径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置及方法与流程

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置及方法。

背景技术：

透水路面也称为多孔路面，包括透水混凝土路面和OGFC(开级配抗滑磨耗层)沥青路面等，在粗集料骨架内部有大量的贯通性孔隙使得路面具有良好的透水性能，能够快速让大量的雨水渗入地下，从而有效减小或消除城市暴雨洪涝灾害。高透水性是透水性路面的基本要求之一，但在这类道路使用过程中往往因非水相液体和沙粒发生孔隙堵塞而导致透水性能降低的问题，导致透水路面难以发挥排水功能，最终演变成非透水路面，使用寿命缩短，增大了城市洪涝和冻融灾害发生的可能性。现有试验装置通常采用混凝土路面进行试验，可重复操作性差，而且，针对非水相液体，容易出现堵塞的问题；而且现有技术中未对非水相液体以及非水相液体包裹的沙粒运移规律做过多的试验，导致试验数据的准确性差，实用性不高。

技术实现要素：

本发明第一目的是提供径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置，通过3D打印的透水混凝土的缩尺模型揭示径流作用下颗粒输运和透水路面堵塞的机理，提高试验的可重复性。

本发明的第二目的是提供径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置的制作方法，该制作方法给出了试验装置是如何被制备的，制备方法的给出，进一步提高了后续试验的精度。

本发明的第三目的是提供径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置的试验方法，具体给出了非水相液体运移规律试验和非水相液体包裹的沙粒运移规律试验，为综合考虑路面养护周期提供依据。

为了达成上述目的，本发明提供的第一个技术方案：

径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置，包括顶部设置开口的模型箱，在模型箱内从底部到顶部依次设置下基层、上基层和3D打印的混凝土透水路面，其中，透水路面为透明或者半透明的，是通过对混凝土透水路面扫描得到切片，在3D打印机内重构后制成3D打印的透水路面；在模型箱的底部设置渗流口，渗流口与收集器连通。

3D打印的混凝土透水路面采用低粘度液态光敏树脂进行制造。

低粘度液态光敏树脂，也就是3D打印光敏树脂，外观：透明；粘度大小：270cps(30℃)。3D打印出来的透明度会降低，利用光源照射之后，可以提高透明度。低粘度液态光敏树脂是专门针对3D打印开发，能制作耐用、坚硬、防水的功能零件。其固化快速、成型精度高、表面效果好、具有类ABS性能，机械强度高、低气味、耐储存、通用性强等特点，适用于国内主流SLA快速成型设备。

在模型箱顶部一侧设有与恒定水头供水箱连通的进水口，另一侧设有与循环水箱连通的排水口，循环水箱通过管路与恒定水头供水箱连通。

上述模拟装置，采用3D打印的透水路面来替代现有的混凝土透水路面，便于试验过程中对水、非水相液体流动情况的观察，并便于通过录像机进行记录，同时，在透水路面被堵塞的情况下，透明或者半透明的3D打印透水路面可较为清晰地观测到透水路面内的堵塞情况，便于分析原因，这一点是现有的混凝土透水路面所达不到的效果；另外，3D打印的透水路面，不易被冲刷，可重复使用多次，一定程度上节约了传统的混凝土资源。

在所述进水口与恒定水头供水箱之间、排水口与循环水箱之间，渗流口与收集器之间均设置有阀门。

所述收集器的顶部敞口设置，在收集器的底部设置有称重机构，称重机构优选电子秤，称重机构需要去除收集器的重量。

所述称重机构与控制单元连接，所述模型箱为透明材料制成，在所述模型箱的一侧设置有录像机，录像机与所述的控制单元连接，为了便于对径流作用下颗粒输运和堵塞路面的研究，采用透明材料的模型箱，配合3D打印的透水路面，便于录像机进行记录，可方便后续学者对运移规律进行反复研究和分析。

