早期混凝土高壓水射流沖毛角度試驗(yàn)研究

張建國(guó)，焦衛(wèi)寧，馬俊斌，閆高文

（中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065）

混凝土結(jié)合面鑿毛是分段澆筑混凝土或新舊混凝土體接合的必要工藝，廣泛應(yīng)用于公路和橋梁工程施工中。目前混凝土結(jié)合面常用鑿毛方式有人工鑿毛、機(jī)械鑿毛、拉毛（劃毛）等。采用人工鑿毛費(fèi)時(shí)費(fèi)力且鑿毛面的均勻性較差，鑿毛效果難以控制；機(jī)械鑿毛雖然工作效率有很大提高，但是會(huì)產(chǎn)生較大的噪音和振動(dòng)，危害工人的身體健康，并且機(jī)械鑿毛后混凝土內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)許多微裂縫，影響接縫連接強(qiáng)度；而拉毛施工對(duì)混凝土強(qiáng)度要求很高，一般在混凝土終凝前進(jìn)行，不僅適用范圍有限，而且由于拉毛時(shí)混凝土強(qiáng)度較低，極易對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷。綜上所述，目前常用鑿毛方法還存在著許多弊端。

近年來(lái)，混凝土高壓水射流鑿毛（簡(jiǎn)稱沖毛）正被逐漸推廣使用，其可以有效避免上述鑿毛方式存在的諸多問(wèn)題。此外，使用該法處理老混凝土表面，不擾動(dòng)周圍保留的混凝土，同時(shí)混凝土表面干凈濕潤(rùn)，利于新老混凝土更好結(jié)合，即使在有鋼筋的情況下，不但不會(huì)損壞鋼筋且能為鋼筋除銹，因此非常適合混凝土結(jié)合面的鑿毛作業(yè)［1］。而高壓水射流鑿毛的沖擊角簡(jiǎn)稱沖毛角度，是指噴頭的軸線與被清洗平面之間的夾角，其作為沖毛施工的重要工藝參數(shù)之一，對(duì)于能否高效有力處理混凝土結(jié)合面起著至關(guān)重要的作用。但是，通過(guò)查閱相關(guān)論文發(fā)現(xiàn)［2-6］，現(xiàn)有的研究成果在給定混凝土沖毛角度合理取值時(shí)，推薦的多是工程經(jīng)驗(yàn)值，而且給定的沖毛角度取值范圍也各不相同，多集中在30°～60°之間，并且對(duì)于早期混凝土的研究尚未涉及，由此可見(jiàn)，對(duì)于混凝土沖毛角度的研究還存在許多不足。為此，本文通過(guò)試驗(yàn)研究了不同沖毛角度對(duì)早期混凝土的破壞效果，為混凝土高壓水射流鑿毛技術(shù)的應(yīng)用及推廣提供更好的借鑒。

1 高壓水射流鑿毛作用原理

高壓水射流鑿毛是利用高壓水槍對(duì)新老混凝土結(jié)合面進(jìn)行粗糙化處理，其基本原理［7］是：采用高壓水泵提升水流的壓力，經(jīng)高壓管道輸送到達(dá)噴嘴，特殊設(shè)計(jì)的噴嘴則把高壓低流速的水流轉(zhuǎn)化成低壓高流速的射流，利用水射流的沖擊作用使得新老混凝土結(jié)合面的表層產(chǎn)生裂紋，并在后續(xù)射流的作用下迅速擴(kuò)散、延伸、交匯，使表層混凝土從主體結(jié)構(gòu)上壁剝離下來(lái)，并顯露出粗骨料，形成凹凸不平的新老混凝土結(jié)合面，以提升結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度，達(dá)到鑿毛處理的目的。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究高壓水射流沖擊角度與早期混凝土結(jié)合面破壞程度的關(guān)系，可通過(guò)測(cè)量沖毛后混凝土結(jié)合面的粗糙度反映不同沖毛角度的破壞效果，并且現(xiàn)有的研究成果表明，沖毛面粗糙度的增加有助于提高新老混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度［8-9］。本試驗(yàn)沖毛設(shè)備采用額定壓力為50MPa高壓射流沖毛機(jī)，其噴嘴類型為扇形噴嘴。

試驗(yàn)采用尺寸150mm×150mm×75mm的C50混凝土沖毛試塊，全部試塊均為同一批澆筑，且自然條件下養(yǎng)生2天。試驗(yàn)中嚴(yán)格控制沖毛施工參數(shù)，保持沖毛機(jī)噴射壓力為40MPa，沖毛持續(xù)時(shí)間為90s，噴頭沿其軸線距離混凝土試塊表面10cm。設(shè)置沖毛角度分別為30°、40°、50°、60°、70°、80°的6個(gè)試驗(yàn)組，每組設(shè)置3個(gè)試塊，共計(jì)18個(gè)試塊進(jìn)行沖毛試驗(yàn)，沖毛后測(cè)量記錄各試塊的粗糙度。

