徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置及方法與流程

本發(fā)明涉及土木工程領域，尤其涉及徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置及方法。

背景技術：

透水路面也稱為多孔路面，包括透水混凝土路面和OGFC(開級配抗滑磨耗層)瀝青路面等，在粗集料骨架內部有大量的貫通性孔隙使得路面具有良好的透水性能，能夠快速讓大量的雨水滲入地下，從而有效減小或消除城市暴雨洪澇災害。高透水性是透水性路面的基本要求之一，但在這類道路使用過程中往往因非水相液體和沙粒發(fā)生孔隙堵塞而導致透水性能降低的問題，導致透水路面難以發(fā)揮排水功能，最終演變成非透水路面，使用壽命縮短，增大了城市洪澇和凍融災害發(fā)生的可能性?，F有試驗裝置通常采用混凝土路面進行試驗，可重復操作性差，而且，針對非水相液體，容易出現堵塞的問題；而且現有技術中未對非水相液體以及非水相液體包裹的沙粒運移規(guī)律做過多的試驗，導致試驗數據的準確性差，實用性不高。

技術實現要素：

本發(fā)明第一目的是提供徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置，通過3D打印的透水混凝土的縮尺模型揭示徑流作用下顆粒輸運和透水路面堵塞的機理，提高試驗的可重復性。

本發(fā)明的第二目的是提供徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置的制作方法，該制作方法給出了試驗裝置是如何被制備的，制備方法的給出，進一步提高了后續(xù)試驗的精度。

本發(fā)明的第三目的是提供徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置的試驗方法，具體給出了非水相液體運移規(guī)律試驗和非水相液體包裹的沙粒運移規(guī)律試驗，為綜合考慮路面養(yǎng)護周期提供依據。

為了達成上述目的，本發(fā)明提供的第一個技術方案：

徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置，包括頂部設置開口的模型箱，在模型箱內從底部到頂部依次設置下基層、上基層和3D打印的混凝土透水路面，其中，透水路面為透明或者半透明的，是通過對混凝土透水路面掃描得到切片，在3D打印機內重構后制成3D打印的透水路面；在模型箱的底部設置滲流口，滲流口與收集器連通。

3D打印的混凝土透水路面采用低粘度液態(tài)光敏樹脂進行制造。

低粘度液態(tài)光敏樹脂，也就是3D打印光敏樹脂，外觀：透明；粘度大小：270cps(30℃)。3D打印出來的透明度會降低，利用光源照射之后，可以提高透明度。低粘度液態(tài)光敏樹脂是專門針對3D打印開發(fā)，能制作耐用、堅硬、防水的功能零件。其固化快速、成型精度高、表面效果好、具有類ABS性能，機械強度高、低氣味、耐儲存、通用性強等特點，適用于國內主流SLA快速成型設備。

在模型箱頂部一側設有與恒定水頭供水箱連通的進水口，另一側設有與循環(huán)水箱連通的排水口，循環(huán)水箱通過管路與恒定水頭供水箱連通。

上述模擬裝置，采用3D打印的透水路面來替代現有的混凝土透水路面，便于試驗過程中對水、非水相液體流動情況的觀察，并便于通過錄像機進行記錄，同時，在透水路面被堵塞的情況下，透明或者半透明的3D打印透水路面可較為清晰地觀測到透水路面內的堵塞情況，便于分析原因，這一點是現有的混凝土透水路面所達不到的效果；另外，3D打印的透水路面，不易被沖刷，可重復使用多次，一定程度上節(jié)約了傳統(tǒng)的混凝土資源。

在所述進水口與恒定水頭供水箱之間、排水口與循環(huán)水箱之間，滲流口與收集器之間均設置有閥門。

所述收集器的頂部敞口設置，在收集器的底部設置有稱重機構，稱重機構優(yōu)選電子秤，稱重機構需要去除收集器的重量。

所述稱重機構與控制單元連接，所述模型箱為透明材料制成，在所述模型箱的一側設置有錄像機，錄像機與所述的控制單元連接，為了便于對徑流作用下顆粒輸運和堵塞路面的研究，采用透明材料的模型箱，配合3D打印的透水路面，便于錄像機進行記錄，可方便后續(xù)學者對運移規(guī)律進行反復研究和分析。

