關(guān)鍵參數(shù)對(duì)灌縫比影響的研究

周小飛，吳文海，于蘭英

關(guān)鍵參數(shù)對(duì)灌縫比影響的研究

周小飛，吳文海，于蘭英

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對(duì)開(kāi)裂路面，常用的維護(hù)手段是對(duì)裂縫進(jìn)行灌縫處理。為了研究灌縫過(guò)程中影響灌縫比的關(guān)鍵參數(shù)及其變化規(guī)律，采用Fluent軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，模擬了整個(gè)灌縫處理過(guò)程，并分析了裂縫深寬比、噴射壓力、流體粘度、噴嘴直徑對(duì)灌縫比的影響。結(jié)果表明：灌縫比隨裂縫深寬比增大近似線(xiàn)性降低；灌縫比隨裂縫深度的增加而增加，在一定范圍內(nèi)，灌縫比的增速較快，但流體到達(dá)一定深度后，灌縫比基本不再隨裂縫深度變化；灌縫比隨噴射壓力增加逐漸增大，且增速逐漸減小；隨著流體粘度增加，灌縫比逐漸減小，其關(guān)系在一定粘度范圍內(nèi)近似線(xiàn)性變化，隨著粘度繼續(xù)增加，灌縫比變化的速度有變緩的趨勢(shì)；灌縫比隨噴嘴直徑增加逐漸減小，且隨著噴嘴直徑增加，灌縫比變化增快。

射流；噴射灌縫；噴嘴直徑；灌縫比

截至2018年底，我國(guó)公路里程突破480萬(wàn)千米，高速公路達(dá)14.26萬(wàn)千米[1]，我國(guó)公路交通已步入了以維護(hù)為主的時(shí)期。對(duì)于車(chē)輛通行以及環(huán)境對(duì)道路造成的損壞，及時(shí)有效地修補(bǔ)不僅能保障路面通行安全，還能延長(zhǎng)道路的使用壽命、降低道路的維護(hù)成本。

對(duì)于道路表面產(chǎn)生的開(kāi)裂，常規(guī)的養(yǎng)護(hù)方法是利用熱瀝青或灌縫膠對(duì)開(kāi)裂處進(jìn)行灌縫處理[2]。龐綺玲[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了瀝青路面裂縫修復(fù)材料成分對(duì)其性能的影響；高發(fā)亮[4]使用有限元方法對(duì)裂縫的受力進(jìn)行分析，對(duì)不同類(lèi)型裂縫給出了相應(yīng)的裂縫維修方法；徐清華[5]使用CFD方法模擬了不同坑槽修復(fù)工藝，研究修復(fù)層深度、坑槽修復(fù)灑布粘層油、粘層油彈性模量對(duì)灌縫質(zhì)量的影響；郭學(xué)東等[6]通過(guò)拉伸試驗(yàn)研究了溫度和濕度對(duì)道路表面開(kāi)裂修復(fù)粘附力的影響；延麗麗[7]采用有限元方法模擬計(jì)算了修復(fù)后坑槽結(jié)構(gòu)的相關(guān)力學(xué)特性，分析了坑槽修復(fù)結(jié)構(gòu)不同部位的應(yīng)力隨材料特性和結(jié)構(gòu)尺寸的變化規(guī)律；孫柯[8]利用CFD數(shù)值模擬軟件以及灌縫模擬試驗(yàn)研究了注漿壓力、注漿口位置、裂縫尺寸對(duì)瀝青路面裂縫冷灌縫漿液擴(kuò)散的影響。

以上研究對(duì)路面破損修補(bǔ)材料、修補(bǔ)方法、修補(bǔ)質(zhì)量、以及注漿擴(kuò)散規(guī)律方面做出了各自的研究成果，對(duì)噴射灌縫中灌縫參數(shù)對(duì)灌縫比作用規(guī)律的研究較少。

本文通過(guò)CFD流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)路面裂縫噴射灌縫過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以流體在裂縫中所能到達(dá)的最大深度與裂縫深度的比值為標(biāo)準(zhǔn)，分析了裂縫的深寬比、噴射壓力、流體粘度以及噴嘴直徑對(duì)灌縫比的影響。

