前混合高压磨料水射流对混凝土块的切割试验研究

姚远航,袁瑞甫,秦博，张志刚

(河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454000)

0 引 言

高压水射流以水为介质，利用液体增压原理经增压设备或特定喷嘴将机械能转换为压力能，并经喷嘴喷出形成具有较高能量的射流。在清洗、冷却、抛光等多个领域，高压水射流都具有极大的优势[1-3]。早在19世纪50年代中期，相关研究人员就利用水射流技术对非固体矿床进行了开采试验[4]。20世纪60年代，高压柱塞泵的出现和增压设备的发明极大地推动了水射流技术发展[5-7]。20世纪80年代，磨料射流、气水射流、空化射流等的发展，将水射流技术推向了新的发展阶段，在船舶重工、电力行业、化工机械、矿业能源领域广泛应用[8]。李波等[9]认为高压水射流的应用为水力冲孔研究奠定了坚实基础；武美萍等[10]提出了水射流支撑细长轴加工的方法，可以很好地减小细长轴加工误差。根据射流介质不同，水射流技术可分为纯水水射流和磨料水射流。纯水水射流以水为介质[11]；磨料水射流以高压水为介质，通过磨料发生装置使磨料获得能量，磨料与水的混合浆液从喷嘴喷射出来，形成能量高度集中的一股射流。磨料粒子本身具有一定的质量和硬度，因此磨料水射流具有良好的磨削、穿透、冲蚀能力[12]。20世纪90年代开始，磨料水射流凭借其切割质量好、冷切割的优势，与电火花切割、激光切割等切割技术形成互补[13]。磨料水射流中，根据磨料颗粒的加入方式分为后混合磨料射流和前混合磨料射流。后混合磨料射流是在射流形成之后加入磨料颗粒，主要依靠喷嘴处添加的混合腔，通过高压水射流形成的负压吸附能力抽吸磨料。在射流压力相同情况下，前混合磨料射流比后混合磨料射流加工能力更高，切削速度更快，切削深度更深[14-16]。卢义玉等[17]研究了磨料水射流钻进破岩，对关键水力学参数、力学模型、设备参数等进行了详细研究，为磨料水射流钻进提供了理论基础；李思等[18]通过研究高压磨料水射流对低碳合金钢切割，分析了水射流切割特性对切割效果的影响；周大鹏等[19-20]通过对前混合和后混合磨料射流能量传递和切割过程的分析，得到了两者切割深度的对比方程关系并进行了试验验证，认为相同输入能量条件下，两者切割深度(对象为铝板和不锈钢板)的比例关系相差10倍以上，这个结论进一步验证了前混合磨料水射流具有高效的切割能力。上述研究表明，前混合磨料水射流切割能力更强，但不同压力、不同的磨料比例以及喷头与切割目标的距离对切割能力的影响需要更深入研究。因此，本文拟开展前混合高压磨料水射流和高压水射流对不同硬度混凝土块在移动切割和固定切割方式下的破坏试验研究，以期对提高切割效率、降低切割成本及后续研究提供参考。

1 试验

1.1 混凝土试块制备

选用强度标号为M7.5，M10，M15，M20，M30的正方体混凝土试块，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，如图1所示。为保证试块强度均匀，试验中所需材料采购自同一厂家同一批次，每个标号试块全部一次配比制作完成。不同强度的混凝土试块分别制作10块，共50块。

图1 混凝土块Fig.1 Concrete blocks

1.2 试验设备及磨料

选用高压泵、QB-500L气动搅拌桶、自制切割实验台，喷头固定，混凝土试块沿导轨水平移动，移动速度25 mm/s，高压管路选择φ24 mm的高压耐磨胶管，选用1.5 mm内径钨钢喷头，磨料选择普通河砂和棕刚玉，两种磨料粒径均为60目，见图2。

