文摘

透水人行道往往受到毛孔堵塞,导致故障和降低使用寿命。然而,堵塞机制及其对渗透率的影响和复杂的透水路面孔隙微观结构仍不清楚。当前研究的目的是量化的阻塞行为透水路面材料和调查对孔隙的发展特征和渗透。小说polyurethane-bound透光混合物(PUPM)采用比较研究的研究与传统多孔沥青(PA)。亚琛抛光机(APM)被选为堵塞完全作为模拟器路面在实际的服务条件的过程。透水路面材料的渗透率和孔隙微观结构特征然后利用自主研发的渗透仪和x射线计算机断层扫描(CT)扫描,分别。孔隙特征的发展而言,堵塞实验说明。基于孔隙特征,PUPM的流动行为受到不同的阻塞时间预测的基础上,开发了非达西流模型。发达实验和分析可以进一步加强堵塞机制的理解在多孔路面材料。结果还可以为优化透水路面设计的工程应用。

1。介绍

透水路面是一种路面雨水和径流可以直接渗透到人行道上,而不是在人行道上表面积累。在渗透过程中,透水路面还可以过滤污染物和粒子的水很重要。所以,地下水卷不仅是补充但水质也可以改善(1- - - - - -3]。

透水路面系统展示水处理潜力,可以保留90%的颗粒物(PM)和总悬浮物(TSS)、总磷(TP)的65%,和80%的总氮(TN) [4,5]。然而,另一方面,这些粒子存在于地表径流可以留在毛孔渗透过程。这种积累会导致毛孔堵塞,从而逐渐显著改变液压透水路面的属性,进而会影响路面的力学性能6- - - - - -9]。基于之前的研究,堵塞可能主要是由于两种类型的淤积过程:(a)长期阻塞城市径流过程与微粒和(b)短期堵塞骤降或滑坡(10]。作为长期的服务性能极大地阻碍了这些堵塞的特征,应用微粒进行的研究已经积累多孔路面空隙空间的基于不同的浇水方法(11]。堵塞是发现与粒径和体积高度相关,流量,孔隙特征的路面12]。

先前的研究主要集中在观察现场测量和宏观实验。的微观表征等堵塞毛孔的发展特征,粒度分布和运动学仍未阐明。系统的了解液压的发展和在透水路面堵塞机制应该进一步建立。此外,因为大多数现有的堵塞实验是基于修改渗透仪通过仅改变流动条件,没有一个人可以有效地模拟考虑tires-road交互的堵塞。

在目前的研究中,目标是量化的阻塞行为透水路面材料(PPM)和调查对孔隙的发展特点和渗透率考虑阻塞的效果。因此,一个更全面的了解液压可以实现PPM的属性。的帮助下派生的非达西流动方程在前面研究[13),PPM的水力特性在堵塞时期可以被估计。这可能是一个指导方针的水力性能的准确评价PPM为未来的研究和实际应用。

2。材料和方法

2.1。材料

多孔路面可以实现高渗透性能,因为它void-rich结构。然而,这个open-graded骨料分布的组合设计和低剪切力抗粘结剂,如沥青,在耐用性和附着力失败导致弱点多孔路面。出于这个原因,一个polyurethane-bound透光混合物(PUPM)是由使用聚氨酯(PU)来代替沥青作为粘结剂。许多研究都证实PUPM有显著的机械性能和功能实现(14- - - - - -17]。此外,在施工期间,聚氨酯在室温下是可以治愈的。因此,一个重要的环境效益也可以取得比传统加热沥青的施工方法18]。

2.1.1。混合料配合比设计

调查的孔隙特征PUPM,三种类型的PUPM种疏生产在这个研究:PUPM 8小时,PUPM 8日和PUPM 8-L,表示混合物最大骨料大小8毫米和高,正常,分别和低孔隙度水平。传统PPM、多孔沥青、PA 8,也被选为参考材料评估的属性PUPM在这项研究中,这是一个标准的透水路面材料(RSto12,路面结构的标准化指南的交通领域,2012年版)。所有四个选择样品的粒度分布被用于这项研究如图1

