CN103439236B - 透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置与方法，以模拟堵塞过程，为研究其机理提供基础。它包括一个套筒，套筒上部设有进水口和溢水口，下部与排水管连接；在套筒内设有透水性混凝土试件，透水性混凝土试件上部的套筒内设有模拟下雨时透水性混凝土路面上水的流动的模拟装置；在透水性混凝土上端和下端设有电阻率检测装置；同时透水性混凝土试件上下侧的套筒上设有压力表；所述排水管上设有流量检测装置。

Description

透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置与方法

技术领域：

本发明涉及一种透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置与方法，属于交通运输领域。

背景技术：

降雨产生的地面径流由于无法渗入地下而形成的市区内涝积水灾害。因此，如何能使降雨不产生或极少产生地表径流成为国内外城市，尤其是大都市十分关注的问题。透水型路面是一种新兴的高渗透性路面结构，近几年我国许多城市已经开始引进这种新技术，这对于解决大都市的市内排水不畅问题起到巨大的作用。透水性路面的贯通性孔隙具有吸音、降噪的功能，除此之外，透水性路面还具有良好的生态功能，可以有效减缓城市热岛效应。但是透水型路面也有缺陷，由于孔隙较大，透水路面常常会被道路环境的砂土、灰尘和异物所堵塞，从而难以发挥透水型路面的功能，使其演变成非透水路面，造成经济上的浪费。传统的透水性混凝土路面堵塞试验装置只是通过对路面材料渗透系数进行测定，研究其堵塞情况，无法对堵塞的全过程进行实时监测，为此，发明了一种新型的透水性混凝土孔隙堵塞模拟装置，通过对透水性混凝土试件渗透系数以及饱水试件电阻率的变化对堵塞过程进行全过程模拟，为研究透水性混凝土路面堵塞机理奠定基础。

发明内容：

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置与方法，以模拟堵塞过程，为研究其机理提供基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置，它包括一个套筒，套筒上部设有进水口和溢水口，下部与排水管连接；在套筒内设有透水性混凝土试件，透水性混凝土试件上部的套筒内设有模拟下雨时透水性混凝土路面上水的流动的模拟装置；在透水性混凝土上端和下端设有电阻率检测装置；同时透水性混凝土试件上下侧的套筒上设有压力表；所述排水管上设有流量检测装置。

所述透水性混凝土试件外部包裹橡胶套并通过内套筒与套筒安装在一起。

所述电阻率检测装置包括透水性混凝土试件上下端的铁丝网，两铁丝网与电源和万用表连接。

所述模拟装置为与电机连接的转速可调的螺旋桨。

所述溢水口有三个用以控制水头的高低。

采用透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置的试验方法，具体过程为：

（1）计算透水性混凝土试件孔隙率；

（2）测定透水性混凝土试件渗透系数；

（3）砂颗粒堵塞试验

3-1）在渗透系数测定后，保持进水流量不变，取称量好的一定质量烘干后的砂m_s，均匀的倒于透水性混凝土试件上表面；

3-2）观察在线纪录的排水管的流量，会发现出水管的流量会由于砂堵塞试件联通孔隙而降低，待流量Q₁稳定后，利用达西定律求堵塞后的透水混凝土试件的渗透系数k₁；

3-3）关掉电机和检测仪器，收集透水性混凝土试件上表面未进入孔隙的砂，以及沉淀于装置底座内的砂即随水流通过试件孔隙的砂，分别烘干称重得到m_s1和m_s2，求出堵塞于试件孔隙内的砂质量m_c；

（4）试件堵塞过程中电阻率变化试验

在试验（3）开始时，测量透水性混凝土试件的电阻率λ；

在加入砂后，观察透水性混凝土试件的电阻率会发现由于砂堵塞试件联通孔隙而使电阻率增大；

仅改变下面试验参数中的某一个，研究相应参数对透水混凝土试件的抗堵塞能力的影响。这些参数包括：试件孔隙率、砂粒粒径与级配、试件上表面横向水流流速和试件上表面自由水面高度；

通过上述实验，得到透水性混凝土试件在堵塞全过程中渗透系数的变化，电阻率的变化以及堵塞在试件内的砂的级配曲线这3个指标，通过分析这3个指标的变化，研究透水性混凝土路面的堵塞规律。