1 模型的建立

1.1 物理模型

噴射灌縫的模型主要包括圓錐形噴嘴和V形裂縫，如圖1所示，噴嘴位于裂縫正上方，噴射灌縫時(shí)，流體沿裂縫向底部流動(dòng)填充裂縫。灌縫比為灌縫深度與裂縫深度的比值。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 基本方程

粘性不可壓縮流體的流動(dòng)遵循－方程，其連續(xù)性方程為[9]：

式中：為液體密度，kg/m3；為時(shí)間，s；x為流體在方向的坐標(biāo)位置，m；u為速度矢量在方向的投影，m/s。

動(dòng)量方程為：

1.2.2 湍流模型

Realizable－模型適合的流動(dòng)類(lèi)型比較廣泛，對(duì)腔道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)過(guò)程模擬結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)－模型的結(jié)果好。其湍動(dòng)能及其耗散率的方程為：

式中：G、分別為由平均速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)能，m2/s2；Y為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹產(chǎn)生的修正項(xiàng)。

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks軟件建立噴射灌縫的三維模型，使用Meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于噴嘴出口和裂縫底部寬度尺寸較小，因此對(duì)這兩處進(jìn)行了加密，所生成網(wǎng)格質(zhì)量更好，使仿真結(jié)果更加精確。由于噴嘴和裂縫都為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，取模型的四分之一流域進(jìn)行仿真，能夠有效提升仿真效率，所建立CFD模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

c為噴頭入口直徑，c＝4 mm；d為噴嘴直徑，d＝1 mm；l為噴頭收縮段長(zhǎng)度，l＝8 mm；m為裂縫寬度，m＝4 mm；h為裂縫深度，h＝60 mm；h/m為裂縫深寬比

圖2 噴射灌縫1/4模型網(wǎng)格

2.2 邊界條件

灌縫是噴嘴沿裂縫移動(dòng)進(jìn)行連續(xù)噴射的過(guò)程，為簡(jiǎn)化仿真過(guò)程，設(shè)置噴嘴靜止對(duì)裂縫進(jìn)行噴射。噴射灌縫過(guò)程為氣液混合流動(dòng)，因此選擇VOF兩相流模型，湍動(dòng)計(jì)算模型選擇Realistic－模型。采用壓力基求解器，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬，研究不同灌縫參數(shù)對(duì)灌縫比的影響，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為可變步長(zhǎng)，仿真時(shí)間設(shè)置為0.05 s。

將噴嘴進(jìn)口設(shè)為壓力入口邊界；裂縫模型中的兩個(gè)V形面及裂縫頂部的矩形面設(shè)為壓力出口邊界，大小為環(huán)境大氣壓力；對(duì)稱(chēng)面設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界；其余面設(shè)為無(wú)滑移壁面邊界；為真實(shí)反映噴射灌縫過(guò)程中兩側(cè)裂縫壁面對(duì)流體的阻礙作用，設(shè)兩側(cè)壁面對(duì)流體具有粘附作用。

具體邊界條件的設(shè)置如表1所示。

表1 Fluent仿真邊界條件設(shè)置

3 仿真結(jié)果與分析

路面裂縫的修補(bǔ)大多為灌縫處理，使用灌縫料對(duì)路面開(kāi)裂處進(jìn)行充分填充能有效減少雨水對(duì)道路造成的破壞，同時(shí)能夠減小開(kāi)裂處所受應(yīng)力，防止路面開(kāi)裂進(jìn)一步延展。灌縫比是衡量灌縫質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)[10]，因此，將灌縫比作為評(píng)價(jià)灌縫質(zhì)量的指標(biāo)來(lái)研究灌縫參數(shù)對(duì)其的影響。

3.1 流場(chǎng)分析

由圖3（a）可以看出，流體經(jīng)噴嘴噴出，到達(dá)裂縫一定深度時(shí)與裂縫壁面接觸。由圖3（b）可以看出，流體噴射速度在噴嘴出口處達(dá)到最大值，向裂縫底部噴射過(guò)程中，流體與壁面的距離越來(lái)越近，裂縫表面對(duì)流體的粘附作用阻礙其流動(dòng)，射流束靠近裂縫表面的流速小于中心的流速。當(dāng)流體與壁面接觸時(shí)，壁面對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)、流體流速下降，逐漸向上堆積充滿(mǎn)裂縫。