所述混凝土透水路面采用水泥、单粒级石灰岩碎石和氨基磺酸盐系高效减水剂制成。

本发明提供的第二方案是：

径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置的制作方法，具体步骤如下：

1)将3D打印的透水路面、下基层石子和上基层石子放入去离子水中浸泡设定时间，浸泡后进行风干；

2)选择粒径为10-20mm的石子作为下基层，在下基层表面铺设粒径为5-10mm的石子作为上基层，每装填40mm高度压实后继续装填，在上基层的表面安装3D打印的透水路面；

3)进水口与恒定水头供水箱连接，排水口与循环水箱连接，将收集器设于渗流口的下部，在收集器的底部设置称重机构，在模型箱的侧部设置录像机；

4)将称重机构、录像机与控制单元分别单独连接。

此外，在下基层、上基层、透水路面与模型箱之间设置有橡胶垫，并涂刷凡士林，凡士林起到封堵透水路面和模型箱之间的缝隙，避免流体因为缝隙而快速流走，使模拟更加真实。

切片采用的混凝土透水路面的拌和采用水泥裹石法，混凝土透水路面试件尺寸规格为100mm×400mm×100mm，成型方法采用振动成型，振动时间为15s。养护方法采用标准养护，试件成型24小时后拆模，将试件置于标准养护室内养护28天。

本发明提供的第三方案是：

所述的径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置的试验方法，具体步骤如下：

A.非水相液体运移规律试验：

采用不溶于水单溶于有机溶剂的苏丹红IV对非水相液体进行染色，在模型箱表面中央以设定的速度加入设定体积的的非水相液体，查看并记录收集器所收集的渗流流量的重量；

改变速度进行多次试验；

B.非水相液体包裹的沙粒运移规律试验：

在模型箱内3D打印的透水路面上表面均匀铺设设定质量的包裹非水相液体的沙粒，在模型箱内进行注水排水共n次即完成一次大循环，查看并记录收集器收集的渗流流量的重量，n大于等于5；

进行第二次铺设包裹非水相液体的沙粒，重复注水排水共多次即第二次大循环，记录相应的数据，直至完成至少3次大循环试验，其中，包裹非水相液体的沙粒的粒径为0.15-0.3mm、0.3-0.6mm和0.6-1.18mm，对每种粒径的沙粒依次进行试验。

对堵塞的3D打印的透水路面，采用水流冲刷的方式进行冲洗和/或采用吸尘器对透水路面进行吸尘。

上述试验中，因为透水路面是非饱和区，不一定被完全淹没，所以会有气体，通过对“水-油-气-固”相互作用的运动特性进行细观层面上的分析，揭示透水路面孔隙堵塞产生条件及堵塞发展过程，为透水路面的优化设计提供依据。本发明该试验方法对雨洪径流、泥沙颗粒及透水路面三者的相互作用进行了全面研究，给出不同渗流流速下在孔隙通道内非水相液体和颗粒的运动速度在各方向上的变化趋势，统计非水相液体和泥沙颗粒堵塞于透水路面不同结构层的发生概率，判断不同结构层发生堵塞的难易程度，进而确定透水路面集料级配与粒径、透水路面厚度、孔隙率等参数对透水路面抗堵塞能力的影响。本发明研究结果为优化透水路面设计提供了坚实的基础，通过对渗透性能的预测，判断透水混凝土达到最小入渗要求的临界点，通过观测透水混凝土达到最小入渗要求的临界点(初始渗透系数的50％)时的堵塞发生位置，堵塞程度、以及对比观测不同的堵塞清理方法的实际效果，从而为综合考虑路面养护周期和方法提供依据。

本发明具有以下优点：

1)通过采用3D打印透水路面的设置，将模型箱设置为透明的，便于试验过程中对水、非水相液体流动情况的观察和记录；可重复使用多次，重复使用率高。

2)通过记录仪的记录，便于后续统计非水相液体和泥沙颗粒堵塞于透水路面不同结构层的发生概率。

3)本发明通过非水相液体运移规律试验和非水相液体包裹的沙粒运移规律试验的给出，对雨洪径流、泥沙颗粒及透水路面三者的相互作用进行了全面研究，给出不同渗流流速下在孔隙通道内非水相液体和颗粒的运动速度在各方向上的变化趋势，试验效果具有较好地指导意义。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明模型箱内结构示意图；