所述步骤（1）中，采用量体积法测定透水性混凝土试件孔隙率，用游标卡尺量取试件的直径和高度，按照式（1）计算孔隙率：

$n_e=(1-\frac{m_2-m_1}{{\mathrm{v\ρ}}_m})\×100---\left(1\right)$

式中：n_e——透水性混凝土试件孔隙率，%；

m₁——透水性混凝土试件浸水24小时后在水中测得的质量，g；

m₂——透水性混凝土试件从水中取出后在的60℃烘箱内烘24小时后的质量，g；

v——体积法测出的透水性混凝土试件体积，cm³；

ρ_w——水的密度，g/cm³。

所述步骤（2）中，实验时通过读取渗流排水管上流量，取曲线平稳时的Q值；根据压力表读取的在线纪录的透水性混凝土试件上表面及下表面的压力，由式（2）确定水力坡度J：

$J=\frac{h_w}{l}=\frac{h_1-h_2}{l}---\left(2\right)$

式中：h₁和h₂—透水性混凝土试件上下表面压力；

h_w—流经透水性混凝土试件后的水头损失；

l—透水性混凝土试件高度；

求出水力坡度后根据式（3）达西定律求出试件的渗透系数k。

$k=\frac{Q}{\mathrm{AJ}}---\left(3\right)$

式中：A—试件横截面积。

所述步骤（4）中，电阻率确定过程为：

给透水性混凝土试件上下两侧通交流电压U，，利用该万用表测得通过试件的电流l，最终利用式（4）求得试件电阻R

R=U/l     （4）

在求得电阻R后利用电阻率计算公式（5）求得试件的电阻率λ

λ=RA/l     （5）。

所述步骤3-3）中，堵塞于试件孔隙内的砂质量m_c通过式（6）得到：

m_c=m_s-m_s1-m_s2     （6）

式中：m_s—实验室所加砂的质量；

m_s1—未进入孔隙的砂的烘干质量；

m_s2—沉淀于装置底座内的砂的烘干质量。

本发明装置由三部分组成，分别为螺旋桨部分，套筒部分和排水管。其中螺旋桨是用来搅拌掺砂水，模拟下雨时透水性混凝土路面上水的流动。螺旋桨的转速是可调节的，可以模拟不同水流速度下透水性混凝土试件的堵塞情况。套筒部分用于安放透水性混凝土试件，在试件位置处上下两侧钻有压力表预留孔，用于连接加压力表，测量试件上下两侧压力差。排水管用于控制排水，在排水管上安装电磁流量计来测量流量。装置中有三个溢水口，可以控制水头的高低。

本发明的有益效果是：本发明为研究透水性混凝土路面的堵塞机理提供了一种科学的研究方法和相关的设备。实现了透水性混凝土路面堵塞全过程的模拟，通过测量不同排水高度不同流速及不同砂样级配条件下透水性混凝土路面的堵塞情况，可得到透水性混凝土堵塞全过程中渗透系数、电阻率及堵塞后砂样级配曲线的变化。实验设备结构简单，测量结果准确有效，为研究透水性混凝土路面堵塞机理奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为A、B两组试件电阻率变化图；

图3为C、D两组试件电阻率变化图。

其中，1.套筒，2.压力表预留孔I，3.内套筒，4.电源和万用表，5.压力表预留孔II，6.连接法兰，7.透水性混凝土试件，8.橡胶套，9.铁丝网，10.螺旋桨，11.溢水口，12.电机，13.排水管，14.阀门，15.电磁流量计。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，它包括一个套筒1，套筒1为分体式，采用连接法兰6连接为一体。在套筒1中部设有内套筒3，内套筒3内填充包裹有橡胶套8的透水性混凝土试件7。混凝土试件7上部的套筒1内设有螺旋桨10，螺旋桨10与电机连接，螺旋桨是用来搅拌掺砂水，模拟下雨时透水性混凝土路面上水的流动。螺旋桨10的转速是可调节的，可以模拟不同水流速度下透水性混凝土试件7的堵塞情况。套筒1上部设有进水口（图中未画）以及三个溢水口11，可以控制水头的高低。