图2 试验装备及磨料Fig.2 Experimental equipment and abrasives

1.3 试验流程

步骤1 将纯水倒入搅拌桶中。

步骤2 启动高压泵，将水压分别调至10，20，30 MPa，对混凝土试块进行移动切割。

步骤3 按照水砂比4∶1(质量比)配比水和河砂，将水砂混合浆液倒入搅拌桶中，启动搅拌桶进行搅拌，使混合浆液搅拌均匀，再按照步骤2进行混凝土试块移动切割。

步骤4 按照水砂比8∶1(质量比)配比水和河砂，将水砂混合浆液倒入搅拌桶中，启动搅拌桶进行搅拌，使混合浆液搅拌均匀，再按照步骤2进行混凝土试块移动切割。

步骤5 将上述河砂换成棕刚玉，再进行步骤3～4。

步骤6 将混凝土试块移动切割改为固定切割，重复步骤1～5。

2 结果与分析

2.1 移动切割数据分析

将制备好的混凝土试块放在实验台上，喷头与混凝土试块的垂直距离用L表示，移动切割试验中设计了两种垂直距离，即L=50,100 mm，分别进行纯水、水砂比4∶1的切割试验，每个数据均取多次试验的平均值，试验结果见图3。

图3 两种垂直距离下纯水或磨料移动切割深度Fig.3 Depths of pure water or abrasive mobile cutting depths at two vertical distances

纯水压力10 MPa时，L=50,100 mm切割深度无太大区别；当水压增加到20，30 MPa时，L=50,100 mm的切割深度开始出现明显变化，相对于L=100 mm，L=50 mm在水压20，30 MPa时切割深度差别更明显。水砂比为4∶1且L=50,100 mm时，M10混凝土试块在水压20，30 MPa时被切穿，切割效果明显。L=100 mm时，纯水压30 MPa下M10的切割深度与磨料切割10 MPa时的切割深度相差不大，磨料切割优势明显。由于混凝土试块高度只有100 mm，试验无法得出M10混凝土试块在20，30 MPa情况下的实际切割深度。

不同切割距离下，磨料切割比纯水切割的切割深度增加量如图4所示。

图4 两种垂直距离下的移动切割深度增加量Fig.4 Depths increases in mobile cutting at two vertical distances

由图4可知，磨料切割对不同强度混凝土试块的切割效果均有提升。当混凝土试块强度小于M15，L=100 mm，水压为20 MPa时增加量最大；当混凝土试块强度大于M15,L=100 mm，30 MPa时增加量最大。L=50 mm时，M10，M15混凝土试块在20 MPa下的切割深度增加量最大，是纯水的3～5倍，M20，M30混凝土块在30 MPa时切割深度增加量最大，20 MPa时次之，10 MPa时最小。L=100 mm，水压为30 MPa时的切割深度增加量在不同强度混凝土试块中最明显，20 MPa次之，10 MPa最小。

将水砂比换成8∶1，喷头与混凝土试块的垂直距离调整为L=50 mm，进行M20，M30混凝土试块移动切割，试验结果如图5(a)所示；L=50 mm时，在30 MPa下且水砂比为8∶1以及水与棕刚玉比为8∶1进行M10，M20混凝土试块的移动切割，试验结果如图5(b)所示。

图5 不同压力不同磨料下的混凝土块移动切割深度Fig.5 Mobile cutting depths of concrete blocks under different pressure with different abrasive

由图5(a)可知，M20，M30混凝土试块在两种切割条件下的切割深度30 MPa时最大，20 MPa时次之，10 MPa时最小，相同水压下磨料切割深度比纯水更深。M20混凝土试块10 MPa时磨料切割与20 MPa时纯水切割深度相差不大；30 MPa时磨料切割深度是纯水切割深度的3倍多。20，30 MPa时M30混凝土试块磨料切割深度是纯水切割深度的2倍多，磨料切割优势明显。由图5(b)可得，在30 MPa时，磨料切割比纯水切割深度增加明显。M10的水砂磨料混合浆液与水和棕刚玉的磨料混合浆液的切割深度相差不大，但在M20时，水砂磨料混合浆液切割深度比水与棕刚玉磨料混合浆液切割深度更深。