其中：1.恒定水头供水箱，2.录像机，3.排水口阀门，4.3D打印的透水路面，5.上基层，6.下基层，7.循环水箱，8.循环水泵，9.收集器，10.电子称，11.控制单元，12.凡士林，13.橡胶垫。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置，如图1和图2所示，包括顶部设置开口的模型箱，在模型箱内从底部到顶部依次设置下基层6、上基层5和3D打印的透水路面4，透水路面为透明或者半透明的，通过对混凝土透水路面扫描得到切片，在3D打印机内重构后制成3D打印的透水路面4；在模型箱的底部设置渗流口，渗流口与收集器9连通，在模型箱顶部一侧设有与恒定水头供水箱1连通的进水口，另一侧设有与循环水箱连通的排水口，循环水箱7通过管路与恒定水头供水箱1连通；在所述进水口与恒定水头供水箱1之间设置阀门、排水口与循环水箱7之间设置排水口阀门3，渗流口与收集器9之间均设置有阀门。

上述模拟装置，采用3D打印的透水路面来替代现有的混凝土透水路面，便于试验过程中对水、非水相液体流动情况的观察，并便于通过录像机进行记录，同时，在透水路面被堵塞的情况下，透明或者半透明的3D打印透水路面可较为清晰地观测到透水路面内的堵塞情况，便于分析原因，这一点是现有的混凝土透水路面所达不到的效果；另外，3D打印的透水路面，不易被冲刷，可重复使用多次，一定程度上节约了传统的混凝土资源。

所述收集器9的顶部敞口设置，在收集器9的底部设置有称重机构，称重机构优选电子秤10，称重机构需要去除收集器9的重量。

所述称重机构与控制单元连接，所述模型箱为透明材料制成如透明玻璃，在所述模型箱的一侧设置有高清录像机2，录像机2与所述的控制单元连接，为了便于对径流作用下颗粒输运和堵塞路面的研究，采用透明材料的模型箱，配合3D打印的透水路面，便于录像机2进行记录，可方便后续学者对运移规律进行反复研究和分析。

所述混凝土透水路面采用水泥、单粒级石灰岩碎石和氨基磺酸盐系高效减水剂制成。透水混凝土试块的粗集料粒径取2-5mm，5-10mm和10-20mm；目标孔隙率取10％、15％、20％和25％；水灰比取0.32、0.34、0.36和0.38；透水道路的上基层5厚度取100mm，150mm，200mm和250mm；在透水路面与上基层5之间有无铺设土工布等。

径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置的制作方法，具体步骤如下：

1)将3D打印的透水路面4、下基层6石子和上基层5石子放入去离子水中浸泡设定时间，浸泡后进行风干；

2)选择粒径为10-20mm的石子作为下基层6，在下基层6表面铺设粒径为5-10mm的石子作为上基层5，每装填40mm高度压实后继续装填，在上基层5的表面安装3D打印的透水路面4；

3)进水口与恒定水头供水箱1连接，排水口与循环水箱7连接，将收集器9设于渗流口的下部，在收集器9的底部设置称重机构，在模型箱的侧部设置录像机2；

4)将称重机构、录像机2与控制单元分别单独连接。

此外，在下基层6、上基层5、透水路面与模型箱之间设置有橡胶垫13，并涂刷凡士林12，橡胶垫13在凡士林外侧。

切片采用的混凝土透水路面的拌和采用水泥裹石法，混凝土透水路面试件尺寸规格为100mm×400mm×100mm，成型方法采用振动成型，振动时间为15s。养护方法采用标准养护，试件成型24小时后拆模，将试件置于标准养护室内养护28天。

