超疏水环保型砼的降阻性能实验分析探究

龚金辉

(南丰县水利局，江西 南丰 344500)

借助超疏水材料实现的超疏水环保水工渠道需要在疏水性与过流降阻性间保持优化平衡，任何偏废都将构成材料瑕疵与有欠完备，影响工程技术性能。本研究以大型室内水槽模拟实验分析的方式，对超疏水环保型砼的降阻性能开展专题分析探究，以期为同类渠道工程应用提供研究和技术参考，助力建设优质适用的超疏水环保型砼渠道工程。

1 超疏水界面的降阻原理

超疏水仿生材料作为一种新型的降阻材料和技术，其环保疏水和渠道过流降阻技术拥有广阔的应用前景。对超疏水材料的降阻原理经典描述解析，目前主要是基于表观移滑以及Plastron效应理论，其概要内容如下：

1.1 基于Plastron效应说

超疏水材料具有降阻功能缘于其界面特定存在混合微观粗糙构造、粗糙度或者微裂缝。实验适用降阻性分析揭示，当液体触接一般疏水界面或亲水界面时，通常会向固体界面存在的混合微观粗糙构造、粗糙度或者微裂缝发生部分分散入渗，正是这个入渗过程导致液体透过固体材料界面时的摩阻相对加大。

当液体触接固体超疏水界面时，因混合微观粗糙构造、粗糙度或者微裂缝而出现不间断三相触接线，导致固体与液体间生发存在了空气层，起始液-固触接面随即转变成气-固界触接面以及液-气触接面，必然降低固-液触接面积，超疏水界面液体的流动阻力进而被降低，此为Plastron效应。基于Plastron效应的触接面结构示意见图1。

图1 触接面Plastron效应状态示意

1.2 界面表观滑移理论

通常有很强的残存化学键在固体壁界面存在，这些化学键残存表现出较强界面能，对外依然拥有很强的勾连或吸附活性，把流体分子吸附稳定在固体界面。砼界面经氟硅烷装饰以后，砼界面能会大幅下降，导致砼和水分子间出现壁面移滑，存在和呈现不亲和状态。移滑长度概念具体见图2。移滑速率一般要正比于壁面流切剪率，一般由如下计算公式给与描述和表现：

(1)

式中：b为移滑长度，其如果取值大于0值，则边界条件系属为有移滑边界条件；如果取值以0值，则边界条件系属为无移滑边界条件。

图2 移滑边界结构状态示意

参考内摩擦牛顿定律，固体界面上让液体做层流运动，紧密相关液体性质，相近液层中间切力或内摩阻力F跟流动速率du/dy梯度以及液层间的触接A面积呈正比例关系，具体如下：

(2)

式中：μ为黏滞动力常数，单位N·s/m2。

所以，切应力可以等值作用于单位面积的内摩阻，具体用符号τ表示，其公式如下：

(3)

在流态均匀恒定前提下，切应力τ跟沿程流水损失水头hf满足如下关系：

(4)

式中：l为流水沿程长度，m；γ为液体容重，N/m3。式(4)揭示，随着界面切应力加大，沿程水头损失会跟随加大，特别是对远距输水水工渠道说来，则此种状态规律愈发相对明显。

因为壁面与流体存在不亲和性，流体与疏水性壁面处在不润浸状态，参考表观Navier移滑理论，流体发生特定滚动或流动，并且紧贴在壁面，流体的壁面流动速率将不为零值，由式(3)和式(4)揭示，速率梯度在边界壁面有所降低，即流体于边界壁面上切剪应力降低了，进而降低了疏水性界面上流水沿程的水头损失。同时因为速率梯度在边界面有所降低，流态临界转换雷诺数亦对应加大，附面层流稳定状态有所加强，缓滞了湍流的出现，水头损失从而得到进一步的降低。

2 超疏水环保型砼的基体制备

2.1 基础材料

砂：渭河砂场2.75细度模数的自然中砂，泥含量为1.2%，表观密度参数为2.56 g/cm3，堆积密度参数为1.772 g/cm3

图3 粗砾再生及再生橡胶粉骨料

砼：P·O32.5R级硅酸盐混合砼

橡胶：表观密度为1.11 g/cm3，粒度60目，具体见图3(b)

再生粗骨料：废弃砼，强度C25～C40，分级破碎后构成再生粗骨料，级配5～40 mm；4∶6的小石中石比，4%有效吸水率，具体见图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表观密度，1.649 g/cm3堆积密度

变性剂：KH-570偶联硅烷剂

水：常规自来水

乙醇

2.2 基体制备

参考《水工砼配比设计规程》(DL/T 5330-2015)规程规定，依据《渠道水工工程防渗设计规范规程》(GB/T 50600-2010)，本次实验采用常规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。再生橡胶砼可以有机实现经济、环保和安全性统一，本研究再生砼取<50%含量，橡胶含量2%～8%。考虑长距输水需求持久较大的砼抗渗性，30%含量标准以再生粗骨料替代自然粗骨料；以等体积橡胶粉替代原有细骨料，以粒度60目，含量5%，制备构成本实验超疏水环保型砼。