所述混凝土透水路面采用水泥、單粒級石灰?guī)r碎石和氨基磺酸鹽系高效減水劑制成。

本發(fā)明提供的第二方案是：

徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置的制作方法，具體步驟如下：

1)將3D打印的透水路面、下基層石子和上基層石子放入去離子水中浸泡設定時間，浸泡后進行風干；

2)選擇粒徑為10-20mm的石子作為下基層，在下基層表面鋪設粒徑為5-10mm的石子作為上基層，每裝填40mm高度壓實后繼續(xù)裝填，在上基層的表面安裝3D打印的透水路面；

3)進水口與恒定水頭供水箱連接，排水口與循環(huán)水箱連接，將收集器設于滲流口的下部，在收集器的底部設置稱重機構，在模型箱的側部設置錄像機；

4)將稱重機構、錄像機與控制單元分別單獨連接。

此外，在下基層、上基層、透水路面與模型箱之間設置有橡膠墊，并涂刷凡士林，凡士林起到封堵透水路面和模型箱之間的縫隙，避免流體因為縫隙而快速流走，使模擬更加真實。

切片采用的混凝土透水路面的拌和采用水泥裹石法，混凝土透水路面試件尺寸規(guī)格為100mm×400mm×100mm，成型方法采用振動成型，振動時間為15s。養(yǎng)護方法采用標準養(yǎng)護，試件成型24小時后拆模，將試件置于標準養(yǎng)護室內養(yǎng)護28天。

本發(fā)明提供的第三方案是：

所述的徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置的試驗方法，具體步驟如下：

A.非水相液體運移規(guī)律試驗：

采用不溶于水單溶于有機溶劑的蘇丹紅IV對非水相液體進行染色，在模型箱表面中央以設定的速度加入設定體積的的非水相液體，查看并記錄收集器所收集的滲流流量的重量；

改變速度進行多次試驗；

B.非水相液體包裹的沙粒運移規(guī)律試驗：

在模型箱內3D打印的透水路面上表面均勻鋪設設定質量的包裹非水相液體的沙粒，在模型箱內進行注水排水共n次即完成一次大循環(huán)，查看并記錄收集器收集的滲流流量的重量，n大于等于5；

進行第二次鋪設包裹非水相液體的沙粒，重復注水排水共多次即第二次大循環(huán)，記錄相應的數據，直至完成至少3次大循環(huán)試驗，其中，包裹非水相液體的沙粒的粒徑為0.15-0.3mm、0.3-0.6mm和0.6-1.18mm，對每種粒徑的沙粒依次進行試驗。

對堵塞的3D打印的透水路面，采用水流沖刷的方式進行沖洗和/或采用吸塵器對透水路面進行吸塵。

上述試驗中，因為透水路面是非飽和區(qū)，不一定被完全淹沒，所以會有氣體，通過對“水-油-氣-固”相互作用的運動特性進行細觀層面上的分析，揭示透水路面孔隙堵塞產生條件及堵塞發(fā)展過程，為透水路面的優(yōu)化設計提供依據。本發(fā)明該試驗方法對雨洪徑流、泥沙顆粒及透水路面三者的相互作用進行了全面研究，給出不同滲流流速下在孔隙通道內非水相液體和顆粒的運動速度在各方向上的變化趨勢，統(tǒng)計非水相液體和泥沙顆粒堵塞于透水路面不同結構層的發(fā)生概率，判斷不同結構層發(fā)生堵塞的難易程度，進而確定透水路面集料級配與粒徑、透水路面厚度、孔隙率等參數對透水路面抗堵塞能力的影響。本發(fā)明研究結果為優(yōu)化透水路面設計提供了堅實的基礎，通過對滲透性能的預測，判斷透水混凝土達到最小入滲要求的臨界點，通過觀測透水混凝土達到最小入滲要求的臨界點(初始滲透系數的50％)時的堵塞發(fā)生位置，堵塞程度、以及對比觀測不同的堵塞清理方法的實際效果，從而為綜合考慮路面養(yǎng)護周期和方法提供依據。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)通過采用3D打印透水路面的設置，將模型箱設置為透明的，便于試驗過程中對水、非水相液體流動情況的觀察和記錄；可重復使用多次，重復使用率高。

