于 策 李 旭 吳永康 魏少偉 蔡德鉤

(①北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100044，中國(guó))(②中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081，中國(guó))

0 引 言

道路的凍脹、翻漿冒泥等病害在我國(guó)是較為常見(jiàn)的。一方面，我國(guó)寒區(qū)道路分布廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)有75%的交通線路位于季節(jié)凍土區(qū)和短時(shí)凍土區(qū)。在季節(jié)凍融作用下，土體的物理、水理、力學(xué)性質(zhì)非常容易發(fā)生變化，導(dǎo)致地基土體的強(qiáng)度降低，使得通過(guò)這些地區(qū)的列車(chē)與周?chē)h(huán)境的矛盾更加嚴(yán)重，對(duì)道路的壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，還有學(xué)者指出降水量是加速凍融侵蝕的重要因素之一(陳義民等，2008；齊吉琳等，2010；羅路廣等，2020；鄭海忠等，2020；趙文等，2021)；另一方面，基床翻漿冒泥是鐵路線路普遍存在的病害之一，尤其在南方多雨地區(qū)，翻漿冒泥現(xiàn)象更為嚴(yán)重(王威等，2019)。造成這兩種病害的根本原因是道路地基土中的水。李雨濃等(2010)指出，水分遷移致使路基含水量和濕度發(fā)生變化，對(duì)路基凍害的產(chǎn)生有著實(shí)質(zhì)性的影響。Hermansson et al.(2005)強(qiáng)調(diào)了地基中水是控制道路結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹的最具影響力的因素，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)研究了水位高度對(duì)凍土路基凍脹行為的影響。其結(jié)果表明，路面排水結(jié)構(gòu)的改善以及降低地下水位高度可以顯著減少凍脹。黃興政等(2008)對(duì)鐵路路基某工程實(shí)例進(jìn)行分析，認(rèn)為為了更好地治理和防范翻漿冒泥病害，應(yīng)恰當(dāng)處理路基中的水。王亞?wèn)|(2000)認(rèn)為在引起翻漿冒泥病害3個(gè)主要影響因素水、動(dòng)荷載和土當(dāng)中，處理此病害最簡(jiǎn)單快捷的方法就是解決水的問(wèn)題。因此，發(fā)展路基內(nèi)部水分疏干技術(shù)在解決這些病害問(wèn)題中將起到至關(guān)重要的作用。

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者找到了一種具有毛細(xì)排水功能的毛細(xì)導(dǎo)水土工布H2Ri，它不但能夠排出重力作用下滲的自由水，還能在非飽和條件下通過(guò)毛細(xì)作用主動(dòng)吸收并排出路基土中的水分(Zhang et al.，2011)。這類(lèi)具有毛細(xì)排水功能的材料在我國(guó)寒區(qū)凍脹和鐵路翻漿冒泥等工程問(wèn)題的整治和預(yù)防中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。國(guó)外的一些學(xué)者使用H2Ri材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。例如，Lin et al.(2017，2018)通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了這種材料在土體中的排水功效，并研究了在地基土中堵塞、搭接等因素對(duì)該材料排水效果的影響。Zhang et al.(2014)在阿拉斯加某高速公路試驗(yàn)段開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果顯示使用毛細(xì)導(dǎo)水土工布后，該路段凍脹變形有所減輕。Guo et al.(2016)在控制溫度和相對(duì)濕度條件下測(cè)試了這種材料的除水效果，結(jié)果表明該材料可以以較快的速率從水箱中抽排水分。Lin et al.(2019)對(duì)這種新型土工布進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以表征土、毛細(xì)排水土工布以及土壤-土工布相互作用的特性。Lin et al.(2022)通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究毛細(xì)排水土工布的工作機(jī)制，并試圖量化其在路面結(jié)構(gòu)中的排水性能。