为了使砼基体更为紧密与橡胶融合，选用KH-570偶联硅烷剂实施橡胶变性。制作过程为：取橡胶质量占1.5%的KH-570偶联硅烷剂，复合配制依照水∶乙醇∶KH-570按0.08∶0.72∶0.2的比例实施，橡胶粉拌合硅烷偶联剂溶液充分均匀，并于阴凉处置放，待橡胶粉界面已经基本干燥。搅拌时，因为再生砼通常具有较大的吸水率，须按粗再生骨料4%质量标准实施附加补水。依照《砼水工实验规程》(SL 352-2006)，成型试样并给与充分的维护保养，实验砼成分配比具体见表1，成型实验砼试样具体见图4。

表1 实验砼成分配比

图4 成型实验砼试样

3 超疏水环保型砼降阻性实验分析

粗糙壁面一定程度存在阻力，切应力的存在导致流体出现沿程水头机械能损失，损失强度一般与流段的线程长度呈正比关系。尤其是对高寒地区长距离输水渠道说来，砌衬砼糙率使得水工渠道出现相对较大的水头能量损失，粗糙界面使得渠道单位时间内的过流相对能力下降。超疏水环保型砼结构因为其界面一定程度存在着混合微细构造，拥有降阻成效较好的降低界面能物质。本研究经过建立常规砼渠道结构以及超疏水环保型砼渠道，糙率率定其界面，进行超疏水环保型砼在渠道砌衬降阻方面的运用研究。

3.1 渠道模型布设

本实验于某泥沙厅砼矩形砌衬渠道模型内实施。渠道模型布设状态具体见图5。

图5 渠道模型布设状态图

图5中，1为进水池，2和3为测点1和测点2，4为矩形渠道，5为量水矩形堰，6为退水池。

模型整体是由量水堰、退水池、进水池、稳水栅、矩形渠道等组成。其中矩形渠道纵向底坡i=1/400，渠顶宽度19.5 cm，渠深度50 cm，总长度25 m。模型渠道循环提供水是由水泵自动持续提供，进入进水池后，流水首先流经稳水栅，再流经矩形模型渠道，再流经矩形量水堰，最终集中流入退水池。

3.2 实验成果分析

为了证实超疏水环保型砼测量的水工降阻效果，参考谢才-曼宁公式对界面糙率给与基本率定。本次实验按0.057，0.047，0.039和0.020 m3/s分别调整入口实验过流量。按谢才公式整理实验结果，具体如下：

(5)

式中：C为谢才常数，m0.5/s；Q为过流量，m3/s；R为水力半径，m；A为截面面积，m2。

谢才常数C通常以曼宁公式给与表达，具体如下：

(6)

式中：n为渠道壁面糙率。计算糙率公式具体如下：

(7)

无侧聚缩、薄壁矩形自由出流堰的过流量计算具体如下：

(8)

式中：b为堰口截面水面宽度，m；m为过流量常数；H为堰上水头，m；g为重力加速率，9.8 m/s2。

过流量常数可按下式表示：

(9)

式中：P为堰高，m。

水深与过流量关系见表2。

表2 水深与过流量关系

由表2可知，不论过流量怎样演变，对比常规砼砌衬渠道，超疏水环保型砼砌衬渠道的界面糙率均相对要低，拥有较显著降阻效果。参考4个过流量参数，对应计算糙率均值，获得值0.013 22的超疏水环保型砼砌衬渠道界面糙率，获得值0.014 91的常规砼砌衬渠道的界面糙率，前者渠道界面糙率较后者存在有11.3%的降低量，这是由于流水跟超疏水环保型砼砌衬间有空气层构成，使得流水跟固体边界间的触接面积有所降低；再加上超疏水环保型砼砌衬渠道的界面能相对极低，流水跟砼壁面间呈现出一种不亲和状态，流水跟砌衬的粘贴作用相对较弱，出现壁面移滑，速率移滑的存在降低了流水流动速率梯度，进而降低了边壁与流水剪力，使超疏水环保型砼界面糙率比较小。

4 结 语

本研究以大型室内水槽模拟实验分析的方式，对超疏水环保型砼的降阻性能开展专题分析探究。主要介绍了超疏水界面的降阻原理，介绍了超疏水环保型砼的基体制备技术条件及过程，并对超疏水环保型砼降阻性实验分析。分析揭示，不论过流量怎样演变，对比常规砼砌衬渠道，超疏水环保型砼砌衬渠道的界面糙率均相对要低，后者渠道界面糙率较前者存在有11.3%的降低量，超疏水环保型砼砌衬渠道的界面能相对极低，流水跟砼壁面间呈现出一种不亲和状态，流水跟砌衬的粘贴作用相对较弱，出现壁面移滑，速率移滑的存在降低了流水流动速率梯度，进而降低了边壁与流水剪力，使超疏水环保型砼界面糙率比较小。