3.2 不同裂縫深寬比對(duì)灌縫比的影響

為研究裂縫深寬比對(duì)灌縫比的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，分別在0.5 MPa、1 MPa、2 MPa壓力下分析裂縫深寬比為10、12.5、15、17.5、20、22.5、25的情況，如圖4所示?？梢钥闯?，隨著裂縫深寬比的增大，即裂縫壁面間的夾角越來(lái)越小，灌縫深度也越來(lái)越深，灌縫比與裂縫深寬比之間近似線(xiàn)性關(guān)系。盡管灌縫深度越來(lái)越深，但灌縫深度占裂縫總深度的比值卻逐漸降低。這是因?yàn)?，隨著深寬比增加，裂縫變得越來(lái)越狹長(zhǎng)，裂縫壁面對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用越來(lái)越大。因此，隨著裂縫深寬比的增加，若要提高灌縫比，可增大灌縫壓力。

圖3 灌縫模型對(duì)稱(chēng)面仿真流場(chǎng)云圖

圖4 灌縫比與裂縫深寬比的關(guān)系

3.3 裂縫深度對(duì)灌縫比的影響

為研究裂縫深度與灌縫比的關(guān)系，在其他參數(shù)不變的情況下，分別在0.5 MPa、1 MPa、2 MPa壓力下分析裂縫深度為30 mm、60 mm、90 mm、120 mm、150 mm、180 mm的情況，如圖5所示?？梢钥闯?，對(duì)相同深寬比的不同深度裂縫進(jìn)行噴射灌縫，灌縫比隨著裂縫深度的增大逐漸升高，且隨著裂縫深度的增大，灌縫比的增速逐漸降低。圖中裂縫深度大于90 mm時(shí)，灌縫比基本不再升高。因此，此灌縫參數(shù)應(yīng)匹配深度大于90 mm的裂縫，以獲得較大的灌縫比。

對(duì)比三組不同壓力下的曲線(xiàn)可以看出，裂縫深度小于90mm時(shí)，壓力越高，灌縫比隨裂縫深度的變化越小。

圖5 灌縫比與裂縫深度的關(guān)系

3.4 噴射壓力對(duì)灌縫比的影響

為研究射流壓力對(duì)灌縫比的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，分別在60 mm、80 mm、100 mm裂縫深度下分析噴射壓力為0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa、3.5 MPa的情況，如圖6所示。可以看出，當(dāng)其他條件一定時(shí)，灌縫比隨噴射壓力增大逐漸增加，但隨著壓力的增加，灌縫比的增速逐漸變慢。即在一定范圍內(nèi)，增大噴射壓力可以較明顯地提升灌縫比，但隨著噴射壓力的增大，灌縫比提升的效果逐漸減弱。因此，在灌縫施工時(shí)，找到合適的噴射壓力進(jìn)行灌縫，既可以提升灌縫質(zhì)量，又能減少不必要的功率浪費(fèi)。

圖6 灌縫比與噴射壓力的關(guān)系

3.5 流體粘度對(duì)灌縫比的影響

為研究流體粘度對(duì)灌縫比的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，分別在1 MPa、2 MPa、3 MPa壓力下分析流體粘度為0.5 Pa·s、1 Pa·s、1.5 Pa·s、2 Pa·s、2.5 Pa·s、3 Pa·s、3.5 Pa·s、4 Pa·s的情況，如圖7所示，可以看出，灌縫比隨著流體粘度的增大而逐漸減小，灌縫比在流體粘度小于3 Pa·s時(shí)隨粘度的變化近似線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)流體粘度繼續(xù)增大時(shí)，灌縫比變化的速度有變緩的趨勢(shì)。

圖7 粘度與灌縫比的關(guān)系

3.6 噴嘴直徑對(duì)灌縫比的影響

為研究噴嘴直徑對(duì)灌縫比的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，分別在0.5 MPa、1 MPa、2 MPa壓力下分析噴嘴直徑為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm的情況，如圖8所示?？梢钥闯觯瑖娮熘睆?jīng)Q定了流體流速的大小，隨著噴嘴直徑增加，流體流速逐漸減小。灌縫比隨著噴嘴直徑的增大逐漸減小，且變化的速度越來(lái)越快。當(dāng)噴射壓力為2 MPa、噴嘴直徑在0.5～1.5 mm的范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)灌縫比的影響較小，灌縫比的最大變化范圍僅為3%；當(dāng)噴嘴直徑在1.5～2.5 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，噴嘴直徑的變化會(huì)對(duì)灌縫比有較大的影響，灌縫比的最大變化范圍為14%。

