磨料水铣混凝土工艺规律分析

杨林+张小俊+庞稳

摘 要：针对传统混凝土破碎技术存在的一些无法克服的弊病，介绍了磨料水铣混凝土技术。从能量角度建立了混凝土水铣深度与喷射压力、破碎速度、磨料流量、磨料粒度等工艺参数之间的关系，并分析了主要工艺参数对水铣破碎深度的影响，为混凝土水铣质量的评价以及工艺的推广提供了参考。

关键词：路面修复；混凝土水铣；水铣深度；磨料水射流

中图分类号：U418.6 文献标志码：B

0 引 言

近些年来，混凝土水铣技术作为一种新的混凝土破碎方法，在一些发达国家得到广泛应用。它被国际上认为是二十一世纪最高效、最先进、破碎混凝土效果最好的混凝土凿毛与破碎技术，但大多数国产设备的工作压力在0.1～10 MPa之间，远不满足混凝土水铣设备的超高压要求（大于200 MPa），因此本文首次提出将磨料水射流运用于混凝土水铣技术中。

与传统混凝土破碎方法[1-2]相比，磨料水射流水铣（AWJ）路面混凝土具有以下特点：效率高，比传统破碎方法快20～50倍；不损伤钢筋就可消除钢筋上的锈蚀层；不会引起裂纹扩展；无振动、噪声和粉尘污染；安全性好，自动化程度高；能清除钢筋网内的混凝土；混凝土损坏越严重，水铣效果越好[3-4]。本文将首先对磨料水射流破碎混凝土的过程进行理论分析，并建立相应的分析模型，定性分析相关工艺参数对破碎效果的影响，其次以试验为基础，对破碎过程经行定量分析。

1 磨料水射流水铣混凝土理论分析

磨料水射流是水混入磨料后，经磨料喷嘴喷射出的固液两相射流。该射流束具有很大动能[5]，对被切割的物料产生强大的冲击作用，混入水射流中的磨料动能为

Ea=12k1WaV2c（1）

式中：Wa为磨料供给量（kg·min-1）；Vc为磨料的流速（mm·min-1）；k1为流量系数。

磨料混入水射流之前，根据伯努力方程可得水射流的速度为

Vw=2gPrw（2）

式中：P为喷射压力（MPa）；rw为水介质的重度（N·cm-3）；g为重力加速度（N·s-2）。

磨料混入后，假定水射流和磨料速度相同，根据动量定理可得出混入磨料后的磨料与水的速度表达式为

Vc=Vw1+WaρwQ（3）

式中：Q为喷射流量（mm3·min-1）；ρw为水介质的密度（g·mm-3）。

将式（2）、（3）代人式（1），得到磨料所具有的动能为

Ea=k1WaρwgP1+WaρwQ2（4）

混入磨料的供给量与磨料的粒度和密度成反比，而与水的速度成正比，即

Wa=k0r-1ad-aVβw（5）

式中：k0为系数；ra为磨料的密度（g·mm-3）；a为与磨料形状有关的系数；d为磨料的直径；β为速度指数。

混凝土的体积能Ec为

Ec=AεΔV=Aσ2bEΔV=Aσ2bEhV0d0（6）

式中：ε为混凝土单位体积能（J·mm-3）；ΔV为切除体积（mm3）；A为常数；σb为材料的抗压强度（MPa）；E为混凝土的弹性模量（MPa）；h为破碎深度（mm）；V0为喷头的移动速度（mm·s-1）；d0为喷头的直径（mm）。

当磨料的能量Ea大于等于混凝土的体积能Ec时，混凝土才能被切除，即

Ea=k1WaρwP1+WaρwQ2=Ec=AεΔV=Aσ2bEΔV=

Aσ2bEhV0d0（7）

经整理得到破碎体积为

ΔV=k1k0gEPr-1ad-aVβwAρwσ2b1+r-1ad-aVβwρwQ2V0d0（8）

从式（8）可以看出，破碎深度与混凝土水铣工艺参数（即水射流压力、水流量）、磨料参数（粒度、浓度）、混合参数、喷嘴直径、作业参数（靶距、喷嘴移动速度）以及被破碎混凝土的材料力学性能等有一定的关系。下面以试验为基础进一步分析其工艺参数对破碎效果的影响。

