本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)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(shù)：

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(nèi)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(zāi)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(dǎo)致透水性能降低的問題，導(dǎo)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(zāi)害發(fā)生的可能性?，F(xiàn)有試驗(yàn)裝置通常采用混凝土路面進(jìn)行試驗(yàn)，可重復(fù)操作性差，而且，針對非水相液體，容易出現(xiàn)堵塞的問題；而且現(xiàn)有技術(shù)中未對非水相液體以及非水相液體包裹的沙粒運(yùn)移規(guī)律做過多的試驗(yàn)，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性差，實(shí)用性不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(yùn)和透水路面堵塞的機(jī)理，提高試驗(yàn)的可重復(fù)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(yàn)裝置是如何被制備的，制備方法的給出，進(jìn)一步提高了后續(xù)試驗(yàn)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(yàn)方法，具體給出了非水相液體運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)和非水相液體包裹的沙粒運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)，為綜合考慮路面養(yǎng)護(hù)周期提供依據(jù)。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供的第一個技術(shù)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(shè)置開口的模型箱，在模型箱內(nèi)從底部到頂部依次設(shè)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(jī)內(nèi)重構(gòu)后制成3D打印的透水路面；在模型箱的底部設(shè)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(jìn)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?。?70cps(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(jiān)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(jī)械強(qiáng)度高、低氣味、耐儲存、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于國內(nèi)主流SLA快速成型設(shè)備。

在模型箱頂部一側(cè)設(shè)有與恒定水頭供水箱連通的進(jìn)水口，另一側(cè)設(shè)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(xiàn)有的混凝土透水路面，便于試驗(yàn)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(jī)進(jìn)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(nèi)的堵塞情況，便于分析原因，這一點(diǎn)是現(xiàn)有的混凝土透水路面所達(dá)不到的效果；另外，3D打印的透水路面，不易被沖刷，可重復(fù)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(jìn)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(shè)置有閥門。

所述收集器的頂部敞口設(shè)置，在收集器的底部設(shè)置有稱重機(jī)構(gòu)，稱重機(jī)構(gòu)優(yōu)選電子秤，稱重機(jī)構(gòu)需要去除收集器的重量。

所述稱重機(jī)構(gòu)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(cè)設(shè)置有錄像機(jī)，錄像機(jī)與所述的控制單元連接，為了便于對徑流作用下顆粒輸運(yùn)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(jī)進(jìn)行記錄，可方便后續(xù)學(xué)者對運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行反復(fù)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(shè)定時間，浸泡后進(jìn)行風(fēng)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(shè)粒徑為5-10mm的石子作為上基層，每裝填40mm高度壓實(shí)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(jìn)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(shè)于滲流口的下部，在收集器的底部設(shè)置稱重機(jī)構(gòu)，在模型箱的側(cè)部設(shè)置錄像機(jī)；

4)將稱重機(jī)構(gòu)、錄像機(jī)與控制單元分別單獨(dú)連接。

此外，在下基層、上基層、透水路面與模型箱之間設(shè)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?yàn)榭p隙而快速流走，使模擬更加真實(shí)。

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(hù)方法采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，試件成型24小時后拆模，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(yàn)方法，具體步驟如下：

A.非水相液體運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)：

采用不溶于水單溶于有機(jī)溶劑的蘇丹紅IV對非水相液體進(jìn)行染色，在模型箱表面中央以設(shè)定的速度加入設(shè)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(jìn)行多次試驗(yàn)；

B.非水相液體包裹的沙粒運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)：

在模型箱內(nèi)3D打印的透水路面上表面均勻鋪設(shè)設(shè)定質(zhì)量的包裹非水相液體的沙粒，在模型箱內(nèi)進(jìn)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(jìn)行第二次鋪設(shè)包裹非水相液體的沙粒，重復(fù)注水排水共多次即第二次大循環(huán)，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，直至完成至少3次大循環(huán)試驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)。

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

上述試驗(yàn)中，因?yàn)橥杆访媸欠秋柡蛥^(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(yùn)動特性進(jìn)行細(xì)觀層面上的分析，揭示透水路面孔隙堵塞產(chǎn)生條件及堵塞發(fā)展過程，為透水路面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本發(fā)明該試驗(yàn)方法對雨洪徑流、泥沙顆粒及透水路面三者的相互作用進(jìn)行了全面研究，給出不同滲流流速下在孔隙通道內(nèi)非水相液體和顆粒的運(yùn)動速度在各方向上的變化趨勢，統(tǒng)計(jì)非水相液體和泥沙顆粒堵塞于透水路面不同結(jié)構(gòu)層的發(fā)生概率，判斷不同結(jié)構(gòu)層發(fā)生堵塞的難易程度，進(jìn)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(shù)對透水路面抗堵塞能力的影響。本發(fā)明研究結(jié)果為優(yōu)化透水路面設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，通過對滲透性能的預(yù)測，判斷透水混凝土達(dá)到最小入滲要求的臨界點(diǎn)，通過觀測透水混凝土達(dá)到最小入滲要求的臨界點(diǎn)(初始滲透系數(shù)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(shí)際效果，從而為綜合考慮路面養(yǎng)護(hù)周期和方法提供依據(jù)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

