高压水射流技术在道路工程中的应用现状及展望

杨晨光 ,李 彧 ,弥海晨 ,邹珦洋

(1.西安公路研究院有限公司,西安 710065;2.陕西交通控股集团有限公司蓝商分公司,西安 710065)

高压水射流技术被广泛应用于消防灭火、船舶清洗、煤矿开采、隧道开凿、军用爆炸装置拆除、机械加工乃至外科手术等领域。依据射流形态的不同,高压水射流通常被划分为高压纯水射流、高压磨料水射流、空化射流及脉冲射流[1]。高压水射流技术起源于20 世纪50 年代,Bowden 等[2]研发了基于挤压供能原理的高压纯水射流设备,验证了高压纯水射流对岩石具有冲蚀、破坏作用。20 世纪50 年代至80 年代,提高高压水射流的稳定性、持续性与冲蚀动力是重点研究方向[3]。20 世纪90 年代至今,流体力学等领域的科研人员热衷于对高压纯水射流进行建模与数值分析,旨在以更低的成本确定高压射流技术的流场模式、冲蚀动力、喷嘴组成等参数[4]。此外,基于提升加工效率的目的,20 世纪80 年代起出现了高压磨料水射流技术[5],其利用动力传递原理,增大了射流的冲击力,更适合切削结构物。但高压磨料水射流的内在机理复杂,工作模型涉及的参数与边界条件众多,多影响因素的完全量化至今仍有很大难度[5-7]。21 世纪初期,空化射流技术与脉冲射流技术逐渐发展。因局部液-气相变机理复杂,空化射流技术对设备要求较高,目前应用仍限于深水切割、清洗核反应堆等行业[8];脉冲射流技术基于水锤效应,使射流形成类似炮弹的水团,目前在航空航天、电缆清洗、破岩以及餐具清洗等方面有初步应用,但在工程中的实际应用较少[9-12]。

道路工程中的高压水射流技术是以水或带磨料的液体等为载体,经特定喷嘴、增压组件等设备,同时配合自行式施工装置、人工水枪与推车等附件,实现结构物的清洗、破碎与切割等。由于当前道路工程对高压水射流技术的应用有限,对冲蚀深度及冲蚀精度的要求低于机械等行业,目前使用最为广泛的仍是高压纯水射流技术[13]。

1 高压水射流在道路工程中的应用与研究现状

1.1 清洗

高压纯水射流的清洗功能在道路工程中的应用主要包括以下两个方面:一是路面覆层的清洗,二是道路标线的清洗。其中清除结构表面的覆盖层,是高压纯水射流技术最初尝试应用的方向,近几年,该技术开始被应用于道路标线清除[14]。

高压水射流的清洗功能的相关研究重点在于射流横向范围作用的均匀性[15]。1991 年,Watson 等[16]提出多孔、小尺寸喷嘴的工作效率优于单孔、大尺寸喷嘴。Leu 等[17]提出喷嘴直径越大,覆层清洗的效果(宽度、深度与覆层的清除量)越好。1994—1995 年,Momber 等[18-19]研发了圆形与平面组合的扇形喷嘴,其可沿同一中轴线平动或转动,与传统的圆形喷嘴和平面喷嘴相比具有更大的冲击动能与更灵活的清除方式,且扇形喷嘴在靶距短、清除范围大时效果更佳。Scott 等[20]通过性能测试确定了喷雾量和清洗效率的空间分布,推荐了扇形喷嘴在清洗方面的系统设计方案。Singh 等[21]依据表面清除情况,将同一速度下水射流的不同区域分为不完全清除段、完全清除段和基体破坏段。Kong 等[22]基于高压纯水射流铣削试验提出表面破坏分为塑性变形致初始裂纹、应力波发展及裂纹扩展形成微坑3 个阶段。Lu 等[23]提出高压水射流随时间发展分为水锤压力阶段和滞止压力阶段。Leu 等[24]提出了关键靶距的概念,以及关键靶距对应的最佳清洗效率范围。高道明[25]基于模糊推理与ANFIS(自适应神经模糊系统)网络的清洗率预测模型,研究了喷嘴、清洗参数与清洗效果间的关系,提出高压纯水射流清洗路面设备的效果评价和性能优化的方法,推荐了路面高压清洗车的合理配置参数。