3 磨料水射流破碎混凝土试验研究

3.1 试验条件

本试验在混合水铣装置上完成，试验的主要参数有：最大流量为2 L·min-1， 最大压力为100 MPa，混砂管直径da为0.8 mm，混砂管长度为76 mm。

试验试件为C40混凝土（100 mm×100 mm×100 mm，抗压强度40 MPa）。

检测方法：用刻度探针和游标卡尺沿破碎口每5 mm距离测量一次，取其平均值为测量的破碎深度。

试验方案：采用单一变量法进行试验，其中磨料浓度n、喷射压力P、喷射流量Q和水铣速度V0通过在线传感器获取。

3.2 水射流压力的影响

射流压力对破碎深度的影响曲线如图1所示，从图上可以看出，混凝土的破碎深度随射流压力的增加而明显增加。这是由于在试验条件下随着射流压力的增加，磨料的磨蚀、水射流的水楔作用都得到加强，混凝土所受的破坏力和打击力相应的增加，破碎程度加深，破碎深度增加。因此射流压力的控制可以扩大磨料水射流的使用场合，在使用过程中针对不同的混凝土抗压强度首先需要确定的就是射流压力。

图1 射流压力对破碎深度的影响

3.3 破碎速度的影响

破碎速度（喷嘴的横向移动）反应了水射流对混凝土的冲击时间，是各工艺参数中惟一一个与破碎时间相关的工艺参数。从图2可以看出，破碎速度越快，破碎深度就越浅（近似于指数关系），这是由于在射流压力、磨料性质及流量等工艺参数一定的条件下，喷头的移动速度越快，沿纵向单位面积通过的磨料量越少，单位时间内磨料水射流对混凝土的有效打击次数越少，导致混凝土受到的冲击动能降低所造成的。因此在混凝土水铣技术的使用过程中，应当根据混凝土材质合理选择破碎速度。endprint

图2 破碎速度与破碎深度的关系

3.4 破碎靶距的影响

靶距对混凝土破碎深度的影响曲线如图3所示，由图3可以看出，在靶距增大的过程中存在一个最佳的靶距点，在小于最佳靶距点的位置，喷嘴喷出的磨料及射流的反溅现象都比较严重，破碎能量损失大。在大于最佳靶距点的位置，从喷嘴喷出的磨料及射流的反溅作用虽然不明显但磨料及射流脱离喷嘴向混凝土表面运动的过程中受到的空气阻力比较大，其能量损失也较大，因而造成混凝土破碎深度减小。

图3 靶距与破碎深度的关系

3.5 磨料流量的影响

混凝土破碎深度与磨料流量的关系如图4所示，由图4可以看出，随着磨料流量的增加，混凝土破碎深度存在一个最大值。这是因为在磨料流量小于最佳值的时候，随着磨料流量的增加，磨料的磨蚀作用越来越强，单位时间内冲击混凝土表面的磨料数量增多，破碎动能增加，破碎深度变大；当磨料流量高于最佳值的时候，由于水的比例减少，其对磨料粒子的加速作用有所减少，再加上磨料粒子间的相互碰撞增强，削弱了磨料的磨蚀作用，导致破碎深度降低。

图4 磨料流量与破碎深度的关系

3.6 磨料粒度的影响

磨料粒度对混凝土破碎深度的影响曲线如图5所示，由图5可以看出，随着磨料粒度的增加，破碎深度先增大、后减小。这是因为在速度一定的情况下，颗粒粒径越大则动能越大，混凝土表面磨损就越严重，混凝土的损伤主要表现为犁削破坏机制。其中，小粒径的颗粒几乎不能使混凝土发生磨损，主要是因为小粒子具有的动能太小，低于混凝土的弹性承受能力，不能形成犁削型破坏。另外，当磨粒尺寸增大到一程度时，混凝土承受冲击的面积也增大，单位面积的冲击力变化不大，另一方面，粒径增大使磨粒的硬度有所降低，容易发生破碎，从而导致冲蚀磨损率值下降，破碎深度减小。

图5 磨料粒度与破碎深度的关系

4 结 语

本文首先理论分析了AWJ的混凝土水铣过程，并从能量的角度建立了相应的模型，通过对模型的分析找到了影响混凝土水铣深度的工艺参数，然后结合试验定性分析了各主要工艺参数对破碎深度的影响。所得结果对于磨料水射流破碎混凝土技术应用具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 盛敬伟.混凝土在路桥桩基础施工中的应用及发展[J].魅力中国，2010（27）：42-43.

[2] 言明晨.浅谈我国路桥工程管理及成本控制[J].价值工程2011（30）：37-38.

[3] 唐碧秋，李连荣，唐 焱，等.公路维护中磨料水射流切割工艺应用研究[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（3）：53-55.

[4] 杨 林，彭中波，杜子学.磨料水射流切割质量的参数化模型[J]. 机械科学与技术， 2005，24（7）：869-871.

[5] 余寿文，冯西桥.损伤力学[M].北京：清华大学出版社，1997.

[责任编辑：杜敏浩]endprint