毛細(xì)導(dǎo)水材料本質(zhì)上是利用基質(zhì)吸力吸收飽和-非飽和土中的水分(Odgers et al.，2018)，孔徑的大小和分布是影響其吸水排水效果的核心因素之一。鑒于我國(guó)尚缺少這種專門(mén)用于路基土體排水的毛細(xì)導(dǎo)水材料及相關(guān)試驗(yàn)研究，本文擬選擇幾種常見(jiàn)毛細(xì)導(dǎo)水布料作為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展水中排水試驗(yàn)、土中排水試驗(yàn)、核磁共振試驗(yàn)以及毛細(xì)上升試驗(yàn)，對(duì)其排水性能和孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在揭示毛細(xì)導(dǎo)水性能的影響機(jī)制，為尋找或生產(chǎn)出一種具有優(yōu)良排水效果的土工材料做參考，進(jìn)而探究其在我國(guó)一些含水率較高的非飽和土地區(qū)應(yīng)用的可能性。

1 材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文分別選用了COOLPASS、COOLPLUS、COOLMAX、SHCOOL和普通網(wǎng)布5種布料進(jìn)行排水性能測(cè)試，這5種布料均為市面上常見(jiàn)的用于制作速干衣物的材料。另外，選用了延慶粉質(zhì)黏土作為土中吸排水試驗(yàn)的用土，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表 1所示。

表 1 延慶粉質(zhì)黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table1 Basic physical properties of Yanqing silty clay

1.2 水中的排水試驗(yàn)

將上述的5種毛細(xì)導(dǎo)水材料裁剪成長(zhǎng)度和寬度分別250mm和100mm的矩形布條，并分別放入帶有刻度(250mL)的空瓶中。為使布條順利進(jìn)入瓶口，將布條沿著寬邊對(duì)折兩次塞入瓶底。在各瓶中裝水到250mL刻度處，觀察到水迅速浸潤(rùn)布條并從布條底端向上移動(dòng)，直到整個(gè)布條全部被浸濕，暴露在空氣中的布條長(zhǎng)度約90mm。此外，設(shè)置一個(gè)沒(méi)有導(dǎo)水布料的瓶子作為對(duì)照組。記錄每天的平均溫濕度，同時(shí)每隔24h拍照記錄一次水位，記錄連續(xù)10天瓶中水位的變化。本試驗(yàn)旨在通過(guò)對(duì)比瓶中水位變化速率來(lái)評(píng)估幾種布料的吸排水性能差異且增加材料在非飽和土中可以通過(guò)毛細(xì)作用吸水排水的可靠度。

1.3 土中的排水試驗(yàn)

將上述粉質(zhì)黏土調(diào)制成含水量為16.5%的濕土，放入密封袋裝中養(yǎng)護(hù)24h。使用制樣器將養(yǎng)護(hù)好的土壓入直徑61.8mm、高度20mm的環(huán)刀中，并置于真空飽和缸內(nèi)進(jìn)行抽真空飽和。土樣飽和步驟完成后，將各土樣用不透水膜封住土樣上表面，避免土樣上表面的水分蒸發(fā)而影響試驗(yàn)結(jié)果。以一個(gè)環(huán)刀土樣模擬為上部土層，在底部放入裁好的圓形毛細(xì)導(dǎo)水布料(直徑75mm，略大于環(huán)刀直徑)，展開(kāi)鋪平，如圖1所示。此外，設(shè)置一組未鋪設(shè)布料的土樣作為對(duì)照組。每隔24h稱量一次土樣的質(zhì)量變化(即土中的水分的質(zhì)量變化)，從而對(duì)比不同布料在土中吸排水效果的差別。

圖1 試樣制備完成示意圖Fig.1 Sample preparation completed

1.4 核磁共振試驗(yàn)

本文使用核磁共振(NMR)試驗(yàn)對(duì)各種毛細(xì)導(dǎo)水材料的孔隙特征進(jìn)行了研究。試驗(yàn)設(shè)備采用紐邁PQ001型低磁場(chǎng)核磁共振分析儀，如圖2所示。設(shè)備永久磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5T，屬于低磁場(chǎng)類(lèi)別，磁體溫度為32℃，共振頻率為12MHz+354.25768kHz。試驗(yàn)前，取相同面積的5種毛細(xì)導(dǎo)水布料通過(guò)抽真空的方法進(jìn)行飽和，使布料的孔隙中充滿水，然后放置到核磁共振儀器中進(jìn)行測(cè)試(其中相同面積是指核磁共振試驗(yàn)測(cè)試模具的面積)。試驗(yàn)信號(hào)處理采用了該設(shè)備所配套的反演軟件。