道路标线所用涂料通常为合成树脂,老化或污损后需及时清除更换。但标线与路面附着紧密,若采用化学法溶蚀,易影响沥青路面功能,而利用高压纯水射流技术清洗道路标线是更高效、绿色、低碳的处治措施。研究人员发现,使用高压水射流技术清洗道路标线时,设备压力及喷嘴是影响清洗效率及清洗效果的核心因素,较路面覆层清洗,标线清洗对冲蚀压力及冲蚀深度的要求更高。张东速等[26]基于附壁效应,对比常见的清洗型喷嘴(圆柱形、圆锥形及锥直型)的射流速度及压力,提出锥直型喷嘴的清洗效果更优。杨国来等[27]仿真了高压水射流锥直型喷嘴的参数,认为射流速度最优时对应的喷嘴长径比为2～4。侯荣国等[28]仿真了磨料的射流喷嘴内外流场,提出内锥面的长度、锥角影响射流分布速度。王晓龙[29]针对道路标线的清洗,采用仿真技术,提出压力、靶距和冲击角度均为清洗效果的重要影响因素。刘力红等[30]采用Fluent分析软件,推荐高压水射流清洗道路标线的参数,即锥直型喷嘴的入口直径为5 mm,出口直径为1 mm,收缩角为30°,长径比为3。

1.2 破碎

高压水射流在道路工程中还可用于破碎公路、桥梁的混凝土结构,以重新翻修。常见的混凝土破碎技术有使用振动锤、风镐等机械方式和爆破、加入混凝土膨胀剂等化学方式,但上述方法易损坏设施的原有结构,成本高,且无法保证修复质量[31-32]。高压水射流技术是利用高压水泵冲击混凝土,通过应力集中、水锤效应等作用产生层间开裂、结构分离等效果,可达到精准破碎的目的。相比传统的混凝土结构破碎方式,高压水射流技术绿色环保、精度高、效率高且危害性小。

高压水射流破碎功能的相关研究起源于煤岩开采,Erdmann-Jesnitzer 等[33]基于试验提出脉冲射流的冲蚀深度和速度明显优于连续射流。Rehbinder[34]研究了脉冲射流的频率对冲蚀速度及冲蚀深度的影响规律,提出100 Hz 冲蚀频率下的破碎效果最显著。Hloch 等[35]通过试验提出了不同速率、喷嘴直径下脉动水射流切割不锈钢样品的显微硬度。Dehkhoda 等[36]利用花岗岩进行试验,建立脉冲水射流模型,提出内部疲劳损伤、受冲击部位的拉伸裂纹与空腔的作用机理。Liu 等[37]研究了间断式脉冲水射流冲击花岗岩的应力波传播路径,提出岩石的宏观破裂和固定深度侵蚀孔作用机理。Xue 等[38]采用计算机断层扫描(CT)及数字图像处理法,结合煤岩受力场,提出射流动能的衰减导致竖直方向的损伤范围随之减小。Liu 等[39]采用ALE(任意拉格朗日-欧拉)算法对高压水射流破碎煤岩途径进行耦合,提出冲蚀速度与影响区煤岩孔隙发展呈正相关,即冲蚀速度越快,破碎范围越大。司鹄等[40]基于高压磨料射流破碎岩石模型,发现冲击破坏是岩石破碎的主要类型,局部作用效应使破碎途径呈现多个漏斗式交连深入。林晓东等[41]通过SPH(光滑粒子流体动力学)等算法模拟了高压磨料射流的破碎岩石流程,提出随着冲蚀深度的加大,岩石冲蚀坑的演变过程依次呈现“漏斗状—V 形剖面—圆形截面组成的子弹体”3 个阶段,远离冲蚀受力中心的部位损伤急剧降低,验证了高压磨料射流的破碎范围精准,对外界环境影响小。杜晓琳[42]研究发现高压纯水射流泵压超过325 MPa 方可破碎混凝土结构物。张娣[43]采用CT 法,研究高压纯水射流破碎混凝土结构物的损伤分布特征,提出可将破碎度作为混凝土破碎程度的表征指标。李坤元等[44]采用环氧固化体系配制透明混凝土,基于光滑粒子流体动力学原理,建立高压磨料水射流冲击均质混凝土与内蕴裂纹数值模型,揭示均质材料路面结构物内外部裂纹扩展特征及其力学机理。阮佳琪等[45]从高压纯水射流的旋转破碎方式方面评价了破坏混凝土的效率及其影响因素,发现喷嘴载体在横断面上的移动速度与破碎深度呈负相关,但与破碎效率呈正相关。