圖8 灌縫比與噴嘴直徑的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）利用Fluent對(duì)灌縫處理過(guò)程進(jìn)行模擬，直觀(guān)描述了瀝青由噴嘴射入裂縫的過(guò)程，并分析灌縫參數(shù)對(duì)灌縫比的影響及變化規(guī)律。

（2）灌縫比隨裂縫深寬比的增大近似線(xiàn)性降低；對(duì)于相同深寬比的裂縫，灌縫比隨裂縫深度的增加逐漸增加，在一定范圍內(nèi)，灌縫比的增速較快，但流體到達(dá)一定深度后，灌縫比基本不再隨裂縫深度變化；灌縫比隨噴射壓力的增加逐漸增大，且增速逐漸減??；隨著流體粘度的增加，灌縫比逐漸減小，其關(guān)系在一定粘度范圍內(nèi)近似線(xiàn)性變化，隨著粘度的繼續(xù)增加，灌縫比的變化速度有變緩的趨勢(shì)；灌縫比隨噴嘴直徑的增加逐漸減小，且隨著噴嘴直徑的增加，灌縫比變化增快。研究結(jié)果對(duì)灌縫施工時(shí)的參數(shù)選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]交通運(yùn)輸部. 2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[N]. 中國(guó)交通報(bào)，2019-04-12（2）.

[2]張紅春. 高速公路路面裂縫焊接技術(shù)研究[A]. 中國(guó)公路學(xué)會(huì)養(yǎng)護(hù)與管理分會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]，2017：7.

[3]龐綺玲. 瀝青混凝土路面裂縫修補(bǔ)技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

[4]高發(fā)亮. 高速公路半剛性路面裂縫分析及養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

[5]徐清華. 瀝青路面坑槽修補(bǔ)技術(shù)及其計(jì)算機(jī)仿真分析[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[6]郭學(xué)東，方向陽(yáng)，高春妹，等. 溫度和濕度對(duì)瀝青路面裂縫修補(bǔ)粘附力的影響研究[J]. 中外公路，2009，29（5）：83-87.

[7]延麗麗. 基于A(yíng)NSYS的瀝青路面坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)仿真分析[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[8]孫柯. 瀝青路面裂縫冷灌縫漿液擴(kuò)散規(guī)律與灌縫技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2016.

[9]許漢萍，幸福堂，梅丹，等. 關(guān)于降塵車(chē)噴霧降塵覆蓋面積優(yōu)化仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2019，36（4）：142-145.

[10]張紅春，付建紅，劉瀾波，等. 高速公路路面裂縫全深度處治（裂縫焊接）成套技術(shù)[M]. 北京：人民交通出版社，2014.

Study on the Effect of Key Parameters on Crack Filling Ratio

ZHOU Xiaofei，WU Wenhai，YU Lanying

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

For the cracked pavement, the common maintenance method is to fill the cracks. In order to study the key parameters and their changing rules that affect the filling ratio in the process of filling seam, the FLUENT software is used to simulate the whole process of filling seam, and the effects of crack depth to width ratio, injection pressure, fluid viscosity and nozzle diameter on the filling seam ratio are analyzed. The results show that the filling ratio decreases approximately linearly with the increase of the ratio of depth to width of the crack; the filling ratio increases with the increase of the crack depth. In a certain range, the filling ratio increases rapidly, but when the fluid reaches a certain depth, the filling ratio no longer changes with the crack depth; the filling ratio increases with the increase of the injection pressure, and the growth rate decreases gradually; the filling ratio increases approximately linearly with the increase of the fluid viscosity in a certain viscosity range, and as the viscosity continues to increase, the change rate of the filling ratio slows down; as the nozzle diameter increases, the filling ratio decreases, and as the nozzle diameter increases, the filling ratio changes faster.

jet；jet grouting；nozzle diameter；crack filling ratio

U418.6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.008

1006－0316 (2020) 07－0047－05

2019－12－23

周小飛（1994－），男，安徽亳州人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化，E-mail：1208450326@qq.com；

吳文海（1979－），男，河北承德人，博士，講師、碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化和智能控制；

于蘭英（1964－），女，四川成都人，碩士，副教授、碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化。