試驗(yàn)選用混凝土的拌和材料為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、粒徑0～4.75mm的機(jī)制砂、5～20mm的石灰?guī)r級(jí)配碎石、RX-1-320型聚羧酸減水劑、Ⅰ級(jí)粉煤灰等，具體配合比可見(jiàn)表1。

表1 C50普通混凝土配合比（單位：kg/m3）

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

試驗(yàn)時(shí)人工手持噴槍，對(duì)混凝土試塊表面均勻噴射沖毛，保證沖毛過(guò)程中噴射角度和距離基本不變，并配備專門計(jì)時(shí)人員，確保各試塊沖毛時(shí)間一致。待已沖毛混凝土試塊表面干燥后，采用鋪砂法測(cè)量試塊沖毛面粗糙度，計(jì)算公式如下

式中 h——試塊沖毛面粗糙度；

M——攤平?jīng)_毛面所需最少標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量；

ρ——標(biāo)準(zhǔn)砂密度；

S——試塊橫截面面積。

沖毛過(guò)程中，高壓水射流沿預(yù)定角度打擊在混凝土試塊表面后，混凝土表面的水泥乳皮及細(xì)集料被沖散，混凝土粗骨料基本保持原狀，不發(fā)生破壞。射流后絕大部分水流沿著混凝土表面發(fā)散射出，只有小部分水流產(chǎn)生飛濺，并且摻雜著砂礫。隨著試驗(yàn)沖毛角度的增大，水流及砂礫飛濺現(xiàn)象更加明顯。

試塊沖毛后的效果如圖1所示，每列為1個(gè)試驗(yàn)組，由左到右分別為30°、40°、50°、60°、70°、80°的6個(gè)試驗(yàn)組的沖毛效果。由圖可以很明顯看出，隨著沖毛角度的加大，混凝土試塊表面的水泥浮皮及細(xì)集料沖散程度不斷加深，粗骨料裸露面積不斷加大，水流沖擊所造成的試塊表面凹凸度不斷加深。

圖1 各試驗(yàn)組沖毛效果圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用高壓水射流不同沖毛角度處理混凝土試塊后，測(cè)得混凝土結(jié)合面的粗糙度如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制各試驗(yàn)組的平均粗糙度與沖毛角度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

由表2及圖2可以得出，隨著沖毛角度的不斷增大，被沖毛混凝土試塊表面粗糙度也隨之增大。30°到40°粗糙度增加了0.429mm，40°到50°增加了0.324mm，50°到60°增加了0.127mm，60°到70°增加了0.089mm，70°到80°增加了0.060mm?？梢缘贸?，從30°至50°，混凝土沖毛面粗糙度增長(zhǎng)幅度較大，50°至80°粗糙度增長(zhǎng)幅度較小?？傮w而言，隨著角度的增大，粗糙度增長(zhǎng)幅度不斷減小。根據(jù)上述研究規(guī)律可以得出最佳沖毛角度為90°，但考慮到人工沖毛時(shí)角度增大會(huì)引起較大水流及砂礫飛濺，因此推薦沖毛角度為50°～60°。

表2 不同沖毛角度混凝土面的粗糙度

圖2 平均粗糙度與沖毛角度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)早期混凝土高壓水射流沖毛角度的試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）采用高壓水射流處理早期混凝土結(jié)合面的破壞形式為混凝土表面水泥乳皮及細(xì)集料（即水泥砂漿層）被沖擊破碎，粗骨料基本不受破壞。其主要原因?yàn)樵缙诨炷笼g期較短，水泥水化作用尚未完全，導(dǎo)致水泥砂漿強(qiáng)度較小，在水射流沖擊下容易發(fā)生開裂破損，而粗骨料采用石灰?guī)r，自身強(qiáng)度很高，不易發(fā)生破壞。

（2）根據(jù)對(duì)混凝土不同沖毛角度的試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律分析，可得早期混凝土結(jié)合面的粗糙度隨著沖毛角度的增大而增大，但增長(zhǎng)幅度逐漸趨于平緩。從高壓水射流鑿毛效率上考慮，最佳沖毛角度為90°。

（3）采用人工沖毛時(shí)，沖毛角度過(guò)大會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的砂礫及水流飛濺現(xiàn)象，不僅會(huì)干擾操作人員的施工作業(yè)，而且對(duì)其自身安全也構(gòu)成一定威脅。綜合考慮混凝土不同沖毛角度的沖毛效率，推薦人工沖毛角度為50°～60°。