進入透水水泥深度的影響較大，而其余變量的顯著性較低，原因是上層骨料粒徑為1 mm，70%以上的0.15～0.6 mm粒徑顆粒堵塞在透水混凝土試件上層。

使用年限的增加，對0.15～0.3 mm粒徑阻塞顆粒所處深度的影響較0.3～0.6 mm粒徑阻塞顆粒更明顯，前者相關系數為0.2，而后者相關系數為0.1。0.15～0.3 mm

阻塞顆粒和0.3～0.6 mm阻塞顆粒在60 s時的位置，分別在線性擬合檢驗中R2為95%、84%，即震動頻率、孔隙率、路面級配、使用年限等這4個變量可較好地反映透水混凝土的阻塞顆粒深度。0.15～0.3 mm阻塞顆粒在60 s時的位置與震動頻率、孔隙率高度相關，而

0.3～0.6 mm阻塞顆粒在60 s時的位置與孔隙率相關。阻塞顆粒位置的線性擬合方程如下：

（1）

式中：D——阻塞顆粒深度（m）；F——震動頻率（Hz）；P——孔隙率。

在單雙層透水混凝土對比中，雙層透水混凝土在阻塞時可將大顆粒阻塞顆粒有效地攔截在透水混凝土上層中，具有更好的抗阻塞效果。在不同震動頻率時，阻塞顆粒深度隨震動頻率增加，滲透系數隨震動增加而減少。

4 透水水泥混凝土滲透仿真分析

首先獲得每層的阻塞顆粒、路面顆粒數量、平均粒徑及各層孔隙率；然后獲得透水混凝土各層顆粒的當量粒徑；最終獲取每層透水混凝土的阻力系數。將黏性阻力、慣性阻力系數放入模型中的多孔介質，即可獲得多孔介質的內部滲透速度。以工況1震動結束后的滲流速度為例，輸出結果見圖5所示。獲得4次透水混凝土阻塞后的試驗數據并將其擬合，擬合所得曲線為指數曲線，可知滲透系數在阻塞時的整體趨勢較為準確，但在具體滲透系數方面略有差距，這是由于透水混凝土上層部分中大量阻塞顆粒堆積在表層，而未進入透水混凝土內部所致。在此次模擬中，透水混凝土模型與實際阻塞趨勢相似，孔隙結構也相似。

采用定水頭法模擬并測定滲透系數，滲透系數與時間變化有關，在45s時滲透系數處于低位。在單雙層透水混凝土對比中，雙層可將阻塞顆粒中的大顆粒有效地攔截在上層中，具有更好的抗阻塞效果。下層骨料級配僅影響小阻塞顆粒的位置和速度，對滲透系數影響不大。在不同震動頻率情況下，滲透系數隨震動增加而減少；隨透水混凝土的阻塞顆粒數量增加，阻塞顆粒阻塞狀態的穩固速率越快。

5 總結

（1）級配阻塞相對較小的粒徑阻塞更穩固，其顆粒難以再次進入透水混凝土深處。

（2）0.6～1.2 mm粒徑阻塞顆粒難進入透水混凝土上層，0.3～0.6 mm粒徑難進入透水混凝土下層，單層透水混凝土阻塞集中在0～10 mm，驗證了雙層透水混凝土能更好防止顆粒進入其內部。

（3）阻塞顆粒數量和孔隙率影響了透水混凝土的最終滲透系數，震動僅影響進入孔隙的速度。孔隙率是影響透水混凝土內部阻塞位置的主因，通過顆粒平均位置擬合可以得知，在雙層透水混凝土使用時0.3～0.6 mm粒徑在4 mm處，0.15～0.3 mm粒徑則在23 mm處。因此，可通過在雙層透水混凝土間使用土工布進行阻隔，以減少小顆粒進入透水混凝土深處，保持下層透水系數的穩定。

參考文獻

[1]葉涵.透水路面孔隙堵塞演化及滲流特征研究[D].上海：上海海事大學， 2023.

[2]夏霜.透水路面結構抗堵塞性能的優化[D].濟南：山東大學， 2021.