裝配式橋梁高壓水射流鑿毛工藝應(yīng)用研究

張建國，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）

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)于橋梁施工質(zhì)量和施工效率提出了更高的要求。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆橋梁施工相比，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)通過構(gòu)件工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配進(jìn)行施工，可大大提高機(jī)械化操作水平，在提高質(zhì)量的同時(shí)加快施工進(jìn)度，減小對(duì)既有交通的干擾，且有利于環(huán)境保護(hù)。因此，裝配式橋梁特別是全裝配式橋梁已成為當(dāng)今橋梁建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前我國裝配式橋梁結(jié)構(gòu)形式主要為混凝土T梁和小箱梁，其主要施工工序?yàn)轭A(yù)制構(gòu)件、吊裝拼接與接縫處理。其中接縫處理一般需要先對(duì)翼緣板端部或墩頂梁端部老混凝土面進(jìn)行鑿毛處理，方可進(jìn)行混凝土澆筑連接。但根據(jù)目前裝配式混凝土橋梁病害調(diào)查[1-2]，其橋面板濕接縫的縱向開裂以及采用簡支轉(zhuǎn)連續(xù)施工方法的墩頂梁間連續(xù)處的豎向開裂問題仍然不少，其中部分是由于混凝土接縫處鑿毛面施工質(zhì)量差造成新舊混凝土結(jié)合面強(qiáng)度低導(dǎo)致，可見裝配式橋梁接縫鑿毛質(zhì)量控制對(duì)于減少橋梁裂縫、提高橋梁耐久性具有重要的意義。

現(xiàn)在混凝土常用的鑿毛方式有：人工鑿毛、機(jī)械鑿毛、拉毛等。其中，人工鑿毛費(fèi)時(shí)費(fèi)力且鑿毛面的均勻性差；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)度和耐久性；拉毛對(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。而高壓水射流鑿毛（簡稱沖毛）可以有效避免上述鑿毛方式存在的諸多問題。此外，使用該法處理老混凝土表面對(duì)周圍混凝土擾動(dòng)小，同時(shí)沖毛后混凝土表面干凈濕潤，易于新老混凝土更好結(jié)合，因此非常適合混凝土結(jié)合面的鑿毛作業(yè)[3]。

目前關(guān)于混凝土沖毛的研究較少，主要集中于沖毛施工參數(shù)以及沖毛后新舊混凝土結(jié)合面強(qiáng)度的研究。王洪木[4]分析了水壓力、沖毛角度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和齡期等因素對(duì)沖毛處理效果的影響；陶文科[5]介紹了高壓水射流基本參數(shù)計(jì)算公式及合理取值，包括壓力、射流功率、流速、靶距、打擊力、噴嘴擴(kuò)展直徑、入口角、擴(kuò)散角等；趙志方[6-8]采用高壓水射法對(duì)新老混凝土粘結(jié)面進(jìn)行沖毛處理，研究了粘結(jié)面的粗糙度、新混凝土的強(qiáng)度及其澆筑方式等對(duì)粘結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明粗糙度的增加可大大提高粘結(jié)強(qiáng)度，其對(duì)于粘結(jié)面強(qiáng)度起主要作用；陳仲堂[9]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了混凝土沖毛處理預(yù)測(cè)模型，并指出粗糙度為2～4mm時(shí)，新舊混凝土結(jié)合面強(qiáng)度即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

從現(xiàn)有的研究成果看，沖毛施工工藝體系化研究還存在不足，特別是沖毛質(zhì)量評(píng)定驗(yàn)收方面還有待優(yōu)化。本文通過在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，以209國道恩施龍譚段裝配式T梁施工為依托，對(duì)高壓水射流鑿毛施工進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，可為裝配式橋梁接縫沖毛施工提供借鑒。

圖1 高壓射流沖毛機(jī)

1 沖毛工藝原理

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[5]，其通過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，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 沖毛施工材料及設(shè)備

2.1 材料及要求

（1）沖毛用水。

進(jìn)行沖毛施工作業(yè)時(shí)，環(huán)境溫度應(yīng)不低于5℃，避免溫度過低引起冰凍，造成混凝土凍脹開裂。此外，沖毛所用水溫與環(huán)境溫度相差不超過15℃，防止由于溫差過大造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫。沖毛用水的水質(zhì)應(yīng)滿足混凝土拌和用水要求。