在透水性混凝土试件7上下两侧钻有压力表预留孔I2、压力表预留孔II5，用于连接加压力表，测量透水性混凝土试件7上下两侧压力差。排水管13上设有阀门14用于控制排水，在排水管13上安装电磁流量计15来测量流量。

试验流程

（1）孔隙率测定

将透水性混凝土试件7两端分别切去一部分，以消除其上下表面振捣不均匀产生的影响，并测得切去后的透水性混凝土试件高度。采用量体积法测定透水性混凝土试件孔隙率，用游标卡尺量取透水性混凝土试件的直径和高度，按照式（1）计算孔隙率：

$n_e=(1-\frac{m_2-m_1}{{\mathrm{v\ρ}}_m})\×100---\left(1\right)$

式中：n_e——透水性混凝土试件7孔隙率，%；

m₁——透水性混凝土试件7浸水24小时后在水中测得的质量，g；

m₂——透水性混凝土试件7从水中取出后在的60℃烘箱内烘24小时后的质量，g；

v——体积法测出的透水性混凝土试件7体积，cm³；

ρ_w——水的密度，g/cm³。

（2）渗透系数测定

2-1）根据透水性混凝土试件7直径，计算出透水性混凝土试件7横截面积A。

2-2）将透水性混凝土试件7放入NaCl溶液中浸泡一定时间，保证所有连通的孔隙都能浸透。

2-3）将透水性混凝土试件7取出，擦干表面并在侧面涂抹黄油，然后敷以柔性橡胶套8，安装在内套筒3（可采用有机玻璃或其它透明材料）处。将上下两段套筒1用连接法兰6连接，连接法兰6处加橡胶垫。

2-4）向套筒1开始缓慢注水，水流自上而下灌满整个套筒1，且套筒1上部口开始溢流；打开排水管13的阀门14，使水渗流一段时间，待水流稳定且气泡排净后开始测试。

2-5）读取在线纪录的渗流出排水管13上的电磁流量计15的流量，取曲线平稳时的Q值。根据在线纪录的透水性混凝土试件7上、下表面的压力之差确定水力坡度J。

$J=\frac{h_w}{l}=\frac{h_1-h_2}{l}---\left(2\right)$

式中：h₁和h₂—透水性混凝土试件上下表面压力；

h_w—流经透水性混凝土试件后的水头损失；

l—透水性混凝土试件高度。

2-6）利用达西定律求渗透系数k。

$k=\frac{Q}{\mathrm{AJ}}---\left(3\right)$

式中：A—试件横截面积。

（3）砂颗粒堵塞试验

3-1）在渗透系数测定后，保持进水流量不变，取称量好的一定质量烘干后的砂m_s，均匀的倒于透水性混凝土试件7上表面。

3-2）观察在线纪录的排水管13的流量，会发现排水管13的流量会由于砂堵塞试件联通孔隙而降低，待流量Q₁稳定后，利用达西定律求堵塞后的透水混凝土试件7的渗透系数k₁。

3）关掉电机水泵和检测仪器，收集透水性混凝土试件7上表面未进入孔隙的砂，以及沉淀于装置底座内的砂（即随水流通过透水性混凝土试件7孔隙的砂）分别烘干称重得到m_s1和m_s2，求出堵塞于试件孔隙内的砂质量m_c。

用实验前测定的砂的级配曲线减去未进入透水性混凝土试件7内的砂以及通过透水性混凝土试件7后沉淀于装置底部的砂的级配曲线，可以得到堵塞于透水性混凝土试件7内的砂的级配曲线，用以研究堵塞情况。

堵塞于透水性混凝土试件7孔隙内的砂质量m_c可以通过式（6）得到：

m_c=m_s-m_s1-m_s2     （6）

式中：m_s—实验室所加砂的质量；

m_s1—未进入孔隙的砂的烘干质量；

m_s2—沉淀于装置底座内的砂的烘干质量。

（4）试件堵塞过程中电阻率变化试验

通过观测透水性混凝土饱水试件7贯通空隙的电阻率变化过程，可以判定透水性混凝土试件7的堵塞情况，电阻率越高表明试件的贯通空隙越少进而说明堵塞于透水性混凝土试件7内的砂越多。为了测得电阻率变化过程，实验时加入可导电的NaCl溶液，并在透水性混凝土试件7上下两端各加一张铁丝网9，连接电源和万用表4可以测量有效功率和视在功率，实验过程中，给透水性混凝土试件7上下两侧通交流电压U，利用该万用表可测得通过透水性混凝土试件7的电流l。最终利用式（4）可求得试件电阻R。