2)通過記錄儀的記錄，便于后續(xù)統(tǒng)計非水相液體和泥沙顆粒堵塞于透水路面不同結構層的發(fā)生概率。

3)本發(fā)明通過非水相液體運移規(guī)律試驗和非水相液體包裹的沙粒運移規(guī)律試驗的給出，對雨洪徑流、泥沙顆粒及透水路面三者的相互作用進行了全面研究，給出不同滲流流速下在孔隙通道內非水相液體和顆粒的運動速度在各方向上的變化趨勢，試驗效果具有較好地指導意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明模型箱內結構示意圖；

其中：1.恒定水頭供水箱，2.錄像機，3.排水口閥門，4.3D打印的透水路面，5.上基層，6.下基層，7.循環(huán)水箱，8.循環(huán)水泵，9.收集器，10.電子稱，11.控制單元，12.凡士林，13.橡膠墊。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。

徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置，如圖1和圖2所示，包括頂部設置開口的模型箱，在模型箱內從底部到頂部依次設置下基層6、上基層5和3D打印的透水路面4，透水路面為透明或者半透明的，通過對混凝土透水路面掃描得到切片，在3D打印機內重構后制成3D打印的透水路面4；在模型箱的底部設置滲流口，滲流口與收集器9連通，在模型箱頂部一側設有與恒定水頭供水箱1連通的進水口，另一側設有與循環(huán)水箱連通的排水口，循環(huán)水箱7通過管路與恒定水頭供水箱1連通；在所述進水口與恒定水頭供水箱1之間設置閥門、排水口與循環(huán)水箱7之間設置排水口閥門3，滲流口與收集器9之間均設置有閥門。

上述模擬裝置，采用3D打印的透水路面來替代現有的混凝土透水路面，便于試驗過程中對水、非水相液體流動情況的觀察，并便于通過錄像機進行記錄，同時，在透水路面被堵塞的情況下，透明或者半透明的3D打印透水路面可較為清晰地觀測到透水路面內的堵塞情況，便于分析原因，這一點是現有的混凝土透水路面所達不到的效果；另外，3D打印的透水路面，不易被沖刷，可重復使用多次，一定程度上節(jié)約了傳統(tǒng)的混凝土資源。

所述收集器9的頂部敞口設置，在收集器9的底部設置有稱重機構，稱重機構優(yōu)選電子秤10，稱重機構需要去除收集器9的重量。

所述稱重機構與控制單元連接，所述模型箱為透明材料制成如透明玻璃，在所述模型箱的一側設置有高清錄像機2，錄像機2與所述的控制單元連接，為了便于對徑流作用下顆粒輸運和堵塞路面的研究，采用透明材料的模型箱，配合3D打印的透水路面，便于錄像機2進行記錄，可方便后續(xù)學者對運移規(guī)律進行反復研究和分析。

所述混凝土透水路面采用水泥、單粒級石灰?guī)r碎石和氨基磺酸鹽系高效減水劑制成。透水混凝土試塊的粗集料粒徑取2-5mm，5-10mm和10-20mm；目標孔隙率取10％、15％、20％和25％；水灰比取0.32、0.34、0.36和0.38；透水道路的上基層5厚度取100mm，150mm，200mm和250mm；在透水路面與上基層5之間有無鋪設土工布等。

徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置的制作方法，具體步驟如下：

1)將3D打印的透水路面4、下基層6石子和上基層5石子放入去離子水中浸泡設定時間，浸泡后進行風干；

2)選擇粒徑為10-20mm的石子作為下基層6，在下基層6表面鋪設粒徑為5-10mm的石子作為上基層5，每裝填40mm高度壓實后繼續(xù)裝填，在上基層5的表面安裝3D打印的透水路面4；

3)進水口與恒定水頭供水箱1連接，排水口與循環(huán)水箱7連接，將收集器9設于滲流口的下部，在收集器9的底部設置稱重機構，在模型箱的側部設置錄像機2；

4)將稱重機構、錄像機2與控制單元分別單獨連接。

此外，在下基層6、上基層5、透水路面與模型箱之間設置有橡膠墊13，并涂刷凡士林12，橡膠墊13在凡士林外側。

切片采用的混凝土透水路面的拌和采用水泥裹石法，混凝土透水路面試件尺寸規(guī)格為100mm×400mm×100mm，成型方法采用振動成型，振動時間為15s。養(yǎng)護方法采用標準養(yǎng)護，試件成型24小時后拆模，將試件置于標準養(yǎng)護室內養(yǎng)護28天。