（2）高壓軟管。

與噴槍連接的高壓軟管應(yīng)預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備，其耐壓值約為高壓沖毛機(jī)額定壓力的1.5倍，且應(yīng)具備耐高溫、耐磨等性質(zhì)，耐久性良好。

（3）供水管。

施工場(chǎng)地由于條件限制，一般采用泵送水，故供水壓力較高。供水管需要具備一定的抗壓值，防止沖毛作業(yè)中出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。

（4）防護(hù)用具。

人工沖毛作業(yè)時(shí)，操作人員要穿著合適的防護(hù)服、防滑膠鞋以及戴防護(hù)眼鏡，避免因水流及砂礫飛濺傷人。

2.2 施工作業(yè)設(shè)備

用于混凝土沖毛施工的主要設(shè)備為高壓沖毛機(jī)，如圖1所示，其由高壓水泵、噴槍、凈水過濾裝置及相應(yīng)的水電管線、閥門等組成。輔助設(shè)備包括發(fā)電機(jī)、供水設(shè)備（水車或水箱）以及轉(zhuǎn)運(yùn)車輛。高壓水泵宜采用三相四線制交流電機(jī)，功率滿足正常工作要求，最大工作壓力不小于50MPa，且可根據(jù)需要調(diào)節(jié)壓力，工作流量不小于20L/min；發(fā)電設(shè)備輸出功率應(yīng)不小于沖毛機(jī)電機(jī)額定功率的1.5倍；供水設(shè)備（水車或水箱）的供水能力至少應(yīng)能保證沖毛機(jī)連續(xù)作業(yè)1h；轉(zhuǎn)運(yùn)車輛應(yīng)能保證全套設(shè)備快速、安全轉(zhuǎn)場(chǎng)?；炷翛_毛過程中采用的設(shè)備如表1所示。

表1 主要設(shè)備表

圖2 沖毛施工工藝流程圖

3 沖毛施工工藝

裝配式混凝土梁沖毛施工工藝流程如圖2所示。

3.1 預(yù)制梁拆模

裝配式混凝土預(yù)制梁脫模應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋼筋及混凝土棱角的保護(hù)，特別是翼緣板、橫隔板以及梁端部模板的拆除作業(yè)。盡量不采用重錘擊打松動(dòng)模板，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)情況，逐步對(duì)模板進(jìn)行松動(dòng)。然后順著預(yù)留鋼筋的方向緩慢移出，避免擾動(dòng)鋼筋或撞壞混凝土棱角對(duì)后續(xù)沖毛作業(yè)造成干擾。

預(yù)制梁一般采用C50普通硅酸鹽水泥混凝土，夏季拆模時(shí)間為8～10h左右，春秋季拆模時(shí)間為10～12h左右，冬季拆模時(shí)間為12～14h左右。為降低因沖毛工作壓力增大帶來的電能及水資源消耗，提高沖毛效率，拆模完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行沖毛施工。

3.2 施工前準(zhǔn)備

沖毛施工前應(yīng)做到如下步驟：

（1）沖毛工作前應(yīng)對(duì)待沖毛混凝土梁進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，可采用回彈儀進(jìn)行測(cè)量，也可對(duì)同期預(yù)留立方體試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。待沖毛混凝土梁初始強(qiáng)度不應(yīng)小于待沖毛混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的25%，以確保早期混凝土沖毛時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（2）根據(jù)場(chǎng)地條件，挖設(shè)集水明溝、集水井，將施工廢水回收利用，保持施工現(xiàn)場(chǎng)干凈整潔。不能利用的廢水應(yīng)經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放，不得直接排入農(nóng)田或自然水體。另外，按照批準(zhǔn)的接引方案，接通施工現(xiàn)場(chǎng)電源、水源，合理布置設(shè)備，做好管道防漏、電器防潮工作，避免施工中出現(xiàn)斷水、斷電問題。

（3）沖毛施工前清除沖毛作業(yè)面上的雜物，并合理規(guī)劃沖毛路線，盡量減少?zèng)_毛重疊面積。此外，應(yīng)對(duì)混凝土原有裂縫開展調(diào)查，詳細(xì)記錄原有裂縫數(shù)量、位置、形態(tài)。

（4）檢查供水供電是否正常，沖毛機(jī)能否正常工作，尤其注意壓力表及凈水裝置出水端是否出現(xiàn)異常。

3.3 試沖

對(duì)每片梁進(jìn)行正式?jīng)_毛施工前，都必須進(jìn)行試沖。通過試沖，驗(yàn)證、調(diào)整并最終確定施工作業(yè)技術(shù)參數(shù)。關(guān)于試沖有如下規(guī)定：