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

3)本發(fā)明通過非水相液體運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)和非水相液體包裹的沙粒運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)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(jìn)行了全面研究，給出不同滲流流速下在孔隙通道內(nèi)非水相液體和顆粒的運(yùn)動速度在各方向上的變化趨勢，試驗(yàn)效果具有較好地指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明模型箱內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1.恒定水頭供水箱，2.錄像機(jī)，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(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)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(shè)置開口的模型箱，在模型箱內(nèi)從底部到頂部依次設(shè)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(jī)內(nèi)重構(gòu)后制成3D打印的透水路面4；在模型箱的底部設(shè)置滲流口，滲流口與收集器9連通，在模型箱頂部一側(cè)設(shè)有與恒定水頭供水箱1連通的進(jìn)水口，另一側(cè)設(shè)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(jìn)水口與恒定水頭供水箱1之間設(shè)置閥門、排水口與循環(huán)水箱7之間設(shè)置排水口閥門3，滲流口與收集器9之間均設(shè)置有閥門。

上述模擬裝置，采用3D打印的透水路面來替代現(xiàn)有的混凝土透水路面，便于試驗(yàn)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(jī)進(jìn)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(nèi)的堵塞情況，便于分析原因，這一點(diǎn)是現(xiàn)有的混凝土透水路面所達(dá)不到的效果；另外，3D打印的透水路面，不易被沖刷，可重復(fù)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(shè)置，在收集器9的底部設(shè)置有稱重機(jī)構(gòu)，稱重機(jī)構(gòu)優(yōu)選電子秤10，稱重機(jī)構(gòu)需要去除收集器9的重量。

所述稱重機(jī)構(gòu)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(cè)設(shè)置有高清錄像機(jī)2，錄像機(jī)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(yùn)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(jī)2進(jìn)行記錄，可方便后續(xù)學(xué)者對運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行反復(fù)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(biāo)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(shè)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(shè)定時間，浸泡后進(jìn)行風(fēng)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(shè)粒徑為5-10mm的石子作為上基層5，每裝填40mm高度壓實(shí)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(jìn)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(shè)于滲流口的下部，在收集器9的底部設(shè)置稱重機(jī)構(gòu)，在模型箱的側(cè)部設(shè)置錄像機(jī)2；

4)將稱重機(jī)構(gòu)、錄像機(jī)2與控制單元分別單獨(dú)連接。

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

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(hù)方法采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，試件成型24小時后拆模，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(yàn)方法，具體步驟如下：

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

采用不溶于水單溶于有機(jī)溶劑的蘇丹紅IV對非水相液體進(jìn)行染色，在模型箱表面中央以設(shè)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(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)：

在模型箱內(nèi)3D打印的透水路面上表面均勻鋪設(shè)設(shè)定質(zhì)量如180g的包裹非水相液體的沙粒，在模型箱內(nèi)進(jìn)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(jìn)行第二次鋪設(shè)包裹非水相液體的沙粒，重復(fù)注水排水共10次即第二次大循環(huán)，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，直至完成5次大循環(huán)試驗(yàn)，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(jìn)行依次進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，發(fā)生堵塞時，可采用不同的沖洗方法進(jìn)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(jìn)行沖洗和/或采用吸塵器對透水路面進(jìn)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(jìn)行吸塵，分別測試4種不同的風(fēng)壓，得出不同風(fēng)壓下的試驗(yàn)結(jié)果。

1)測試非水相液體NAPLs包裹的沙粒粒徑為0.15-0.3mm時運(yùn)移規(guī)律與孔隙堵塞機(jī)理進(jìn)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(guān)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(fù)2-3步10次，完成1次大循環(huán)；

第五步：重復(fù)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(yùn)移規(guī)律與孔隙堵塞機(jī)理進(jìn)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(nèi)注滿水，然后打開排水口閥門排空水后關(guān)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(fù)2-3步10次，完成1次大循環(huán)；

第五步：重復(fù)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(yùn)移規(guī)律與孔隙堵塞機(jī)理進(jìn)行研究

第一步：將沙粒在非水相液體浸泡，裝填有機(jī)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(nèi)注滿水，然后打開排水口閥門排空水后關(guān)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(fù)2-3步10次，完成1次大循環(huán)；

第五步：重復(fù)2-4步5次，完成5次大循環(huán)。

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

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。