圖2 核磁共振試驗(yàn)設(shè)備圖Fig.2 Nuclear magnetic resonance test equipment diagram

在核磁共振技術(shù)中(均勻磁場(chǎng)中)，飽和水的單個(gè)孔道內(nèi)原子的橫向弛豫時(shí)間可以近似表示為(王卉等，2017)：

(1)

而對(duì)于簡(jiǎn)化成球狀、柱狀的孔隙結(jié)構(gòu)，其比表面積與孔徑的關(guān)系為(李?lèi)?ài)芬等，2015)：

(2)

R=40T2

(3)

式中：T2為橫向弛豫時(shí)間；a為幾何形狀因子；S為孔隙表面積；ρ2為材料的橫向表面弛豫強(qiáng)度；V為孔隙體積；R為孔隙半徑。

NMR試驗(yàn)可以得到各種材料橫向弛豫時(shí)間與峰值強(qiáng)度的關(guān)系，再通過(guò)以上公式推導(dǎo)即可獲得各毛細(xì)導(dǎo)水材料的孔徑大小及孔隙總體積情況。

1.5 毛細(xì)上升高度測(cè)試

根據(jù)現(xiàn)行的《FZT01071-2008 紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》對(duì)各布料開(kāi)展毛細(xì)上升高度測(cè)試(斯穎，2008)。首先，將每種布料裁剪成寬度為30mm、長(zhǎng)度為600mm的矩形布條，并在布條的下端10mm處用夾子夾住以保持試樣布條垂直向下，如圖3所示。布條試樣的位置盡量靠近直尺以便讀數(shù)。調(diào)整布條的最底端位于鋼尺零刻度以下15mm處，按照規(guī)范要求在長(zhǎng)方形水槽中加入蒸餾水，水的深度擬定為50mm，隨后降低橫梁架使液面位于標(biāo)尺的零位(此時(shí)布條試樣已經(jīng)浸入水槽15mm)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。分別測(cè)量經(jīng)過(guò)1min、5min、10min、20min和30min時(shí)液體芯吸高度的最大值。通過(guò)3次平行試驗(yàn)取均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 毛細(xì)上升速率測(cè)試裝置示意圖Fig.3 Diagram of capillary rise rate measuring device

圖4 水位變化示意圖Fig.4 Diagram of water level change注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分別為對(duì)照組、COOLMAX、COOLPASS、SHCOOL、普通網(wǎng)布、COOLPLUS

2 結(jié)果分析與討論

2.1 水中的排水試驗(yàn)分析

圖4顯示了試驗(yàn)過(guò)程中每隔24h瓶中水位的變化過(guò)程。每日瓶中水的位置用紅線作為標(biāo)記。可以看出，對(duì)照試驗(yàn)的水瓶水位幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，即在自然情況下水分的蒸發(fā)排出是極其微小的，而其他試驗(yàn)組中的水位均明顯降低，這更加凸顯了各瓶中水位變化的原因是毛細(xì)導(dǎo)水材料的吸排作用。尤其是從第一天到第二天可以觀察到各水瓶水位下降的非常迅速，可見(jiàn)試驗(yàn)所選的毛細(xì)導(dǎo)水材料在水中有很好的吸排效果。

由于布料開(kāi)始浸潤(rùn)時(shí)瓶?jī)?nèi)全是水，相對(duì)濕度(RH)可認(rèn)為是100%，而外部大氣相對(duì)濕度較小，這種相對(duì)濕度差會(huì)引起布料產(chǎn)生一定范圍的吸力，吸力的大小與相對(duì)濕度的差值大小有關(guān)(Lu et al.，2012)。通過(guò)比較不同試驗(yàn)組可知，COOLMAX、普通網(wǎng)布、COOLPASS的吸排水能力更優(yōu)；表現(xiàn)相對(duì)較弱的是SHCOOL和COOLPLUS。通過(guò)對(duì)照組及水瓶中設(shè)置毛細(xì)導(dǎo)水材料的試驗(yàn)，以每種材料的10d平均排水速率為依據(jù)(表 2)，清晰地展現(xiàn)了各種毛細(xì)導(dǎo)水材料的吸水排水能力。