所述的径流作用下3D打印透水路面缩尺模拟装置的试验方法，具体步骤如下：

A.非水相液体运移规律试验：分别选取汽油和柴油作为轻非水相液体代表性物质；四氯乙烯和二氯乙烷作为重非水相液体代表性物质，分别进行试验；

采用不溶于水单溶于有机溶剂的苏丹红IV对非水相液体进行染色，在模型箱表面中央以设定的速度加入50ml的非水相液体，查看并记录收集器所收集的渗流流量的重量；

B.非水相液体包裹的沙粒运移规律试验：

在模型箱内3D打印的透水路面上表面均匀铺设设定质量如180g的包裹非水相液体的沙粒，在模型箱内进行注水排水共10次即完成一次大循环，查看并记录收集器收集的渗流流量的重量；

进行第二次铺设包裹非水相液体的沙粒，重复注水排水共10次即第二次大循环，记录相应的数据，直至完成5次大循环试验，其中，包裹非水相液体的沙粒的粒径为0.15-0.3mm、0.3-0.6mm和0.6-1.18mm，对每种粒径的沙粒进行依次进行试验。

试验过程中，发生堵塞时，可采用不同的冲洗方法进行冲洗，以找出针对不同的堵塞情况，采用不同的冲洗方法。对堵塞的3D打印的透水路面，采用水流冲刷的方式进行冲洗和/或采用吸尘器对透水路面进行吸尘；测试水温分别为20℃、30℃和40℃；使用与模型箱等宽的鸭嘴吸尘器对透水路面进行吸尘，分别测试4种不同的风压，得出不同风压下的试验结果。

1)测试非水相液体NAPLs包裹的沙粒粒径为0.15-0.3mm时运移规律与孔隙堵塞机理进行研究：

第一步：将沙粒在非水相液体中浸泡，装填模型箱；

第二步：将180g包裹非水相液体的沙粒均匀摊铺在透水路面上表层；

第三步：将模型箱注满水，然后打开排水口阀门排空水后关闭阀门，并在排水过程都使用电子称记录渗流流量；

第四步：重复2-3步10次，完成1次大循环；

第五步：重复2-4步5次，完成5次大循环。

2)测试NAPLs包裹的沙粒粒径为0.3-0.6mm时运移规律与孔隙堵塞机理进行研究

第一步：将沙粒在非水相液体浸泡，装填模型箱；

第二步：将180g包裹非水相液体的沙粒均匀摊铺在透水路面上表层；

第三步：将模型箱内注满水，然后打开排水口阀门排空水后关闭阀门，并在排水过程都使用电子称记录渗流流量；

第四步：重复2-3步10次，完成1次大循环；

第五步：重复2-4步5次，完成5次大循环。

3)测试NAPLs包裹的沙粒粒径为0.6-1.18mm时运移规律与孔隙堵塞机理进行研究

第一步：将沙粒在非水相液体浸泡，装填有机玻璃；

第二步：将180g包裹非水相液体的沙粒均匀摊铺在透水路面上表层；

第三步：将模型箱内注满水，然后打开排水口阀门排空水后关闭阀门，并在排水过程都使用电子称记录渗流流量；

第四步：重复2-3步10次，完成1次大循环；

第五步：重复2-4步5次，完成5次大循环。

上述试验中，通过对“水-油-气-固”相互作用的运动特性进行细观层面上的分析，揭示透水路面孔隙堵塞产生条件及堵塞发展过程，为透水路面的优化设计提供依据。本发明该试验方法对雨洪径流、泥沙颗粒及透水路面三者的相互作用进行了全面研究，给出不同渗流流速下在孔隙通道内非水相液体和颗粒的运动速度在各方向上的变化趋势，统计非水相液体和泥沙颗粒堵塞于透水路面不同结构层的发生概率，判断不同结构层发生堵塞的难易程度，进而确定透水路面集料级配与粒径、面层厚度、孔隙率等参数对透水路面抗堵塞能力的影响。本发明研究结果为优化透水路面设计提供了坚实的基础，通过对渗透性能的预测，判断透水混凝土达到最小入渗要求的临界点，从而为综合考虑路面养护周期提供依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。