1.3 雕刻与切割

近年来,高压水射流亦被用于局部刷毛、喷砂打毛、盐酸腐蚀等,应用高压水射流凿毛处理普通混凝土逐渐得到推广。与传统凿毛技术相比,高压水射流基本无扬尘,且噪声低、可控性强,不影响深层及周边结构物,处理后的水泥混凝土表面洁净、湿润。近年来,高压纯水射流开始被应用于桥面待修补混凝土的凿毛。

雕刻功能与切割功能都是侧重于射流纵向的冲蚀作用,区别在于所需的冲蚀深度、泵压参数等。Taggart 等[46]使用高压水射流进行冬季路面除冰,研究了除冰切割深度与水射流参数间的关系,但其虽强调了水射流的切割功能,却仍直接采用高压水射流路面清洗车进行除冰,欠缺针对除冰目的的高压水射流设备改进与参数优化。切割功能目前在道路工程中的应用仅限于路表除冰,对于道路工程中特定深度的结构物切割的研究及应用尚属空白。张建国等[47]采用出口压力100 MPa 以上的高压水冲击混凝土表面砂浆层,并推荐了适用于混凝土拉毛的设备参数:水射流工作压力100～135 MPa,射距5～10 cm,流量30～50 L/min,主机功率120 kW。陈俊[48]针对掺钢纤维的高性能水泥混凝土的修补问题,尝试采用高压水射流(水刀)进行凿毛,推荐刀头喷嘴的行走速率为1 200 mm/min、射流压力为270 MPa、行走间距2.2 mm,凿毛效率6 m/h,经验证高压水射流的凿毛效果佳,不扰动深层结构及其中的钢纤维,建议增大喷嘴直径及行走间距以提高效率。胡鑫等[49]在漳河特大桥混凝土桥面应用了高压水射流的切割功能,提出射流压力、射流流量均与冲蚀强度的增幅呈负相关。王龙飞等[50]结合济青高速改扩建工程,阐述了高压水射流清除混凝土技术的施工组织及工艺要点,验证了其破除效率是传统混凝土破除技术的10～15 倍。庄欠伟等[51]基于数值模拟与仿真,提出采用磨料水射流与刀具组联合切割可改善刀具组切割C55 混凝土时的钢筋缠绕刀具等现状,大幅度降低刀组磨损率。

