基于DEM-SPH混合建模的水泥稳定再生骨料透水基层孔隙堵塞机理研究

《Construction and Building Materials》：Advanced insights into the pore-clogging mechanisms of cement-stabilized recycled aggregate permeable bases using DEM-SPH hybrid modeling

　　

摘要

深入了解水泥稳定再生骨料透水基层（CRPB）材料中的孔隙堵塞机理，对于提升海绵城市在极端降雨事件中的韧性至关重要。然而，目前针对该领域的研究较为有限。本文提出了一种结合离散元法（DEM）与光滑粒子流体动力学（SPH）的混合建模策略，用于高效评估CRPB的渗透性，并在材料设计阶段获取潜在的孔隙堵塞机理洞察。通过一系列实验室渗透性测试验证了所提方法的有效性。此外，系统分析了在不同掺配比例下天然碎石（NG）、再生砂浆（RM）和再生砖（RB）的孔隙堵塞机理。结果表明，当CRPB中的水泥含量低于20%时，所提方法对渗透性的最大预测误差约为10%，能够满足材料设计阶段快速渗透性评估的需求。CRPB中孔隙堵塞的核心机理归因于大量细颗粒的产生，这些细颗粒源于RB骨料的破碎和细化。增加RM骨料的比例可以在一定程度上缓解混合物中的颗粒破碎效应。渗流模拟中识别出的"流体簇"代表了服役期间细颗粒可能沉积的潜在区域。此外，试样下部"快速流区"的形成在宏观上表现为非对称渗透行为。本研究阐明了CRPB中堵塞与失效的物理机理。

引言

在全球变暖的背景下，极端降雨事件日益频繁，严重加剧了城市防洪压力^[1]。高渗透性铺装材料能够有效重塑城市下垫面的水文响应^[2]。通过调控降雨径流转化过程，这些材料可降低地表峰值流量并延长汇流时间，在设计暴雨条件下实现约20%–60%的径流削减率^[3]。作为全透水铺装系统的关键组成部分，水泥稳定再生骨料透水基层（CRPB）在提升城市系统对降雨径流的"吸-蓄-释-还"能力方面具有巨大潜力^[4]，是支撑海绵城市建设、提高城市对极端气候的韧性和适应能力的关键材料。然而，在材料设计阶段，潜在的孔隙堵塞机理尚未得到充分解决，这可能严重削弱其在极端降雨-地表径流过程中的调控性能。

CRPB材料通常由粗骨料组成，包括天然碎石和再生骨料，以及胶凝材料。与常规透水混凝土不同，CRPB在施工过程中经历显著压实，这可能引起骨料大量破碎和胶凝材料迁移。该过程导致更加复杂的介观孔隙结构和高度曲折的径流通道^[5]。目前，最直接有效的方法是通过实验室测试来评估材料的渗透特性^[6]。该方法阐明了骨料级配^{[7], [8]}、胶凝材料与骨料的质量比^[9]以及试样制备方法^{[9], [10]}影响渗透性的底层机理。结合计算机断层扫描（CT）技术来揭示材料渗透机理对于指导其优化设计至关重要。例如，X射线计算机断层扫描（CT）被用于表征混凝土的内部孔隙分布，从而为材料设计提供微观层面的洞察^[11]；类似地，该技术被用于评估乳化再生剂在多孔沥青中的性能，为路面维护与修复提供技术参考^{[12], [13]}。此外，本文作者应用CT技术评估了CRPB材料的孔隙结构特征，阐明了水泥含量和压实力对孔隙结构的影响^[5]。CRPB材料对渗透性能的严格要求正加速其发展，需要更深入了解潜在的孔隙堵塞机理以指导材料优化。随着计算机技术的快速发展，数值模拟和人工智能（AI）方法在该过程中日益发挥关键作用。尽管AI方法具有较强的泛化能力，但融入物理机理知识可以显著增强其预测结果的物理可解释性^{[14], [15], [16], [17], [18]}。因此，开发高效的数值模拟方法来揭示CRPB材料设计阶段的潜在孔隙堵塞机理，不仅对于准确评估透水水泥稳定基层的渗透性至关重要，也有助于加速材料优化过程。