所述的徑流作用下3D打印透水路面縮尺模擬裝置的試驗方法，具體步驟如下：

A.非水相液體運移規(guī)律試驗：分別選取汽油和柴油作為輕非水相液體代表性物質；四氯乙烯和二氯乙烷作為重非水相液體代表性物質，分別進行試驗；

采用不溶于水單溶于有機溶劑的蘇丹紅IV對非水相液體進行染色，在模型箱表面中央以設定的速度加入50ml的非水相液體，查看并記錄收集器所收集的滲流流量的重量；

B.非水相液體包裹的沙粒運移規(guī)律試驗：

在模型箱內3D打印的透水路面上表面均勻鋪設設定質量如180g的包裹非水相液體的沙粒，在模型箱內進行注水排水共10次即完成一次大循環(huán)，查看并記錄收集器收集的滲流流量的重量；

進行第二次鋪設包裹非水相液體的沙粒，重復注水排水共10次即第二次大循環(huán)，記錄相應的數據，直至完成5次大循環(huán)試驗，其中，包裹非水相液體的沙粒的粒徑為0.15-0.3mm、0.3-0.6mm和0.6-1.18mm，對每種粒徑的沙粒進行依次進行試驗。

試驗過程中，發(fā)生堵塞時，可采用不同的沖洗方法進行沖洗，以找出針對不同的堵塞情況，采用不同的沖洗方法。對堵塞的3D打印的透水路面，采用水流沖刷的方式進行沖洗和/或采用吸塵器對透水路面進行吸塵；測試水溫分別為20℃、30℃和40℃；使用與模型箱等寬的鴨嘴吸塵器對透水路面進行吸塵，分別測試4種不同的風壓，得出不同風壓下的試驗結果。

1)測試非水相液體NAPLs包裹的沙粒粒徑為0.15-0.3mm時運移規(guī)律與孔隙堵塞機理進行研究：

第一步：將沙粒在非水相液體中浸泡，裝填模型箱；

第二步：將180g包裹非水相液體的沙粒均勻攤鋪在透水路面上表層；

第三步：將模型箱注滿水，然后打開排水口閥門排空水后關閉閥門，并在排水過程都使用電子稱記錄滲流流量；

第四步：重復2-3步10次，完成1次大循環(huán)；

第五步：重復2-4步5次，完成5次大循環(huán)。

2)測試NAPLs包裹的沙粒粒徑為0.3-0.6mm時運移規(guī)律與孔隙堵塞機理進行研究

第一步：將沙粒在非水相液體浸泡，裝填模型箱；

第二步：將180g包裹非水相液體的沙粒均勻攤鋪在透水路面上表層；

第三步：將模型箱內注滿水，然后打開排水口閥門排空水后關閉閥門，并在排水過程都使用電子稱記錄滲流流量；

第四步：重復2-3步10次，完成1次大循環(huán)；

第五步：重復2-4步5次，完成5次大循環(huán)。

3)測試NAPLs包裹的沙粒粒徑為0.6-1.18mm時運移規(guī)律與孔隙堵塞機理進行研究

第一步：將沙粒在非水相液體浸泡，裝填有機玻璃；

第二步：將180g包裹非水相液體的沙粒均勻攤鋪在透水路面上表層；

第三步：將模型箱內注滿水，然后打開排水口閥門排空水后關閉閥門，并在排水過程都使用電子稱記錄滲流流量；

第四步：重復2-3步10次，完成1次大循環(huán)；

第五步：重復2-4步5次，完成5次大循環(huán)。

上述試驗中，通過對“水-油-氣-固”相互作用的運動特性進行細觀層面上的分析，揭示透水路面孔隙堵塞產生條件及堵塞發(fā)展過程，為透水路面的優(yōu)化設計提供依據。本發(fā)明該試驗方法對雨洪徑流、泥沙顆粒及透水路面三者的相互作用進行了全面研究，給出不同滲流流速下在孔隙通道內非水相液體和顆粒的運動速度在各方向上的變化趨勢，統(tǒng)計非水相液體和泥沙顆粒堵塞于透水路面不同結構層的發(fā)生概率，判斷不同結構層發(fā)生堵塞的難易程度，進而確定透水路面集料級配與粒徑、面層厚度、孔隙率等參數對透水路面抗堵塞能力的影響。本發(fā)明研究結果為優(yōu)化透水路面設計提供了堅實的基礎，通過對滲透性能的預測，判斷透水混凝土達到最小入滲要求的臨界點，從而為綜合考慮路面養(yǎng)護周期提供依據。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。