2 高压水射流技术应用在道路工程中的技术限制

2.1 具有破碎功能的高压水射流受力复杂

高压水射流作用下混凝土的破碎时间为微秒级,单一学科难以分析出动态破碎过程中流体-固体的碰撞动力耦合以及坑洞与裂缝的非线性扩展规律。现有技术如CT、断层成像等可揭示混凝土破碎后的结构裂缝扩展程度及损伤终极形态,焦散线与光弹性法等可记录冲击瞬间混凝土的结构表层动态损伤过程,但因混凝土结构不透明、非均质,其表面至内部的裂缝冲蚀、贯通过程难以直观表达,且数值模拟涉及的参数过于复杂,现有分析软件将非均质结构简化为单一介质结构,与混凝土实际损伤过程吻合度不高。目前,有关高压水射流对混凝土破碎的研究多采用透明质环氧树脂脆性材料及高速摄像法,构建高压水射流冲击其破碎区演化及裂纹扩展检测系统,但由于环氧树脂的结构仍为均质,故难以完全模拟混凝土实际的破损途径。鉴于此,混凝土受瞬时高压水射流冲蚀的内部受力分析存在以下问题:①高压水射流作用下的非均质混凝土破碎规律不明朗;②混凝土结构内部不透明,难以直观展示破碎过程中的裂缝扩展情况;③非均质、非透明的混凝土在高压水射流作用下的破碎机理有待研究;④磨料高压水射流已被试用于混凝土的结构破碎,但其破碎机理仍有待明确。

2.2 具有雕刻或切割功能的高压水射流技术的可控性有待提高

对于冲蚀深度及冲蚀宽度的控制,是道路工程中使用高压水射流技术进行雕刻与切割时的关键点。不同结构物的雕刻与切割对冲蚀深度和冲蚀宽度的要求各不相同,但冲蚀宽度范围内冲蚀深度的一致性应得到严格控制。依据行业规范,雕刻功能如刻槽、凿毛等应具备不同的冲蚀宽度。将高压水射流应用于道路工程的结构物切割时,首先应明确是需要就地切割还是工厂化切割。就地切割应注意以下几点:①保证动力的持续性供应;②明确不同切割深度对应的设备参数及工艺;③明确切割深度与设备各参数间的影响因素,建立切割深度与高压水射流设备参数间的函数关系,以便实现调整设备参数即可切割不同深度的结构物;④明确高压水射流设备的哪些参数影响冲蚀宽度,推荐雕刻、切割功能所需的设备参数合理范围。工厂化切割与雕刻应注意以下几点:①保证大面积结构物在运输与作业过程中的无损;②明确高压水射流作用后复位时采用哪种措施恢复整体结构物的完整性与耐久性。现有高压水射流设备未专门针对道路工程的特定结构物进行设备参数调整,相关研究多为水泥混凝土路面的高压水射流凿毛设备的参数分析,对于上述道路工程中高压水射流的切割、雕刻功能的冲蚀深度、冲蚀宽度与冲蚀均匀性的研究尚属空白,道路工程用高压水射流的雕刻、切割控制技术尚在起步阶段。

2.3 高压水射流设备研究欠缺

高效、稳定、成熟的高压水射流装置是其在道路工程中实现清洗、雕刻或切割等功能的核心。只要高压水射流装置能实现不同的冲蚀深度与冲蚀宽度并保证冲蚀均匀性,便可将其在精密机械、军工等领域的经验在道路工程中进行探索性应用,道路工程中高压水射流技术存在的缺陷终将得到弥补。然而,道路工程领域对于高压射流技术的运用多局限于清洗功能。截至目前,市面上应用较为成熟的是基于高压纯水射流的道路清洗车与标线清洗车,个别厂家采用高压磨料水射流技术进行桥面联结层的凿毛处治,但因现有装置配备的泵压及动力装置有限,效率较低,应用受限。对于道路工程用高压水射流设备,相关人员应依据适用范围,结合室内试验及现场调试,进行装置增压、动力持续性、工程效率提升等方面的研究。

2.4 高压水射流技术适应性及安全性的研究不足

传统高压水射流技术采用的冲蚀介质为水,因而在内陆、水资源匮乏地区的应用受到较大限制。建议根据实际需要,采用能溶蚀覆盖层但不溶蚀结构层的清洗液代替水,拓展高压水射流技术的适用范围。此外,高压水射流装置就地作用时,普遍采用柴油作为动力源,在大范围应用时,容易造成环境污染,与“碳达峰、碳中和”的目标相悖,建议大力推广清洁型能源如电能等作为冲蚀动力。