2.1.2。PUPM标本的制备

2显示PUPM的制造过程。聚氨酯的两个组件(聚合多元醇与异氰酸酯)涨跌互现首先激活聚合反应。粘结剂完全聚合后,他们与骨料混合。毕竟可以观察到聚合物均匀地涂有聚氨酯,混合物被放入模具的长度和宽度320毫米和260毫米高度压缩的40毫米。固化时间约24小时后,100毫米直径岩心钻探。然后他们被加权和堵塞模拟中使用。样本混合物的整个过程是在室温下进行的。

2.2。实验室测试

调查堵塞的影响行为的水力特性标本,几个实验程序设计。第一步是标本的阻塞行为的模拟。第二步是确定堵塞的入渗和废水的浓度。第三步是评价渗透率的标本进行渗透测试,最后,基于XCT的孔隙特征样本将被评估。

2.2.1。堵塞模拟

在实验室模拟堵塞,模拟基于亚琛抛光机(APM),如图3。援助的APM,路面样本可以接触到一个真正的轮胎加载(165/75 R14 C类型:Vanco 8日8公关97/95RTL从大陆肖氏硬度在72年和75年之间在水平)。APM的主要组件是两个独立工作的轮胎和一个框架,可以前后移动。样品固定在轨道和车轮驱动后退和前进条件来模拟车辆经过时在人行道上。自轮子在APM系统的压力可以调整,仪器可以模仿各种车辆负载。堵塞的模拟在这项研究中,沙子,有2毫米的颗粒,被选为堵塞材料。在仿真期间,两个不同的标本固定在轨道上。然后,40克的沙子撒在表面的标本。汽车轮胎的APM沿着样本然后来回移动。雪橇水平9乘以每分钟来回移动,而轮胎旋转41每分钟旋转。在整个抛光过程中,水洒在表面的标本。 In this way, the sand would enter the void of the sample with the water and the pressure of the tire. All variants of the specimen (PUPM 8, PUPM 8-H, PUPM 8-L, and PA 8) were conducted with simulation. Each sample was processed for four different clogging periods: 20 minutes, 40 minutes, 60 minutes, and 80 minutes. These samples were then applied to the permeability tests. More information can be found in [19]。

2.2.2。堵塞浓度影响和废水

调查样本的阻塞行为,堵塞影响和废水浓度从每个标本进行了测试。这可以被两个参数:紧张阻塞数量质量的标本和粒子质量分离效率。

阻塞时间被设定为5分钟。测试开始后,废水流过试样以及溢流收集在一个锅里。每5分钟一壶代替。紧张的堵塞代理收集废水和溢出的干和测量。这样,紧张堵塞堵塞期间的质量可以被阻塞的减法计算质量(废水和溢出)的影响。它可以从以下方程: 在哪里,o,e表示干堵塞代理商的质量影响,溢出和废水。

粒子的质量分离效率 说明了阻塞整个标本量的百分比,和方程表示如下:

2.2.3。渗透试验

渗透率描述多孔材料进行水的能力。材料的磁导率越高,流动性越快可以通过。渗透系数是一个可预测的指标来表示材料的水力特性。在一般情况下,样品的渗透率可以在水平和垂直方向进行描述。在这项研究中,垂直渗透率的标本了。

基于标准DIN EN 12697 - 19,一个定制的常数下降高度渗透仪,如图4测试表明,实现。更多细节可以在前面的出版物(指19]。

2.2.4。XCT扫描

为了量化的孔隙特征标本,高分辨率计算机断层扫描和x射线系统(XCT)被用于这项研究。x射线发生器的系统由250 kv和旋转扫描表的标本。在操作过程中,样品被放在旋转扫描表XCT的系统,然后XCT的x射线发生器系统辐射光束的标本,和接收反射信号的受体传递到系统的分析。在这项研究中,所有的扫描是通过XCT。

2.3。不同的流动行为的模型
2.3.1。速度较低的流动行为

多孔介质的渗透率可以估计不仅由实验测量,也通过实证方法。许多研究人员试图估算渗透率不同的模型。最认可的模型是由色度;然而,在一个世纪之后,行动和运货马车的车夫一步,靠近(提供更准确的结果20.]。