R=U/l     （4）

在求得电阻R后可利用电阻率计算公式（5）求得透水性混凝土试件7的电阻率λ。

λ=RA/l     （5）

在加入砂后，观察透水性混凝土试件7的电阻率会发现由于砂堵塞透水性混凝土试件7联通孔隙而使电阻率增大。

仅改变下面试验参数中的某一个，研究相应参数对透水混凝土试件7的抗堵塞能力的影响。这些参数包括：试件孔隙率、砂粒粒径与级配、试件上表面横向水流流速和试件上表面自由水面高度等。

通过上述实验，可得到试件在堵塞全过程中渗透系数的变化，电阻率的变化以及堵塞在试件内的砂的级配曲线3个指标。通过分析这3个指标的变化，可以研究透水性混凝土路面的堵塞规律。

实例一：

采用济南产山水牌的42.5的普通硅酸盐水泥，聚氨基类高效减水剂，取粒径为10-20mm、5-10mm、2.5-5mm等的碎石作为粗骨料用一般洁净自来水作为拌合水制作水泥混凝土试件。采用经验-体积法确定材料的配合比，根据经验水灰比取0.2-0.45，目标孔隙率取15%-25%，通过试验确定强度和透水性均能满足要求的最佳配合比。

根据济南市道路环境砂粒径组成，确定采用粒径为0.56～1.18mm的砂27.9g，和粒径为1.18～2.36mm的砂22.1g，搅拌均匀，模拟道路堵塞颗粒。

实验时制作两组试件A组和B组，两组试件级配相同，水灰比均为0.3。A组试件孔隙率为23%，B组试件孔隙率为17%，进行对比实验。实验时两组试件均采用可控最低水头即600mm高度，螺旋桨无转速，加砂质量均为50g。观测两组试件电阻率的变化。其结果如图2所示。

刚开始将加砂的前250s是调试阶段，测得的电阻率变化幅度较大，精度低，因此取250s以后的数据绘出其曲线图如图2所示。由图知，A、B两组试件的电阻率均随着实验过程逐渐上升，说明在实验过程中试件的空隙不断被堵塞，孔隙率逐渐减小，但在上升到一定值后，电阻率趋近于稳定。B组试件的电阻率在实验前期上升幅度较小，后期上升幅度较大，最后趋近于稳定。A组试件在整个实验过程中变化幅度较小，这主要是由于A组试件孔隙率较大，而砂的粒径较小，在实验过程中，大部分砂粒通过了试件的空隙沉入装置底部，只有少部分砂粒堵塞与试件中。此实验表明，适当加大透水性混凝土路面的孔隙率可降低堵塞的机率。

实例二：

实验材料与实例一相同。

实验时制作两组试件C组和D组，两组试件级配相同，水灰比均为0.3。C组试件孔隙率为16%，D组试件孔隙率为22%，进行对比实验。实验时两组试件均采用可控最中水头即650mm高度，螺旋桨转速为50r/min，加砂质量均为50g。观测两组试件渗透系数的变化。其结果如图3所示。

刚开始将加砂的前100s是调试阶段，测得的渗透系数变化幅度较大，精度低，因此取100s以后的数据绘出其曲线图如图3所示。由图知，C、D两组试件的渗透系数随着实验过程逐渐下降，说明在实验过程中试件的空隙不断被堵塞，孔隙率逐渐减小，但在下降到一定值后，渗透系数近于稳定。D组的渗透系数大于C组的，D组渗透系数下降幅度大于C组。

Claims (5)

