超高壓水力破拆混凝土數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)研究

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523419）

一、引言

混凝土廣泛應(yīng)用于土木、水利、運(yùn)輸和采礦等工程中，因混凝土同時(shí)受到內(nèi)外應(yīng)力而損傷，影響正常使用。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)破損混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)方式主要采用沖擊器、多錘頭、破碎機(jī)、液壓分裂等傳統(tǒng)機(jī)械方式進(jìn)行完全破拆，再重新澆筑修復(fù)，易造成二次破壞，且勞動(dòng)強(qiáng)度高、粉塵多、噪聲大、工效低。

以美國(guó)、瑞典為代表的西方國(guó)家從上世紀(jì)80年代不斷將超高壓水射流技術(shù)發(fā)展，研制出道路表面水力破拆機(jī)，與傳統(tǒng)破拆方式相比具有：（1）效率高：相對(duì)傳統(tǒng)破拆方式，水力破拆效率提高了25～50倍，在降低勞動(dòng)力使用成本時(shí)保證工程的進(jìn)展。（2）選擇性清除：傳統(tǒng)機(jī)械破拆混凝土采用應(yīng)力傳遞、通透破拆的工藝，水力破拆是由于高壓水流噴射到孔隙穿透混凝土，激活、加劇破損混凝土結(jié)構(gòu)中存在的微裂縫，并形成內(nèi)部超壓，當(dāng)產(chǎn)生的壓力達(dá)到混凝土破碎極限強(qiáng)度時(shí)剝落混凝土，水力破拆可有選擇地清除路面破損部分或分層被清除，而留下密實(shí)部分。（3）破拆表面質(zhì)量高：水力破拆屬高能、冷態(tài)，只清除破損混凝土；傳統(tǒng)機(jī)械方式在拆除破損混凝土?xí)r產(chǎn)生巨大振動(dòng)，易對(duì)完好混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷，水力破拆后的粗糙不勻表面能為重新澆筑混凝土提供更好的結(jié)合面。（4）經(jīng)濟(jì)效益好：水力破拆以水為工具，作業(yè)中粉塵少、噪音低、振動(dòng)小，且只拆除破損混凝土，對(duì)鋼筋網(wǎng)及良好混凝土無損害，可大大降低修復(fù)成本。

國(guó)內(nèi)在應(yīng)用水力破拆混凝土結(jié)構(gòu)尚處于起步階段。周丹等[1]論述了水力破拆混凝土的設(shè)備及優(yōu)勢(shì)；申?duì)D等[2]通過ANSYS建模分析，驗(yàn)證了水力破拆混凝土的可行性并得到了水力拆混凝土所需的泵壓；尹燦等[3]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值矩陣和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)值向量分布式建立了超高壓水射流沖蝕破拆體積與射流壓力、圍壓和噴距之間的數(shù)學(xué)模型；李萬莉等[4]以細(xì)觀損傷力學(xué)理論對(duì)水力沖擊下混凝土路面碎裂微結(jié)構(gòu)損傷情況建模，并得到不同壓力、速度射流沖擊到混凝土表面產(chǎn)生的VonMises等效應(yīng)力；重慶大學(xué)的盧義玉等[5]得到水射流動(dòng)力泵的壓力與所能沖蝕深度間成正比，噴嘴與目標(biāo)間存在一個(gè)最優(yōu)距離。

本文從能量角度對(duì)水力破拆混凝土結(jié)構(gòu)過程進(jìn)行理論分析，建立了混凝土表面水力與泵壓參數(shù)間的關(guān)系，并以實(shí)驗(yàn)為主，探究水力破拆參數(shù)與實(shí)際破拆效果間的關(guān)系。

二、超高壓水力破拆混凝土

（一）理論分析

水力破拆混凝土過程中，超高壓水是連續(xù)射流，噴嘴內(nèi)外的壓力、流速均不同，忽略噴嘴出口截面的高度差[4]，根據(jù)伯努利方程：

式中：—噴嘴內(nèi)外壓力

—噴嘴內(nèi)外平均流速，

、—噴嘴內(nèi)外射流密度

如式（2）應(yīng)用流體連續(xù)方程（噴嘴出口內(nèi)外兩點(diǎn)[2]）。假定噴嘴出口為圓柱形，則且d為噴嘴截面直徑，為噴嘴內(nèi)外截面面積

由式（1）和流體連續(xù)方程（2）可得：

流量等于出口截面積乘以出口射流速度，則與、間關(guān)系[6]，如式（5）：

噴嘴出口處水射流沖擊力為，對(duì)噴嘴出口內(nèi)外兩點(diǎn)應(yīng)用動(dòng)量定理[2]，如式（6）：

因噴嘴與混凝土工件間距離相對(duì)較小，噴嘴出口處水射流沖擊力即可視為水射流對(duì)混凝土表面的沖擊力，因經(jīng)推導(dǎo)，如式（7）：

由于噴嘴的直徑相對(duì)于建立的混凝土模型較小，水力沖擊破拆區(qū)域的半徑變化可以忽略。因此混凝土表面受到水射流沖擊作用的壓力為混凝土表面受到高壓水沖擊的表面積），推導(dǎo)出高壓泵的輸出壓力與混凝土表面受到水射流沖擊作用的壓力的關(guān)系為：