表 2 各材料的10￣￣d平均排水速率Table2 10 days average drainage rate of each material

圖5給出了各測(cè)試瓶?jī)?nèi)的水位變化量-時(shí)間的變化關(guān)系。各水瓶的水位變化的趨勢(shì)表現(xiàn)出了一致性：隨著時(shí)間的推移，各水瓶水位下降的速率開(kāi)始逐漸減少，這是由于最開(kāi)始毛細(xì)導(dǎo)水材料完全浸入在水中，毛細(xì)上升的距離較小，排水路徑較短，所以對(duì)水的吸排效果非常明顯。而隨著瓶中水的大量減少，水力梯度降低，毛細(xì)上升距離增大，導(dǎo)水速率開(kāi)始下降，即水力梯度是影響材料排水性能的一個(gè)重要因素。

圖5 水位變化量-時(shí)間示意圖Fig.5 Water level change-time diagram

圖6給出了試驗(yàn)期間的相對(duì)濕度情況。由圖可知，試驗(yàn)期間環(huán)境相對(duì)濕度在9.8%到30.1%之間波動(dòng)，變化范圍較大，而空氣相對(duì)濕度這個(gè)因素對(duì)各種毛細(xì)導(dǎo)水材料試驗(yàn)結(jié)果的影響是一致的，所以這里以COOLMAX為案例，將其水位時(shí)程圖與相對(duì)濕度記錄圖相結(jié)合，觀察相對(duì)濕度對(duì)毛細(xì)排水布料吸排水性能的影響。

圖6 水位時(shí)程-相對(duì)濕度曲線圖Fig.6 Water level time history-relative humidity curve

因?yàn)殡S著水位的變化，毛細(xì)上升距離不斷增大，所以若只考慮毛細(xì)上升距離對(duì)布料吸排水的影響，則水位時(shí)程曲線應(yīng)該在下降的同時(shí)每天下降的速度也逐漸減小，即時(shí)程曲線的斜率不斷增大。圖6中觀察到第5d到第6d空氣相對(duì)濕度降低時(shí)，水位變化量比前一天還要大。這表明除了毛細(xì)上升距離，外界空氣濕度對(duì)毛細(xì)導(dǎo)水布料的排水效果也產(chǎn)生了影響。當(dāng)空氣相對(duì)濕度較小時(shí)，由于空氣水蒸氣分壓較低，水的蒸發(fā)速率增大。

綜上所述，水中的排水試驗(yàn)結(jié)果顯示，5種布料均表現(xiàn)出較明顯的毛細(xì)吸排水效果。效果從高到低分別是COOLMAX、COOLPASS、普通網(wǎng)布、COOLPLUS及SHCOOL。試驗(yàn)過(guò)程中，隨著水位降低，毛細(xì)上升距離增大，排水速率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。另外，排水速率也受到環(huán)境相對(duì)濕度的顯著影響。

2.2 土中的排水試驗(yàn)分析

圖7 給出了每個(gè)環(huán)刀試樣每隔24h的質(zhì)量變化情況。從圖中可以看出，相比沒(méi)有放置毛細(xì)導(dǎo)水材料的土樣，其他組土樣水的蒸發(fā)量更加顯著。圖8展示了各土樣質(zhì)量累積變化情況，更加直觀的顯示出各種毛細(xì)導(dǎo)水材料在土中排水效果以及強(qiáng)弱關(guān)系，由強(qiáng)到弱依次為：普通網(wǎng)布、COOLPASS、COOLMAX、COOLPLUS、SHCOOL。通過(guò)計(jì)算得到試驗(yàn)10d后各個(gè)土樣的飽和度：0.46(對(duì)照組土樣)、0.43(COOLPLUS)、0.39(COOLMAX)、0.39(COOLPASS)、0.44(SHCOOL)、0.36(普通網(wǎng)布)。另外可以看出排水速率隨著時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)橥翗拥暮恐饾u降低，水力梯度下降導(dǎo)致毛細(xì)導(dǎo)水材料的吸排效果也逐漸減弱。

