【摘 要】
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本文主要探究超疏水路面水泥混凝土表面微观结构与表观润湿角之间的关系。首先,利用扫描电子显微镜(SEM)观测内掺法与外涂法的混凝土表面,分析纳米颗粒在水泥混凝土中的分布情况,定性描述水泥混凝土路面表面的微观结构。在此基础上,构建了疏水与超疏水水泥混凝土路面表面微观结构二维、三维模型,通过数学模型,分析超疏水路面水泥混凝土表面粗糙度对表观润湿角的影响。最后,通过二维、三维CFD数值模拟(Fluent计
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本文主要探究超疏水路面水泥混凝土表面微观结构与表观润湿角之间的关系。首先,利用扫描电子显微镜(SEM)观测内掺法与外涂法的混凝土表面,分析纳米颗粒在水泥混凝土中的分布情况,定性描述水泥混凝土路面表面的微观结构。在此基础上,构建了疏水与超疏水水泥混凝土路面表面微观结构二维、三维模型,通过数学模型,分析超疏水路面水泥混凝土表面粗糙度对表观润湿角的影响。最后,通过二维、三维CFD数值模拟(Fluent计算软件),得出超疏水路面水泥混凝土表观润湿角与表面粗糙度之间变化关系。主要结论为:(1)拟定三种本征润湿角60°、100°及110°,以1:2和2:1(固体颗粒直径:间距)的比值进行二维数学模型分析。结果显示:当纳米材料颗粒间的间距小、直径大,疏水试剂用量达到5%时,水泥混凝土路面表面粗糙度较高,表观润湿角稳定在150°左右。(2)采用本征润湿角60°、100°及110°,固体颗粒直径及间距均为10μm进行三维数学模型拟合。结果显示:固定球体颗粒直径与本征润湿角时,表观润湿角随着颗粒间距的增加呈下降趋势;固定球体间距与本征润湿角时,表观润湿角随着颗粒直径的增加呈上升趋势;表面粗糙度一定时,表观润湿角明显小于Cassie-Baxter推测的表观润湿角。(3)球体直径为10μm,本征润湿角为60°、100°及110°进行二维CFD数值模拟,ImageJ观测结果显示随着颗粒间距的变化表观润湿角波动较小;采用颗粒直径与间距比值分别1:1、1:2及10:1,本征润湿角为60°、110°进行模拟,结果显示空气垫层存在于高粗糙度为10:1情况下,空气垫层的存在使粗糙表面的表观湿润角大于本征湿润角。(4)采用颗粒直径与间距比为1:1和1:10,本征润湿角为60°、100°及110°进行三维CFD数值模拟,结果显示粗糙度较低时,空气垫层基本不可见;粗糙度较高,本征润湿角较小时,空气垫层体积占比较小;粗糙度较高,本征润湿角较大时,空气垫层体积占比越大,液桥向上突起,高度粗糙的表面是制备超疏水材料的必备条件。(5)对比二维、三维CFD数值模拟结果,前者预测的表观润湿角值偏大,后者模拟结果更加符合试验结果;粗糙度较高时,二者空气垫层体积占比相差不大;粗糙度较低时,前者空气垫层占比明显高于后者。
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