对比水砂比分别为4∶1和8∶1的试验效果，对M20、M30的混凝土试块在L=50 mm时磨料切割与纯水切割的切割深度增加量绘图整理，如图6所示。

图6 不同水砂比下的移动切割增加量Fig.6 Mobile cutting depth increases under different water-sediment ratios

由图6可知，M20混凝土试块在10 MPa时，4∶1与8∶1水砂比下的磨料切割增加量相差不大，20 MPa时，8∶1水砂比的磨料切割比4∶1水砂比的磨料切割增加量大，30 MPa时，4∶1水砂比的磨料切割比8∶1水砂比的磨料切割量大。M30混凝土块20 MPa时，4∶1与8∶1水砂比下的磨料切割增加量一样，10，30 MPa时，4∶1水砂比的磨料切割增加量比8∶1水砂比的磨料切割增加量大。对比水砂比4∶1与8∶1的试验，发现河砂量增加1倍，切割深度没有成倍增加，甚至出现相等或减少。因此，水砂比8∶1是一种性价比更好的配比方案。

移动切割混凝土试块结果对比如图7所示。

图7 加砂和纯水移动切割混凝土试块对比Fig.7 Comparison of sand and pure water mobile cutting concrete blocks

2.2 固定切割数据分析

设置L=500，1 000 mm，分别进行纯水、水砂比4∶1的20 s固定切割试验，试验结果见图8。

由图8可知，L=500 mm时，M7.5混凝土试块在10 MPa时磨料切割比纯水切割深度增加明显，是纯水切割的2倍，在20，30 MPa时，纯水切割与磨料切割相差不大，30 MPa纯水切割与20，30 MPa磨料切割都可以将混凝土试块切穿，M15，M30混凝土试块在10，20，30 MPa下磨料切割比纯水切割深度增加明显。L=1 000 mm时，M7.5混凝土试块在10 MPa下磨料切割比纯水切割深度增加明显，是纯水切割的2倍，M15混凝土试块在10，20 MPa下磨料切割比纯水切割增加明显，30 MPa下纯水切割与磨料切割都可以将混凝土试块切穿，M30混凝土试块在20 MPa时，磨料切割比纯水切割深度增加得最多，是纯水切割的3倍以上，且在20 MPa磨料切割下混凝土试块被切穿，M7.5混凝土块在L=500，1 000 mm时，磨料切割都可以将混凝土试块切穿，在喷头距离增加1倍的情况下，磨料切割能力并没有减弱，M15，M30混凝土块在L=1 000 mm时磨料切割依然效果很好。

图8 两种垂直距离下的纯水或磨料固定切割Fig.8 Pure water or abrasive tixed cutting at two vertical distances

固定切割混凝土试块结果对比如图9所示。

图9 加砂和纯水固定切割混凝土试块对比Fig.9 Comparison of sand and pure water fixed cutting concrete blocks

3 结 论

(1)在移动切割条件下，磨料切割效率是纯水的2倍以上；在固定切割条件下，磨料切割深度是纯水的1倍左右，前混合高压磨料切割对混凝土试块的切割能力强于纯水切割。

(2)在移动切割条件下，通过对比水砂比4∶1与8∶1的试验数据，发现砂量成倍增加，切割深度却很少成倍增加，甚至出现相等或减少,水砂比8∶1是一种经济性好的可行方案。

(3)在移动切割条件下，混凝土试块强度小于M15，L=100 mm、水压20 MPa时的切割深度增加量最大；混凝土试块强度大于M15,水压L=100 mm、30 MPa时的切割深度增加量最大；在固定切割条件下，靶距达到1 000 mm时，磨料切割效果仍然明显。

(4)磨料切割与其他切割方式相比具有可切割范围广、环保、无热加工等特点，试验所得结果对提高切割效率、降低切割成本具有一定参考意义。

(5)在固定切割试验中，由于设备故障等原因未进行水砂比4∶1与8∶1切割深度的对比试验，将在后续试验中继续完善。