圖7 土樣中水的質(zhì)量變化示意圖Fig.7 Schematic diagram of quality changes in soil samples

圖8 土樣質(zhì)量累積變化示意圖Fig.8 Cumulative change of soil sample quality

圖9 各土樣中含水率降幅Fig.9 Decrease of moisture content in each soil sample

圖9給出了試驗(yàn)10d后各土樣含水量變化的結(jié)果。從土的含水量變化的角度來(lái)看，相比沒(méi)有放置毛細(xì)導(dǎo)水材料的對(duì)照組，其他土樣的含水量的降幅較為顯著。5種材料中，SHCOOL和COOLPLUS兩種材料的排水效果最弱；COOLPASS、COOLMAX和普通網(wǎng)布對(duì)土樣的排水效果更佳。其中：COOLPASS、COOLMAX分別使土樣含水量降低了13.30%、13.25%。效果最為理想的是普通網(wǎng)布材料，含水量降幅達(dá)到了13.81%，比對(duì)照土樣的含水量降幅多了2.19%。需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，由于試驗(yàn)中所采用的試樣尺寸較小，土樣受到比較明顯的邊界效應(yīng)的影響。在實(shí)際工程中，隨著尺度的增大，布料的排水效能將更加顯著。

2.3 毛細(xì)導(dǎo)水材料核磁共振試驗(yàn)

核磁共振試驗(yàn)過(guò)程的射頻脈沖采用CPMG序列，其優(yōu)點(diǎn)在于可以降低磁場(chǎng)不均勻性對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及反演軟件可以得到不同毛細(xì)導(dǎo)水布料的弛豫時(shí)間T2與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖10a所示。

圖10 毛細(xì)導(dǎo)水材料核磁共振曲線Fig.10 NMR curve of capillary water conducting materiala.橫向弛豫時(shí)間與信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系；b.孔徑與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系

由NMR曲線來(lái)分析5種不同的毛細(xì)導(dǎo)水材料的孔徑分布情況。根據(jù)核磁共振理論分析，橫向弛豫時(shí)間T2反映的是布料孔徑的大小，且前者越小，材料的孔徑也就越小，反之則越大。圖10a中顯示了COOLPLUS材料和SHCOOL材料的峰位都在900ms處，COOLMAX、COOLPASS及普通吸排3種材料的峰位都在1245ms處，則前兩者的孔徑要比后三者的孔徑小。

根據(jù)橫向弛豫時(shí)間與孔徑大小的關(guān)系可以得出峰值強(qiáng)度-孔徑的關(guān)系如圖10b所示，由此可以更確切的比較孔徑的大小。每種材料的信號(hào)強(qiáng)度峰值和對(duì)應(yīng)的孔徑以坐標(biāo)形式分別表示為：COOLMAX(53.4，113.5)；COOLPASS(53.4，94.7)；普通網(wǎng)布(53.4，91.6)；COOLPLUS(37.8，76.7)；SHCOOL(37.8，105.4)。

COOLMAX、COOLPASS、普通吸排3種材料平均孔徑均為53.4μm，COOLPLUS、SHCOOL兩者平均孔徑均為37.8μm。COOLPLUS、SHCOOL材料相比COOLMAX、COOLPASS、普通吸排材料的孔徑小15μm左右。按照孔徑大小將COOLMAX、COOLPASS、普通吸排三者定義為大孔材料，COOLPLUS、SHCOOL兩者定義為小孔材料。在毛細(xì)導(dǎo)水材料在土中排水試驗(yàn)的分析結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)孔徑較大的3種毛細(xì)導(dǎo)水材料顯示出了更好的排水效果，即可以認(rèn)為相比之下較大的孔徑更利于毛細(xì)導(dǎo)水材料對(duì)于土層中水分的排出。另外，從水中吸水排水試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，COOLMAX、COOLPASS、普通網(wǎng)布三者的除水能力強(qiáng)于COOLPLUS、SHCOOL，得到了相同的規(guī)律。