Kozeny-Carman模型(KCM)是一个著名的模型,渗透率和孔隙度有关。它描述了介质的属性之间的关系和孔隙通道中的流动阻力。与semiempirical-theoretical公式表达下面的方程,可以预测多孔介质的渗透率21]。 在哪里 是Kozeny-Carman模型渗透率, 是单位重量的水, 水的粘度, 是经验Kozeny-Carman系数, 的有效比表面积, 有效孔隙度。

可以通过非均匀的粒度分布范围: 在哪里Deff有效直径, 是谷物的比例分数之间最大的筛尺寸D和最小的筛分粒度D如果

因此,KCM模型强调粒度分布(德牧)可以改写如下:

计算与传统KCM会导致结果偏差,因为方程参数依赖于均匀球体粒子和替代指标。此外,人行道上大多是不规则的总量。因此,需要修改KCM透水路面的一个适当的预测。通过考虑弯曲度τ方程(3)可以改写如下:

2.3.2。流动行为与高速度

许多研究人员使用不同的方法接近流速度高的特点。他们可以分为两组:理论和实证模型。因此,在这项研究中应用的实证模型从水系和病房,和理论模型是基于capillaric模型(13]。

根据已知信息,多孔介质的流动能量损失是由粘性耗散和运动能量,这种能量损失是由减少压力。雷诺兹水系相结合的理论和行动的方法21]。经过无数次的实验,他纠正两个关系的参数依赖于流速,即线性关系与粘滞能量损失和期限 ,和非线性关系动能损失和期限 所以,通过考虑粒子大小和形状的影响,以及扩展模型从线性层流Kozeny-Carman政权和动荡的政权,伯克和普卢默方程,提出了一般可以描述所有类型的多孔介质流。所以,Forchheimer系数高流率可以表示由以下方程: 在哪里Dp是粒子直径。

通过结合粒状材料渗透率的影响,另一种方法Forchheimer系数可以用下面的方程式表示:

基于这样的理念,即认为capillaric的多孔介质模型中,许多研究人员的贡献在这个方向上从理论上分析流动行为。通过这些毛细管的安排,这些模型可以区分为串联和并联有界(19]。

平行式的方程模型可以表示如下:

串行类型模型, 在哪里 表示Forchheimer方程通过应用孔隙度,以及 通过使用迂回曲折, 是常数,表示惯性和孔隙大小分布。从之前的研究13),提出了常数的模型,可以正确地估计干净的床中的流动行为PUPM。所以,PUPM混合物的方程可以写成以下方程:

平行式模型:

串行类型模型:

3所示。结果与讨论

3.1。堵塞浓度

在堵塞模拟,堵塞浓度观察前30分钟。影响,溢出,污水流经堵塞模拟采集标本,和液体的堵塞剂干重。获得的数据进行了分析和绘制在图5。结果说明在标本堵塞浓度的增加趋势。堵塞的前5分钟期间,超过一半的堵塞代理卡在巴勒斯坦权力机构,而这些PUPM 8只有42%。PA 8中的堵塞浓度继续大幅上升;20分钟后,增长率变得稳定。后加载时间超过30分钟,超过90%的堵塞剂PA 8中可以找到。这表示大多数液压流渠道PA 8被封锁。相比之下,PUPM 8中的堵塞浓度增加逐渐在整个时期。堵塞的时期,只有大约52%的堵塞质量的影响是累积PUPM 8。

总之,两种标本可以堵塞的影响问题。但PUPM 8中的堵塞的情况比这更优的PA 8。

3.2。渗透率的标本在堵塞的发展

在渗透测试的标本,收集到的数据在5液压头(从100到300毫米和50毫米的间隔)。在每个级别,四个测量对于每一个标本都被记录下来,然后进行分析,分别。

3.2.1之上。流动特性的恒定水头

我们可以看到在图6,渗透系数在300毫米水头的标本在堵塞时间。标本PUPM渗透率最高的8小时可以进行1.72×10−3m / s的水。其次是PUPM 8第二高的渗透率,在第三个位置是PA 8。在图中,可以认识到PUPM 8-L渗透率最低为4.55×10−3m / s。

