磨料水铣混凝土工艺规律分析.pdf

MA I N T E N A N C E C O N S T R U C T I O N A N D MA C H I N E R Y I 爵匾厦圄国圈圈 文章编号 ： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 6 1 - 0 3 磨料水铣混凝土工艺规律分析 杨 林 ， 张 小俊 ， 庞 稳 ( 重庆交通大学 交通运输学 院， 重庆4 0 0 0 7 4 ) 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 ： U4 1 8 6 文献标 志码 ： B An a l y s i s o f Co n c r e t e M i l l i n g wi t h Ab r a s i v e W a t e r J e t YANG I i n，Z HANG Xi a o j u n，PANG We n ( S c h o o l o f Tr a n s p o r t a t i o n，Ch o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 7 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：A i m e d a t t he s h o r t c o m i ngs of t r a d i t i on a l c o nc r e t e br e a ki ng t e c hno l o gy，t h e t e c hno l o gy o f c o n c r e t e mi l l i n g wi t h a b r a s i v e wa t e r j e t wa s p r e s e n t e d Fr o m t h e p o i n t o f v i e w o f e n e r g y，t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e mi l l i n g d e p t h a n d t e c h n o l o g i c a l p a r a me t e r s s u c h a s j e t t i n g p r e s s u r e ， br e a ki n g s pe e d， a b r a s i ve a mou nt a n d p a r t i c l e s i z e wa s e s t a bl i s he d， a nd t he i m p a c t o f t e c h n o l o g i c a l p a r a me t e r s o n t h e mi l l i n g d e p t h o f a b r a s i v e wa t e r j e t wa s a n a l y z e d，wh i c h h e l p s t o p o p u l a r i z e t h e t e c h n o l o g y o f c o n c r e t e mi l l i n g wi t h a b r a s i v e wa t e r j e t Ke y wo r d s ：p a v e me n t r e p a i r ；c o n c r e t e mi l l i n g wi t h a b r a s i v e wa t e r j e t ；mi l l i n g d e p t h；a b r a s i v e w at er e t U 5I 吾 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 1 O MP a 之 间 ， 远不满足 混凝土水 铣设 备的超 高压 要求 ( 大 于 2 0 0 MP a ) ， 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_ 】 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 2 O 5 0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 。 本文 将首 先对 磨料 水射 流破 碎混 凝土 的过 程进 行理 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 1 l 1 3 基金项 目： 交通应用基础研究项 目( 2 O l 1 3 1 9 - 8 1 4 4 7 0 ) 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 。 l 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 ， 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 1 E 一 _ 去 I 尼 W V ( 1 ) 厶 式 中 ： w 为 磨料 供 给 量 ( k g mi n ) ； V 为 磨 料 的 流速 ( ram rai n ) ； 是 1 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 V 一 ( 2) 61 M AI NTENANCE CoNS TRUCT1 0N AND M ACHI NERY 式 中 ： P 为 喷 射 压 力 ( MP a ) ； r 为 水 介 质 的 重 度 ( N c m ) ； g为重力 加速 度 ( N S ) 。 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一 V w ( 。) 1 I d p w Q 式 中 ： Q为喷 射流 量 ( mm。 rai n ) ； p 为 水 介质 的 密度 ( g mm ) 。 将式 ( 2 ) 、 ( 3 ) 代 人 式 ( 1 ) ， 得 到 磨 料 所 具有 的动 能为 是 gP E 一 商 ( + ) 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 W 一 是。 d ( 5 ) 式 中 ： 志 。为系数 ； r 为磨 料 的密 度 ( g mm ) ； 口为 与磨料形状有关的系数 ； d为磨料的直径 ； 口为速度 指 数 。 混凝 土 的体积 能 E 为 E 一 v 一 一譬 。 d 。 ( 6 ) E E 式 中 ： 为混凝 土单 位 体 积 能 ( J mm ) ； 为 切 除体 积 ( mm。 ) ； A 为 常 数 ； 为 材 料 的抗 压 强 度 ( MP a ) ； E为混 凝土 的弹性 模 量 ( MP a ) ； h为破 碎 深 度 ( ram) ； V 。为 喷 头 的 移 动 速 度 ( mm s ) ； d 。为 喷头 的直径 ( ram) 。 当磨料的能量 E 大于等于混凝土的体积能 E 时 ， 混 凝土才 能被 切 除 ， 即 是 P E 一 商 + W o 一 ( ) 警 。 Ec 一 警 一 ( 7) 经整理得到破碎体积为 一 攀-1 -a (8) A l。 ；(1 十 ) 。 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 6 2 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 rai n ， 最 大 压力 为 1 0 0 MP a ， 混 砂管直径 d 为 0 8 mm， 混砂管长度 为 7 6 mm。 试 验试 件 为 C 4 0混 凝 土 ( 1 O 0 mm 1 O 0 mm 1 O 0 mm， 抗压 强度 4 0 MP a ) 。 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 、 喷射 压力 P、 喷射 流 量 Q 和 水铣 速 度 V。 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 椿 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 。 M AI NTENANCE CoNS TRUCTI oN AND M ACHI NERy 量 逃 被 崔 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 。 垂 送 诂 髫 图 3靶 距 与破 砰 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 。 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 鲁 诂 镬 图 4磨 料 流 量 与 破 碎 深 度 的 关 系 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 昆 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 ， 2 0 1 0 ( 2 7 ) ： 4 2 4 3 2 言 明晨 浅谈 我 国路 桥工 程管 理及 成本 控制 E J 3 价值 工程 2 0l 1( 3 0 )： 3 7 - 3 8 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E J 3 筑路机械与施工机械化 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 3 ) ： 5 3 5 5 4 杨林 ， 彭 中波 ， 杜子学 磨料水射 流切割质量 的参数化模 型 E J 3 机械科学与技术 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 7 ) ： 8 6 9 8 7 1 5 余寿文 ， 冯西桥 损伤力学E M 北京： 清华大学 出版社 ， 1 9 9 7 责任编辑 ： 杜敏浩 6 3 加 ：会 如