目前，计算流体力学（CFD）方法被广泛应用于评估透水材料的渗透性^{[19], [20]}，为了解其渗透机理^[9]和堵塞行为^[21]提供洞察，并为维护管理提供建议^[22]。数值模拟提供了一种高效的方法，可降低实验成本，实现快速评估并获得机理性理解。然而，现有方法通常将骨料简化为球形颗粒，且一般仅适用于低压实范围的有限范围^[9]。此外，基于网格的流体模拟技术无法准确捕捉孔隙空间中流体的实际分布和行为，导致模型几何形状与材料的实际微观结构复杂性之间存在显著差异。此外，鲜有研究报道一种能够同时考虑颗粒破碎、胶凝材料桥接几何形状和骨料真实形态特征的混合DEM与SPH建模框架。这一局限性阻碍了在介观尺度上彻底研究CRPB材料中孔隙堵塞机理的能力。

本工作提出了一种混合DEM与SPH建模方法，用于评估CRPB材料的渗透性并阐明其堵塞机理。在DEM框架中，模型综合纳入了颗粒破碎、水泥桥的几何特征以及骨料的真实形态，同时集成SPH方法，该方法能够模拟自由流体表面，以数值方式重现渗流过程。为验证所提方法，系统设计和开展了一系列实验室实验，从而对其适用性和潜在误差来源进行了严格评估。在验证模型的基础上，评估了CRPB材料的渗透性能，揭示了介观尺度上堵塞机理的关键洞察。这些发现为开发阶段的CRPB材料优化设计提供了机理性理论基础。

章节片段

虚拟试样制备

本研究以PFC3D作为数值平台，二次开发了离散元法（DEM），同时采用开源的DualSPHysics代码模拟流体流动行为。在制备CRPB试样过程中，特别关注了骨料混合物的颗粒破碎行为，该效应显著影响潜在的孔隙堵塞。为提高对颗粒破碎的表征，线性滚动阻力模型

CRPB渗透性测试

按照中国标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG 3441–2024）^[45]，在实验室制备了标准CRPB材料。我们设计了三种不同的水泥含量和三个压实力度级别，共计九组CRPB试样。这些不同水泥含量和压实力度的组合旨在模拟实际施工中常见的各种工况。

虚拟试样宏观孔隙率的验证

图9展示了离散元模拟与实际压实试样之间颗粒破碎行为的对比。结果表明，即使是高强度天然碎石，在混合物压实过程中也难免发生颗粒破碎。在离散元模拟中，可以观察到单条或多条裂纹的形成，并保留大量破碎碎片；整体破碎模式与现象

NG混合物的渗流特征与堵塞模式

图13展示了试样10_200在不同时间点的渗流演变。渗流模拟启动后，流体迅速渗入试样，在1.5秒时试样上部出现大量流体积聚（图13a）。到3秒时（图13b），部分流体从试样顶部溢出并开始重新进入渗流模型，形成循环流。在5秒时（图13c），水继续通过众多相互连通的孔隙溢出，

结论

本文提出了一种结合DEM与SPH方法的混合建模策略，用于模拟CRPB渗流，旨在评估CRPB材料的渗透性，并在材料设计阶段获取潜在的堵塞机理洞察。所提方法的有效性通过一系列实验室测试结果得到验证，对模拟结果误差的分析突出了所提方法的优越性。潜在的

CRediT作者贡献声明

孟凡伟：撰写 – 初稿，可视化，调查。石文兵：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取。陈玉林：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取。肖元杰：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取。王晓明：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，软件，调查，数据管理，

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（52608730, 52178443, U1934209, 51878673, U1734208, 51808577, 52578542, 42567028）、国家重点研发计划（2019YFC1904704）、中国铁道科学研究院重点研发计划（2020YJ022, 2019YJ026）、教育部重载铁路工程结构重点实验室开放基金（中南大学）（2022JZZ03, 2021JZZ01 & 2021JZZ02）以及贵州省项目共同支持

王晓明|肖元杰|石文兵|陈玉林|孟凡伟

教育部岩溶资源与环境重点实验室（贵州大学），贵阳 550025，中国