橫向弛豫時(shí)間T2分布曲線對(duì)應(yīng)核磁信號(hào)的強(qiáng)弱，反映了該孔隙下水的賦存狀態(tài)，T2分布曲線與橫軸圍成的面積為信號(hào)量，與布料孔隙中的水的多少成正比，本試驗(yàn)布料已充分飽和，即T2分布面積反映了布料孔隙的總體積(李?lèi)?ài)芬等，2015)?？紫犊偭吭蕉鄤t其單位面積的孔隙越多，也就是孔隙分布的特征為密集，相反則稀疏。所以用總信號(hào)量(T2與橫軸圍成的面積)可以比較各材料的孔隙總體積大小，見(jiàn)表 3。

表 3 各布料核磁共振試驗(yàn)測(cè)得的信號(hào)量Table3 Total signal quantity measured by NMR test of each material

其中COOLMAX、COOLPASS、普通吸排三者總孔隙體積相近，而SHCOOL、COOLPLUS兩者總孔隙體積相近。

在土中吸水排水的試驗(yàn)中，普通網(wǎng)布的排水效果最佳，而普通網(wǎng)布的特點(diǎn)是孔徑較大但在大孔材料中總孔隙體積又屬于最小的，這是因?yàn)椴牧显谕林杏形潘畠蓚€(gè)過(guò)程，通過(guò)毛細(xì)作用吸水時(shí)，布料纖維的半徑越小，基質(zhì)吸力就越大，它的吸水效果就會(huì)越好。吸水后相對(duì)濕度較大，而暴露在空氣部分的材料處在相對(duì)干燥的空氣中，則埋在地基土部分水分向相對(duì)濕度較低的地方遷移，水在暴露空氣的部分通過(guò)蒸發(fā)作用消散，然而在蒸發(fā)過(guò)程中，材料的孔徑越大、孔隙的分布特征越稀疏的布料，其持水能力就越弱，越容易蒸發(fā)消散。綜上所述，推斷大孔徑且孔隙分布特征較為稀疏的毛細(xì)導(dǎo)水材料在土中的吸排水效果會(huì)更好。

2.4 毛細(xì)上升高度試驗(yàn)

圖11 毛細(xì)上升高度測(cè)試結(jié)果Fig.11 Experimental results of capillary rise ratea.毛細(xì)上升高度與時(shí)間的關(guān)系；b.毛細(xì)上升速率圖

對(duì)圖11a中的試驗(yàn)曲線用origin進(jìn)行微分得到毛細(xì)上升速率圖。圖中顯示了各材料單孔隙水爬升速率隨時(shí)間的變化，能更直觀的體現(xiàn)其毛細(xì)吸水導(dǎo)水能力的強(qiáng)弱。整體上看，5種材料的毛細(xì)上升速率都隨著時(shí)間的推移逐漸降低，且起初毛細(xì)上升速率越高的，其速率隨時(shí)間降低的幅度就越大，到30min時(shí)各材料的毛細(xì)上升速率已經(jīng)相差不大。當(dāng)水分充足且時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，各毛細(xì)導(dǎo)水材料最終的毛細(xì)上升速率為0。這主要是因?yàn)殡S著高度的增加，毛細(xì)上升所需要克服的重力勢(shì)能不斷增大，而重力勢(shì)能與基質(zhì)勢(shì)能差值不斷減小，水的遷移驅(qū)動(dòng)勢(shì)能也就一直減小，導(dǎo)致最終毛細(xì)水上升速率不斷降低，并停留在一定位置(李萍等，2014)。

在這幾種毛細(xì)導(dǎo)水布料中，布料的縱向纖維形成了半徑不同的毛細(xì)管，如圖12所示，這里用毛細(xì)現(xiàn)象中力的平衡公式解釋(Lu et al.，2012)。

圖12 水在織物中毛細(xì)上升的示意圖Fig.12 Experimental results of capillary rise rate

水的張力與毛細(xì)管內(nèi)水的自重二力平衡：

πr2hcγw=2πrTcosa

(4)

(5)