以破拆體積作水射流破拆效果評(píng)判指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)選定的噴嘴內(nèi)徑為0.3mm，通過公式(9)計(jì)算混凝土表面受到水射流沖擊作用壓力對(duì)應(yīng)的高壓泵輸出的水壓。通過改變高壓泵的輸出水壓，不同壓力的高壓水沖擊混凝土表面時(shí)，產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力及破拆深度如表1所示。

表1 泵壓與破拆深度

（二）實(shí)驗(yàn)研究

1.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及過程

實(shí)驗(yàn)中混凝土模型標(biāo)號(hào)為C40，其最大抗拉極限為40MPa。由表1知，當(dāng)水射流壓力超過350MPa時(shí)，混凝土出現(xiàn)壓裂破壞，故水力破拆所需泵壓存在一個(gè)門限值。隨著水射流壓力的增加，受沖擊表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力變大，破拆區(qū)域隨之增加，而當(dāng)壓力超過某一限度后，其增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩。因此泵壓是影響破拆效率的關(guān)鍵參數(shù)。而在泵壓與破拆深度的關(guān)系分析可以看出，混凝土破拆深度增長(zhǎng)趨勢(shì)呈快慢交替。這是由于混凝土的損傷是一個(gè)能量耗散的過程，高壓水射流沖擊破拆時(shí)，混凝土內(nèi)部能量的積蓄和釋放、由細(xì)觀裂紋到宏觀裂紋的形成是一個(gè)能量積累變化的過程，這就決定破拆區(qū)域深度的增加為非勻速狀態(tài)。

水力破拆實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1，通過研究超高壓水射流作用下，各水力破拆參數(shù)與破拆效果間的關(guān)系，進(jìn)而驗(yàn)證水力破拆機(jī)理正確性及水力破拆裝備

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)所選用的混凝土水力破拆器型號(hào)為6600-2UHP，其采用一個(gè)32HP的柴油機(jī)為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動(dòng)力，技術(shù)參數(shù)為輸出流量：0～160L/min，壓力：0～200MPa，噴頭選用BN18-40-L6噴頭，其最大工作壓力為280MPa，最大流量為150L/min，噴頭內(nèi)徑為0.3mm。

實(shí)驗(yàn)采用齡期為3個(gè)月的標(biāo)準(zhǔn)C40混凝土試件，尺寸為2000mm×600mm×400mm，其理論抗拉強(qiáng)度為40MPa。在水力破拆實(shí)驗(yàn)中，主要研究水力破拆參數(shù)（壓力、流量、噴頭橫移速度、進(jìn)給速度等）與混凝土破拆效果間的關(guān)系。由于水力破拆過程中環(huán)境、檢測(cè)條件等復(fù)雜因素的影響，采用混凝土被移除的體積作為混凝土水力破拆效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來衡量不同破拆參數(shù)下水力破拆裝備的破拆能力。

采用灌砂法評(píng)測(cè)水力破拆效果。原理為在混凝土試塊的四周圍上隔離板，隔離板頂面與射流沖擊面最高點(diǎn)相平齊平，并填充細(xì)沙。隨后將抹平隔離板頂面，將粘結(jié)面上的細(xì)沙倒入量筒中，通過細(xì)沙的體積，定量描述水力破拆裝備的破拆效果。

影響水力破拆效果的參數(shù)主要有泵壓、移動(dòng)速度、噴嘴進(jìn)給次數(shù)及噴嘴靶距。采用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以單一變量法進(jìn)行水力破拆實(shí)驗(yàn)，研究以上破拆參數(shù)與破拆效果間的關(guān)系。通過取樣，對(duì)不同的混凝土試件編號(hào)，進(jìn)行水力破拆實(shí)驗(yàn)，并通過灌砂法對(duì)水力破拆效果進(jìn)行定量分析，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）泵壓與破拆效果

壓力為水力破拆的前提條件，壓力的變化是影響水力破拆效果最主要因素。通過對(duì)水力破拆機(jī)理的理論分析可知，水力破拆所需泵壓的最小值為100MPa。其他破拆參數(shù)不變，通過改變泵壓大小，研究泵對(duì)破拆效果的影響。選用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為噴嘴內(nèi)徑0.3mm、噴嘴的橫移速度為2mm/s，流量100L/min。在進(jìn)行水力破拆實(shí)驗(yàn)中，所取的高壓泵壓力的變化范圍為100～280MPa，得到了泵壓與破拆深度的關(guān)系如表2所示。

表2 泵壓與破拆深度、破拆體積

通過表1和表2數(shù)據(jù)可知，水力破拆混凝土的泵壓存在一個(gè)門限值，當(dāng)水射流壓力超過門限壓力值后，混凝土的破拆體積隨著泵壓的增加而增加，當(dāng)壓力達(dá)成300MPa后，壓力增加對(duì)破拆體積的影響很小，因此在某一限度內(nèi)提高泵壓可以提高水力破拆能力。