（1）試沖前，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前混凝土強(qiáng)度、設(shè)備性能、場(chǎng)地限制以及以往施工經(jīng)驗(yàn)，預(yù)設(shè)沖毛噴射壓強(qiáng)、單位面積沖毛持續(xù)時(shí)間等工藝參數(shù)。沖毛壓強(qiáng)與混凝土強(qiáng)度之比一般控制在2.0以上，且噴射強(qiáng)度應(yīng)確保將混凝土表面浮皮及部分細(xì)集料沖散，且不得將混凝土粗骨料沖散。沖毛角度最佳為90°，考慮到?jīng)_毛時(shí)水流及砂礫飛濺，推薦人工沖毛噴射角度為50°～60°，推薦沖毛噴射距離為5～10cm。

（2）試沖過程中，操作人員應(yīng)配備防護(hù)用具，且保證噴嘴行走速度勻速并保證沖毛噴射角度和距離基本不變， 并注意設(shè)備狀態(tài)是否良好，同時(shí)檢查被沖毛混凝土表面有無異常。試沖時(shí)間應(yīng)超過5min且試沖段面積應(yīng)不小于0.5m2。

（3）試沖結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)對(duì)沖毛效果進(jìn)行檢驗(yàn)。若沖毛效果檢驗(yàn)不合格，應(yīng)查找并分析原因，對(duì)沖毛施工參數(shù)進(jìn)行修正后重新進(jìn)行試沖。

（4）沖毛參數(shù)的確定應(yīng)滿足以下原則：確保一次沖毛效果滿足要求；噴嘴行走速度不宜大于人步行的速度；沖毛噴射角度、距離應(yīng)盡量選擇推薦噴射角度及距離；優(yōu)先確定沖毛噴射距離和角度，其次是沖毛噴射壓強(qiáng)，最后確定沖毛持續(xù)時(shí)間。

3.4 正式?jīng)_毛

通過試沖確定施工參數(shù)后，即可進(jìn)行正式?jīng)_毛。沖毛過程中應(yīng)注意：

（1）正式?jīng)_毛的施工參數(shù)應(yīng)與試沖合格的施工參數(shù)保持一致，不得隨意改變。

（2）沖毛過程中，應(yīng)保證噴嘴行走速度勻速，并保證沖毛噴射角度和距離基本不變。

（3）沖毛過程若發(fā)生中斷，在重新開始施工時(shí)應(yīng)注意前后沖毛段的搭接，保證沖毛質(zhì)量。

（4）沖毛過程中，應(yīng)采取必要的措施保證操作人員、設(shè)備的安全，正式?jīng)_毛結(jié)束后應(yīng)及時(shí)關(guān)閉沖毛設(shè)備開關(guān)。

3.5 沖毛質(zhì)量檢查評(píng)定

沖毛施工結(jié)束后，待混凝土沖毛面處于干燥狀態(tài)方可進(jìn)行沖毛效果檢查。沖毛效果檢查項(xiàng)目包括混凝土沖毛面粗糙度、粗顆粒暴露百分比?；炷翛_毛面粗糙度采用粗糙度檢測(cè)儀檢測(cè)；粗顆粒暴露百分比采用現(xiàn)場(chǎng)拍攝數(shù)碼照片，然后利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行圖像處理計(jì)算的方式檢測(cè)，如圖3所示。

對(duì)于沖毛效果抽檢要求如下：抽檢區(qū)應(yīng)均勻分布在沖毛工作面上，抽檢區(qū)不得少于3個(gè)；總體抽檢區(qū)的面積不得低于總體面積的10%；單個(gè)抽檢區(qū)面積不得低于0.1m2；對(duì)于沖毛效果檢查不合格的區(qū)域，分析原因后應(yīng)進(jìn)行復(fù)沖再檢查。

沖毛效果評(píng)價(jià)指標(biāo)以粗顆粒裸露百分比或混凝土沖毛面粗糙度為主，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：粗顆粒裸露百分比為抽檢區(qū)粗顆粒暴露面積比上單個(gè)抽檢區(qū)面積，粗顆粒裸露百分比不得低于50%；混凝土沖毛面粗糙度為攤平抽檢區(qū)所需最少的標(biāo)準(zhǔn)砂體積與抽檢區(qū)面積的比值，即沖毛處理面的平均構(gòu)造深度，如圖4所示，其應(yīng)大于2mm。