PA 8, PA的渗透性8一旦堵塞时期开始急剧下降。在第一个20分钟,标本的渗透率大幅减少从1.08×10−32.9×10 m / s−4米/秒,大约26%的初始磁导率。相反,在同一时期,慢慢PUPM 8的渗透率降低。与PA, PU可以完全覆盖的表面聚合的聚合,并提供一个光滑的表面。因此,沉积物可以更容易陷入PA标本。PA的粘结剂的特点是,然而,另一个影响因素。由于高粘度沥青,沥青的沉积物往往结缘。巴勒斯坦权力机构的流动行为在实验与之前的研究一致13]。20分钟后堵塞的模拟,PA的渗透率8不断降低和稳定。60分钟后,爸爸8到7.5×10的渗透率−5m / s,可以归类为渗透。然而,最初的渗透率是高度渗透。PUPM 8与PUPM 8小时,PA 8的渗透率是十九13倍低于PUPM 8和PUPM 8小时。

关于PUPM 8, PUPM 8小时,PUPM 8-L,根据图6,可以观察到两种不同的渗透系数下降的趋势。总阻塞期间,PUPM 8的渗透系数和PUPM 8小时呈现类似的下降趋势。PUPM 8的渗透率急剧降低,而这PUPM 8小时更稳步减少。80分钟后,PUPM 8达到1.04×10的渗透率−3m / s,略低于PUPM 8小时。相比之下,在同一堵塞,PUPM的渗透性8-L显示一波趋势。这种波动趋势的原因可能是,在PUPM 8-L连续级配骨料的使用,导致高密度标本与孔隙度要低得多。结合,堵塞模拟轮胎的压力和流量的影响导致两种不同的效果。首先,这些力量推动小数量的堵塞代理标本,而他们中的大多数停留在表面的标本。其次,随着阻塞加载时间的发展,一些堵塞代理将由这些力量然后洗。这种由渗透的发展PUPM 8-L。然而,在整个堵塞模拟,三种PUPM可分为高度渗透。

总之,所有的四个标本有很高的初始磁导率,可以堵塞的影响。然而,巴勒斯坦权力机构8堵塞的影响比PUPM变体。堵塞模拟80分钟后,所有PUPM变异的渗透率仍然可以被认为是高度渗透,但爸爸8只能归类为渗透。

3.2.2。流动特性的水力梯度的变化

本研究的目的是分析的水力性质PUPM 8小时;的PUPM 8-L和PUPM 8不再考虑。通过改变液压压头,水力梯度的标本的渗透系数从2.5到7.5是评估和绘制在图7。从这个图我们可以看到,渗透率降低的速率减慢,堵塞时间和水力梯度增加。研究还发现,水力梯度的变化有一个更大的没有抛光对渗透系数的影响,这种影响也随抛光时间的增加而减小。

的流动行为的标本,标本没有受到阻塞时,非达西流的行为可以注意到所有四个标本。然而,随着阻塞时间发展,线性流动的特点更加明显。表示,粘性力是主要的运动力,堵塞发展标本。然而,我们可以看到,在堵塞的40分钟,渗透率的PUPM 8小时是最低在整个阻塞发展,这是不合理的。因此,这可以由一个分析结合的孔隙特征标本在堵塞开发。

3.3。在堵塞孔隙特征

的帮助下XCT方法,借助MATLAB和Avizo软件,骨料,聚氨酯粘合剂、和堵塞的混合物被成功分离基于大津法(13,19]。的三维可视化PUPM 8小时图所示8。标本的孔隙特征的数据在堵塞从而获得和分析。