1.一种透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置的试验方法，其特征在于：所述装置包括一个套筒，套筒上部设有进水口和溢水口，下部与排水管连接；在套筒内设有透水性混凝土试件，透水性混凝土试件上部的套筒内设有模拟下雨时透水性混凝土路面上水的流动的模拟装置；在透水性混凝土上端和下端设有电阻率检测装置；同时透水性混凝土试件上下侧的套筒上设有压力表；所述排水管上设有流量检测装置；根据所述透水性混凝土路面堵塞试验模拟装置采用的试验方法的具体过程为：

（1）计算透水性混凝土试件孔隙率；

（2）测定透水性混凝土试件渗透系数；

（3）砂颗粒堵塞试验；

3-1）在渗透系数测定后，保持进水流量不变，取称量好的一定质量烘干后的砂m_s，均匀的倒于透水性混凝土试件上表面；

3-2）观察在线纪录的排水管的流量，会发现出水管的流量会由于砂堵塞试件联通孔隙而降低，待流量Q₁稳定后，利用达西定律求堵塞后的透水混凝土试件的渗透系数k₁；

3-3）关掉电机和检测仪器，收集透水性混凝土试件上表面未进入孔隙的砂，以及沉淀于装置底座内的砂即随水流通过试件孔隙的砂，分别烘干称重得到m_s1和m_s2，求出堵塞于试件孔隙内的砂质量m_c；

（4）试件堵塞过程中电阻率变化试验；

在试验（3）开始时，测量透水性混凝土试件的电阻率λ；

在加入砂后，观察透水性混凝土试件的电阻率会发现由于砂堵塞试件联通孔隙而使电阻率增大；

仅改变下面试验参数中的某一个，研究相应参数对透水混凝土试件的抗堵塞能力的影响；这些参数包括：试件孔隙率、砂粒粒径与级配、试件上表面横向水流流速和试件上表面自由水面高度；

通过上述实验，得到透水性混凝土试件在堵塞全过程中渗透系数的变化，电阻率的变化以及堵塞在试件内的砂的级配曲线这3个指标，通过分析这3个指标的变化，研究透水性混凝土路面的堵塞规律。

2.如权利要求1所述的试验方法，其特征是，所述（1）中，采用量体积法测定透水性混凝土试件孔隙率，用游标卡尺量取试件的直径和高度，按照式（1）计算孔隙率：

$n_e=(1-\frac{m_2-m_1}{{\mathrm{v\ρ}}_w})\×100---\left(1\right)$

式中：n_e——透水性混凝土试件孔隙率，%；

m₁——透水性混凝土试件浸水24小时后在水中测得的质量，g；

m₂——透水性混凝土试件从水中取出后在的60℃烘箱内烘24小时后的质量，g；

v——体积法测出的透水性混凝土试件体积，cm³；

ρ_w——水的密度，g/cm³。

3.如权利要求1所述的试验方法，其特征是，所述（2）中，实验时通过读取渗流排水管上流量，取曲线平稳时的Q值；根据压力表读取的在线纪录的透水性混凝土试件上表面及下表面的压力，由式（2）确定水力坡度J：

$J=\frac{h_w}{l}=\frac{h_1-h_2}{l}---\left(2\right)$

式中：h₁和h₂—透水性混凝土试件上下表面压力；

h_w—流经透水性混凝土试件后的水头损失；

l—透水性混凝土试件高度；

求出水力坡度后根据式（3）达西定律求出试件的渗透系数k：

$k=\frac{Q}{AJ}---\left(3\right)$

式中：A—试件横截面积。

4.如权利要求1所述的试验方法，其特征是，所述（4）中，电阻率确定过程为：

给透水性混凝土试件上下两侧通交流电压U，利用万用表测得通过试件的电流I，最终利用式（4）求得试件电阻R;

R=U/I       (4)

在求得电阻R后利用电阻率计算公式（5）求得试件的电阻率λ：

λ=RA/l        (5)。

5.如权利要求1所述的试验方法，其特征是，所述3-3）中，堵塞于试件孔隙内的砂质量m_c通过式（6）得到：

m_c=m_s-m_s1-m_s2         （6）

式中：m_s—实验室所加砂的质量；

m_s1—未进入孔隙的砂的烘干质量；

m_s2—沉淀于装置底座内的砂的烘干质量。