（2）橫移速度與破拆

探究橫移速度與破拆深度的關(guān)系，選用的水力破拆參數(shù)為：泵壓200MPa，噴嘴直徑：0.3mm，流量100L/min，進(jìn)給次數(shù)1次。橫移速度選擇四組變量：2mm/s，4mm/s，8mm/s，16mm/s。通過水力破拆實(shí)驗(yàn)可得到橫移速度與破拆深度、破拆體積間的關(guān)系如表3。

表3 橫移速度與破拆深度、破拆體積關(guān)系

由數(shù)據(jù)知，其他參數(shù)不變，水力破拆裝備的破拆能力保持不變，橫移速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)的作用區(qū)域增加，但破拆深度下降。因此破拆深度與橫移速度之間基本成反比關(guān)系，但是無論提高還是降低噴嘴的橫移速度，都不能提高水力破拆裝備的破拆能力。

（3）噴嘴進(jìn)給次數(shù)

為探究噴嘴進(jìn)給次數(shù)對(duì)水力破拆深度的影響，選用水力破拆參數(shù)為：泵壓200MPa，噴嘴直徑：0.3mm，流量100L/min，噴嘴橫移速度2mm/s。噴嘴的進(jìn)給次數(shù)選擇四組變量：1次，2次，4次，6次。通過水力破拆實(shí)驗(yàn)可得到橫移速度與破拆深度、破拆體積之間的關(guān)系如表4所示。

表4 噴嘴進(jìn)給次數(shù)與破拆深度、破拆體積關(guān)系

（4）靶距

射流從噴嘴出口至混凝土表面的垂直距離為靶距。噴嘴直徑為0.254d/mm，給進(jìn)次數(shù)2，橫移速度2mm/s，泵壓250MPa。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5。

表5 靶距與破拆深度

隨著靶距的增加，破碎深度開始是增加的，而當(dāng)靶距增加到一定程度后，破碎深度反而隨著靶距的增加而大幅下降。原因有二：（1）若靶距太短，破拆效果被反射流沖擊減弱；（2）若靶距太長(zhǎng)，反射流影響較小，水射流存在一個(gè)密實(shí)核的區(qū)域，超過了最佳距離，在射流到達(dá)混凝土表面之前，沖擊能力就己經(jīng)大大降低了。故水射流靶距并非越小越好，存在一個(gè)最佳靶距s=9mm。

圖3 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)得到混凝土的水力破拆效果如圖3所示。通過觀察破拆過程及效果知：水力破拆具有噪聲小、粉塵少的優(yōu)點(diǎn)，破拆時(shí)振動(dòng)小，不易在破拆周圍產(chǎn)生新裂紋，對(duì)周圍混凝土結(jié)構(gòu)基本不會(huì)造成損害。實(shí)驗(yàn)研究表明損傷程度越嚴(yán)重的混凝土越容易破拆，去除材料體積越多。水力破拆試驗(yàn)后觀察試件，發(fā)現(xiàn)其沖擊區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)凹坑，在接近射流沖擊作用區(qū)域置破拆深度越深，反之較淺，這種現(xiàn)象證明了水力破拆機(jī)理的正確性。

四、小結(jié)

通過對(duì)泵壓、移動(dòng)速度、噴嘴進(jìn)給次數(shù)及噴嘴靶距與破拆效果間關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可知，泵壓對(duì)破拆效果的影響非常顯著，混凝土的水力破拆存在門限值，當(dāng)壓力超過門限值后，混凝土的破拆體積隨著泵壓的增加明顯升高，而當(dāng)泵壓達(dá)到某個(gè)限度后混凝土的水力破拆深度趨于平緩，故在某一限度內(nèi)提高泵壓可提高水力破拆能力；同時(shí)橫移速度、進(jìn)給次數(shù)、靶距對(duì)混凝土的破拆深度和破拆效果也存在影響，在其余水力破拆參數(shù)不變的情況下，橫移速度和噴嘴的進(jìn)給次數(shù)之間存在一個(gè)最優(yōu)化的組合使得破拆效率最高，可將水力破拆裝備的效率發(fā)揮至最大。

[1]周丹,王慶國(guó)等.混凝土結(jié)構(gòu)的水清拆一水射流在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用[J].清洗世界,2003(10)：31-34.

[2]申?duì)D.高壓水射流破碎水泥混凝土路面破碎機(jī)理研究[D].長(zhǎng)沙：理工大學(xué),2003.

[3]易燦,李根生,陳真.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高壓水射流沖蝕破碎預(yù)測(cè)模型的研究[J].石油鉆探技術(shù),2005(03)：6-9.

[4]李萬莉,徐寶富,申?duì)D.水射流破碎水泥路面的微結(jié)構(gòu)損傷模型及仿真[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2005(01)：42-46.

[5]盧義玉,瑪欣艷.高壓空化水射流破碎巖石的試驗(yàn)分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2006,29(12)：88-91.