3.6 清理場(chǎng)地及設(shè)備

沖毛面質(zhì)量檢查驗(yàn)收通過后，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）及時(shí)關(guān)閉沖毛設(shè)備供水供電總閥門，并卸除噴槍內(nèi)殘存的水壓，避免殘壓傷人。將高壓沖毛機(jī)的高壓軟管及供電電纜盤曲收置于沖毛設(shè)備儲(chǔ)存箱內(nèi)，避免彎折受壓，以備下次使用。

（2）每次沖毛作業(yè)完成后，應(yīng)將沖毛設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至指定位置，并注意保養(yǎng)防護(hù)，避免直接暴露在日光及雨水下。

（3）由于混凝土沖毛作業(yè)會(huì)在施工場(chǎng)地產(chǎn)生一定的積水及砂礫，為避免其他施工人員因地面過滑摔倒，應(yīng)及時(shí)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行清理。

（4）如果長期不使用沖毛設(shè)備，應(yīng)排盡沖毛設(shè)備水箱內(nèi)的剩余水，并將高壓泵、濾水器及各管道內(nèi)存水排盡，避免生物滋生堵塞管道。

圖3 沖毛面采用Matlab圖像處理

圖4 沖毛處理面粗糙度

4 效益分析

4.1 社會(huì)效益

相比傳統(tǒng)的人工鑿毛或機(jī)械鑿毛，沖毛施工不僅設(shè)備簡單、易于操作，而且在施工過程中不產(chǎn)生粉塵，沒有機(jī)械鑿毛高頻振動(dòng)，更加安全環(huán)保，工人身體健康有保證。此外，沖毛施工不但降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率，而且得到的混凝土處理面干凈、濕潤，鑿毛效果均勻，水泥浮漿去除率高，并且沒有微裂縫產(chǎn)生，增強(qiáng)了新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)力，可減少接縫開裂，提高了橋梁的耐久性。機(jī)械鑿毛和沖毛效果對(duì)比如圖5及圖6所示。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

圖5 氣動(dòng)鑿毛機(jī)鑿毛效果

圖6 高壓水沖毛效果

表2 單片裝配式預(yù)制T梁的鑿毛造價(jià)

本文依托工程209國道恩施龍譚段中共有30m預(yù)制T梁359片，若采用機(jī)械鑿毛，需使用3臺(tái)氣動(dòng)鑿毛機(jī)同時(shí)鑿毛，鑿毛機(jī)約2000元/臺(tái)，鑿毛錘每5片梁更換1次，鑿毛錘約40元/個(gè)；每片梁需3人工2h方可完成鑿毛，每工時(shí)35元，同時(shí)需消耗8度電，施工用電1元/度。而采用高壓水沖毛施工，需要高壓沖洗機(jī)1臺(tái)，費(fèi)用為26000元，每片梁需2人工2h達(dá)到鑿毛效果，每工時(shí)35元，同時(shí)需消耗10度電，3t水，施工用水按2元／t。經(jīng)分析計(jì)算可以得出每片裝配式預(yù)制T梁的鑿毛造價(jià)如表2所示。

由上表可知，高壓沖毛雖然前期設(shè)備投入成本較大，但由于沖毛施工效率較高，單片梁鑿毛所需工時(shí)僅為機(jī)械鑿毛的2/3，使得人工費(fèi)用大幅度較少，最終每片梁沖毛造價(jià)低于機(jī)械鑿毛。綜合施工工期、費(fèi)用以及鑿毛效果考慮，高壓水沖毛相比機(jī)械鑿毛更值得推廣采用。

5 結(jié)束語

本文以209國道恩施龍譚段裝配式T梁施工為依托，對(duì)高壓水沖毛工藝進(jìn)行了深入的工程應(yīng)用研究，包括施工材料設(shè)備、工藝流程、質(zhì)量控制、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等。在施工過程中通過推行該工藝，在環(huán)境保護(hù)、降低成本、縮短工期、質(zhì)量控制等方面取得了較為顯著的成效，提升了預(yù)制T梁沖毛施工技術(shù)水平，提高了裝配式橋梁翼緣板、橫隔板以及梁端部等接縫處的施工質(zhì)量，對(duì)高壓水射流鑿毛技術(shù)在裝配式橋梁上的應(yīng)用起到了指導(dǎo)作用。