使用高压水射流技术进行破碎、雕刻及切割需要较大的冲击压强,对操作人员的安全存在一定的威胁。因此,需开展全过程全智能化施工设备及工艺研究,或将结构物切割、运输并进行工厂化预制作业,保障操作人员的安全。

3 高压水射流技术在道路工程中的应用展望

3.1 旧水泥混凝土的就地破碎与切割

旧水泥混凝土养护多采用机械破碎法,存在以下不足:采用多锤头或单锤头破碎时水泥混凝土板内易横向分层[50];振动破碎工艺及设备使用较少,经验不足;采用汽锤破碎时波及范围广,影响两侧路面与交通;切割机的切割深度大,锯片大,能耗高。因此,现行旧水泥混凝土的养护急需一种对周边结构物无影响、效率高、能耗低、适用范围精准的新工艺。截至目前,高压水射流技术的破碎功能在旧桥墩拆除方面、切割功能在桥面凿毛方面均有初步尝试应用,但在破碎路面结构物方面的应用尚属空白。高压水射流技术具有作用范围精准、能耗低等优势,是实现破碎路面结构物这一目标的新方向,其就地破碎、切割旧水泥混凝土的核心在于目标作用深度的实现以及作用的均匀性,以实现旧水泥混凝土的高效就地破碎或原位切割,并将旧料进行工厂化预制再生、补强。建议针对脉冲射流开展破碎功能的研究,针对高压磨料水射流开展切割功能的研究。

3.2 隧道沥青路面的雕洗工艺

安全与绿色是交通领域的长期发展目标,也是高速公路运营与养护的重点方向。隧道具有湿度大、空气流动缓慢等特点,灰尘和尾气中油污的混合物长期积聚,紧密胶附于沥青路面的纹理空隙,致使构造深度持续衰减,遇货车刹车水时路表湿滑,易致车辆侧翻。传统人工处治方法效率极低、油污尘垢难清洗,操作人员人身安全难保障,而雕洗工艺采用高压纯水射流技术,可有效清除隧道沥青路面上的油污和灰尘混合物,恢复路面构造深度,提高摩擦系数。该方向的重点在于改进高压纯水射流的设备与工艺参数,以达到提高防滑功能且不损伤原路面微观结构的目的。

4 结语

高压水射流技术因具有精度高、无污染、能耗低、影响范围小等优势,受到了研究人员的广泛关注,但其在道路工程中的应用有限,主要涉及道路标线清洗、桥梁水泥混凝土雕刻、隧道沥青路面雕刻与清洗等领域。本文对高压水射流技术在道路工程中的应用状况与发展前景总结如下:

(1) 按照使用功能划分,道路工程中可使用高压水射流进行清洗、破碎、雕刻与切割等,且依据实际工程需要,高压水射流可实现多种功能的交叉。截至目前,具有清洗与雕刻功能的隧道沥青路面雕洗技术已有初步成效,有助于提升路面抗滑性能。

(2)按照射流形态划分,道路工程中可采用高压纯水射流、高压磨料水射流及脉冲射流。其中高压纯水射流宜用于道路结构物的清洗及雕刻,高压纯水射流、高压磨料水射流宜用于道路结构物的切割与雕刻,脉冲射流、高压磨料水射流宜用于道路结构物的破碎。

(3) 现有的高压水射流技术在道路工程中的应用研究存在理论建模复杂、开裂过程难以探测、目标应用范围狭窄、设备可控性有待提高等问题,致使其在道路工程中的大范围应用局限于清洗功能,且高压射流设备应用于道路工程的安全性、在各类型气候地理条件下的适用性及其动力源类型等仍有待深入研究。

(4) 清洗与雕刻功能复合的隧道沥青路面雕洗工艺、切割与破碎功能复合的旧水泥混凝土路面的预制复位养护技术作为新方向,绿色、便捷、安全,符合“碳中和、碳达峰”的目标,将是道路工程养护领域的重大革新,具有非常广阔的应用前景。