有效孔隙量分布、比表面积和曲折的PUPM表列出在阻塞时间8小时1。没有明显的变异趋势PUPM 8小时可以观察到整个堵塞时期。然而,结合XCT分析的结果和渗透率的变化通过改变应用水力梯度,它可以注意到与曲折的价值的增加,样本的有效孔隙度减少得更快。此外,其渗透率的变化在堵塞开发遵循相同的趋势。这表示多孔材料的弯曲度会影响其抗堵塞颗粒的能力。这可能是原因,渗透率的阻塞时间40分钟低于其他阻塞时间,和渗透率的阻塞时间80分钟也类似于那些在60分钟。调查相关的孔隙特征,其渗透率的影响,假设不同的弯曲度可以形成不同的阻塞时间;这也会导致不同的抗堵塞,导致不同的有效孔隙度;因此,可以观察到不同的渗透率耗散。转移这一假设的数学方程,初始孔隙度乘以一个阻塞阻力项获得有效孔隙度在一定堵塞。 This relationship can be expressed by the following equation: 在哪里neff有效孔隙度,n的初始孔隙度PUPM 8小时,cR的词是堵塞阻力。assumpted,曲折是抗阻塞的函数项,堵塞阻力之间的关系,推导了弯曲度拟合数据,它可以被描述为如下方程: 在哪里 是曲折的。采用方程(14)(13),方程(13)可以写成

因为没有考虑初始状态的标本在XCT扫描分析、孔隙特征的数据是未知的。然而,n的PUPM 8小时可以近似拟合数据和它的值为43.62。

3.4。预测的水力特性PUPM在堵塞的发展

估计的水力特性PUPM 8小时在堵塞的影响下,一些模型。从流速的角度来看,这些属性被观察到在两个方面。

3.4.1。期间估计的渗透性PUPM阻塞发展

在提到的文献综述,基于有效孔隙特征参数,如孔隙度、弯曲度,和比表面积,可以预测多孔材料的渗透性与KCM模型。在这项研究中,来自XCT的结果与三个KCM模型建模:原始KCM KCM KCM德牧,修改。从这三个模型获得的渗透率将进行比较和讨论。

的渗透系数PUPM 8小时,来自三个KCM模型,与测量的结果进行比较。见图进行了比较9

正如所料,原有的模式色散的测量磁导率最高。像在前一节中提到的,原始模型的重点是只在材料的孔隙率和比表面积,和所有骨料均匀清晰。因此,它提供了最准确的结果。德牧模型还交付结果的偏差。在这个模型中,考虑粒度分布。然而,这个参数是高度依赖于统一的球体和代理指标。修改后的KCM渗透系数的最佳预测。修改KCM模型,弯曲度考虑是因为材料的总量是不规则;通过这个,多孔材料的孔隙结构可以更好的描述。这证明流动行为只能当精确模拟多孔介质的结构是准确地描述。

与德牧和原模型相比,修改后的模型可以预测流动行为PUPM 8小时更好,但它并不完美。修改后的KCM仍不能完全预测流动行为PUPM 8小时。上图显示来自这个模型的值小于测量渗透率的测试。从理论方面,修改后的KCM用于干净的床标本。因此,预测的流动行为下的多孔介质堵塞时间准确,修改KCM模型需要合理的。

根据XCT的观察结果,孔隙特征的变化非常复杂。无论如何,这一趋势的渗透系数PUPM 8小时,类似于指数函数,可以确定。修改KCM模型无法估算渗透率的标本。确定实验数据和估计的偏差渗透率造成的堵塞效应在PUPM 8小时。进一步提高预测的渗透率PUPM 8小时,堵塞的问题被认为是在一个特定的术语,叫做曲线拟合函数,并添加到修改KCM模型在MATLAB。这个曲线拟合函数近似符合实验数据。因此,修改后的KCM PUPM的与时间相关的阻塞效应的8小时是派生的。它是表达如下: 在哪里 被定义为KCM渗透率的堵塞。一个1,一个2,一个3的系数。这些系数的值方程(16)表中列出2

测试是否修改KCM堵塞模型可以预测渗透率的PUPM 8小时在阻塞正常时期,方程(16)是实现计算渗透率的PUPM 8小时。两种模型的结果与实测渗透率。这些结果见表3

可以看到从上面的表中,修改后的KCM堵塞模型展品良好的结果,如预期。相比,改性KCM模型和修改KCM阻塞模型,测量的相对误差渗透系数是显著降低PUPM 8小时通过修改后的KCM阻塞模型。因此,在这种情况下,它可以得出结论,从最大相对误差的比较,可以更准确地估计渗透率计算更接近实际的渗透率在PUPM 8小时标本堵塞的时期。