式中：r為布料纖維半徑；hc為毛細(xì)上升高度；T為水的表面張力；α為濕潤(rùn)接觸角。

毛細(xì)上升試驗(yàn)體現(xiàn)了材料的吸水能力。即相同時(shí)間內(nèi)毛細(xì)上升高度hc越高的，其布料纖維的半徑r就越小，即布料纖維就越細(xì)，材料孔隙總體積也就越大，如圖13所示，這里取代表性的3種材料進(jìn)行解釋：通過(guò)圖中COOLMAX與COOLPASS可以看出，在核磁共振試驗(yàn)中，兩者為大孔材料且孔徑是相同的(普通網(wǎng)布同理，所以這里僅舉出COOLMAX和COOLPASS為例)，但孔隙總體積COOLMAX要大于COOLPASS，所以COOLMAX的布料纖維半徑r要更小一些，毛細(xì)上升高度hc會(huì)較高，其表現(xiàn)出的吸水能力會(huì)更強(qiáng)。然而在核磁共振試驗(yàn)中孔徑、總孔隙體積都小于前三者的COOLPLUS和SHCOOL(以圖13c中COOLPLUS為例，SHCOOL材料同理)，其布料纖維的半徑r會(huì)更大，所以兩者的毛細(xì)上升高度hc排在最后。

這也印證了本文提到的毛細(xì)導(dǎo)水材料吸水能力與其孔隙大小及孔隙分布特征有關(guān)的觀點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本文以5種不同的毛細(xì)導(dǎo)水布料為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展水中的排水試驗(yàn)、土中的排水試驗(yàn)、毛細(xì)上升試驗(yàn)以及核磁共振試驗(yàn)，對(duì)比研究毛細(xì)導(dǎo)水材料的吸排水特性以及各種材料在土中的吸排水效果與其孔徑大小、孔隙分布特征之間的關(guān)系。主要得出以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)水中排水試驗(yàn)表明，5種布料均表現(xiàn)出較明顯的吸排水效果，且排水速率隨毛細(xì)上升距離和環(huán)境相對(duì)濕度的增大而降低。此外，毛細(xì)導(dǎo)水布料在非飽和土中亦表現(xiàn)出良好的吸排水效果，可加快土體排水速率。整體上，可按吸排水效能將試驗(yàn)布料分為兩檔：普通網(wǎng)布、COOLPASS、COOLMAX的吸排水效果更強(qiáng)；COOLPLUS、SCHOOL的吸排水效果稍弱。

(2)核磁共振試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)布料的孔徑分布可大致劃分為兩類(lèi)：COOLMAX、COOLPASS、普通網(wǎng)布具有較大的孔徑(平均孔徑約53.4μm)；COOLPLUS、SCHOOL具有較小的孔徑(平均孔徑約37.8μm)。布料的孔徑特征與吸排水效能密切相關(guān)：孔隙較大的布料在水中、非飽和土中的排水效果更佳。

圖13 材料纖維排布示意圖Fig.13 Fiber arrangement of the materialsa.COOLMAX;b.COOLPASS;c.COOLPLUS

(3)毛細(xì)導(dǎo)水材料工作時(shí)可以分為毛細(xì)吸水和蒸發(fā)排水兩個(gè)過(guò)程，分別通過(guò)毛細(xì)作用吸收土中水分和通過(guò)蒸發(fā)作用排干水分。毛細(xì)上升試驗(yàn)顯示，孔隙分布特征表現(xiàn)為越密集的布料，其吸水能力越強(qiáng)；而在土中除水試驗(yàn)表明，孔徑大小相同時(shí)，孔隙分布特征表現(xiàn)為越稀疏的，其除水效果越好。這是因?yàn)殡m然密集的孔隙分布利于毛細(xì)吸水作用，但其同時(shí)增強(qiáng)了材料的持水能力，從而會(huì)影響材料的蒸發(fā)排水過(guò)程。其中孔徑較大且分布稀疏的普通網(wǎng)布材料在非飽和土中的排水效果最佳，相同條件下比未設(shè)置毛細(xì)排水布料的土樣含水率多降低了2.19%。因此，為了使毛細(xì)導(dǎo)水材料能在土中發(fā)揮最佳的除水效果，應(yīng)綜合考慮確定材料的孔隙大小及孔隙分布的疏密程度。