3.4.2。非达西流的估计在PUPM阻塞发展

正如在前一节中提到的,多孔材料的运动力变得显著,随着流速的增加。在某个点之后,达西定律不再适用于适用于描述流动行为。探讨非线性流动行为PUPM 8小时,雷诺数(重新)数量和压降。

10显示值的变异的再保险流PUPM 8小时的水力梯度从2.5到7.5期间阻塞发展。根据图10,增长趋势与水力梯度的增加PUPM 8小时可以观察到。

许多研究者提出不同的值的数量限制的上阈值达西定律;这些值范围从1到10。从图可以看出10再保险的,几乎一半的价值观PUPM 8小时在1到10的范围,这是一个普遍现象在低水力梯度。因此,流动PUPM 8小时正在经历一场至关重要的地区,一个从非达西达西政权过渡时期发生。

总之,在应用水力梯度,再保险的价值观PUPM 8小时方法达西政权面积逐渐增加的堵塞。这是一致的结论从渗透率测试在前一节中,标本的粘性力变得阻塞发展的显著增加。因此,Forchheimer定律适用于分析非达西流的行为PUPM 8小时。

基于现有的研究(13),传统Forchheimer模型需要符合预测的压力下降PUPM 8小时实际测量应用堵塞时期。非线性流动行为PUPM 8小时可以预测capillaric模型拟合实验数据。估计这种非线性流动行为的考虑下堵塞,用MATLAB进行了曲线拟合函数。

对于PUPM 8小时,Forchheimer系数平行capillaric模型可以重新塑造的类型如下:

和串行capillaric模型的类型,

采用方程(17)和(18的流动性能)Forchheimer定律,PUPM 8小时可以预测如下: 在哪里一个n= 2.6345;bn= 0.01035; = 0.2019; = 0.012;和 = 0.0623。

预测的非达西流模型图中可以看到11

如图11整个堵塞期间,改造Forchheimer方程对加强实验测量结果比水系和沃德的模型。它可以得出的结论是,重建方程有一个更准确的预测的非线性流PUPM 8小时。

4所示。结论

基于堵塞模拟和渗透性测试,堵塞机制和发展深度PPM内的水力特性进行了分析。详细的研究结果中列出以下几点:(1)的初始渗透率PUPM高于PA 8。在亚琛的堵塞模拟抛光机(APM)的渗透性PUPM逐渐减少,而在PA 8,它大幅下降第一个20分钟。80分钟后堵塞模拟,PUPM维护一个高导磁率,而PA 8失去74%的初始磁导率。它表明PUPM可以承受堵塞的影响代理2毫米的大小比PA混合物。因此,可以得出结论,PUPM不仅可以提供更长的使用寿命,也有一个更好的排水性能比PA混合物。(2)基于XCT的结果,如孔隙大小、孔隙特征的孔隙度、弯曲度、比表面积的PUPM 8小时标本进行评估。最值的这些特点在阻塞发展没有明显的趋势。之间的关系的有效孔隙度和弯曲度PUPM 8小时被发现;它提供了一个澄清波动趋势的孔隙特征。(3)方程相关的水力特性PUPM阻塞发展派生的8小时。他们是基于之前的研究结果,从拟合获得的堵塞相关术语的渗透率、孔隙特征的数据PUPM 8小时。模型方程,加载时间的渗透系数和压力下降PUPM 8小时可以估计22]。

数据可用性

测试结果数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

作者证实对论文的贡献如下。研究和设计概念:Pengfei刘和马库斯特色。数据收集:Guoyang Lu和他之浩。分析和解释结果:、陆、子健,他之浩他,豪江。他手稿准备:草案、陆、子健,他之浩,和李Gaoyang Pengfei Liu。所有作者回顾了结果,批准了最终版本的手稿。

确认

本文中描述的工作是由德国/香港联合研究的资助计划由香港研究资助委员会(引用。G-PolyU505/21)和德国的德国学术交流服务(批准号57601840)。德国研究基金会(批准号OE 514/15-1, 459436571)也感激地承认。