徐文化，張 敏，何華庭，王海洋

（1.廣州北環(huán)智能交通科技有限公司，廣州 510507；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

隨著我國(guó)建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多公路、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)建筑物經(jīng)過(guò)一段時(shí)期使用后，表面出現(xiàn)裂縫、內(nèi)部損傷等病害，需要在保持建筑物原有框架的基礎(chǔ)上破除表層混凝土，以便進(jìn)行修復(fù)、拓展或者翻新。傳統(tǒng)的水泥混凝土破除方式主要有人工錘鑿、機(jī)械捶打、液壓破碎或者爆破、切割等，但這些方法不僅會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和環(huán)境污染，也會(huì)對(duì)整個(gè)建筑基體產(chǎn)生損傷，修復(fù)質(zhì)量難以保障［1-5］。而采用高壓水射流法對(duì)混凝土進(jìn)行破碎，可以在避免傷及鋼筋的情況下破碎混凝土，減少對(duì)建筑基體產(chǎn)生的損傷，更加適應(yīng)我國(guó)大力倡導(dǎo)的環(huán)境友好與安全的施工要求，且隨著生產(chǎn)效率的提高和設(shè)備成本的降低，更有利于在這個(gè)領(lǐng)域大力推廣應(yīng)用［6-9］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款基于高壓水射流的水泥混凝土防撞護(hù)欄表面破除設(shè)備，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，能夠靈活調(diào)整沖蝕角度和距離，快速有效破除混凝土。同時(shí)該設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕便，能夠?qū)崿F(xiàn)快速進(jìn)退場(chǎng)，滿足大交通量道路的施工要求。

1 設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 總機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

該水泥混凝土防撞護(hù)欄表面處理的專用水射流執(zhí)行裝備主要由車架、行走輪、沖刷盤、沖刷盤支撐架和液壓裝置組成，如圖1所示。

圖1 墻體表面處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of wall surface treatment equipment

設(shè)備以車架為主體，通過(guò)在主體車架下端安裝行走輪實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)線連續(xù)破除施工，行走輪包括前面1個(gè)轉(zhuǎn)向輪和后面2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。將沖刷盤支撐架固定在車架右側(cè)預(yù)留的空間位置上，2個(gè)沖刷盤固定在支撐架的側(cè)面，延伸出適當(dāng)距離。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 沖刷盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖刷盤是本設(shè)備的主要執(zhí)行機(jī)具，內(nèi)側(cè)主要為控制裝置，外側(cè)為噴水機(jī)具，如圖2所示。沖刷盤內(nèi)側(cè)主要包含2個(gè)組成部件，分別是高壓水旋轉(zhuǎn)體和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其中高壓水旋轉(zhuǎn)體的一端在內(nèi)側(cè)與高壓水源連接，另一端在外側(cè)連接出水噴頭，實(shí)現(xiàn)高壓水的流動(dòng)貫通。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)通過(guò)控制閥調(diào)節(jié)齒輪箱，進(jìn)而產(chǎn)生牽引作用驅(qū)動(dòng)高壓水旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。為保證破除效果，同時(shí)設(shè)計(jì)了角度定位裝置，通過(guò)控制伸縮以及轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)沖刷盤傾角，使得沖刷盤始終盡量保持與護(hù)欄表面平行進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 沖刷盤的結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of scouring disc

1.2.2 液壓控制裝置設(shè)計(jì)

液壓控制裝置是保證整個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源，液壓控制回路由液壓泵，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、角度定位液壓缸以及前輪轉(zhuǎn)向液壓缸組成，如圖3所示。利用液壓泵為整個(gè)設(shè)備提供動(dòng)力，其中轉(zhuǎn)向液壓缸和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)分別滿足前轉(zhuǎn)向輪和后驅(qū)動(dòng)輪的油壓動(dòng)力，使設(shè)備以穩(wěn)定速度移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和角度定位液壓缸為沖刷盤提供動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪箱帶動(dòng)高壓水旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，角度定位裝置的液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)沖刷盤傾角移動(dòng)［10］。

圖3 液壓控制回路Fig.3 Hydraulic control circuit diagram

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)液壓設(shè)備的控制，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置兩端均設(shè)有控制閥，同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路對(duì)控制閥進(jìn)行控制；另外，為了方便執(zhí)行人員操作，在控制電路中設(shè)置了無(wú)線接收器，可以通過(guò)無(wú)線遙控器控制設(shè)備的工作。

2 混凝土表面處理設(shè)備工作原理

裝置噴射部位與混凝土表面的夾角也存在一定的關(guān)系，在實(shí)際施工過(guò)程中，噴頭方向與材料表面要保持相應(yīng)角度，從而影響系統(tǒng)破除速度［11］。使用墻體表面處理設(shè)備對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行逐層破除的工作原理如圖4所示。

圖4 混凝土防撞護(hù)欄專用處理裝備示意Fig.4 Schematic diagram of special treatment equipment for concrete anti-collision guardrail

將高壓水射流設(shè)備移動(dòng)到墻體一側(cè)，通過(guò)調(diào)節(jié)角度定位裝置來(lái)調(diào)節(jié)沖刷盤的角度，使沖刷盤與待清洗的墻體表面平行，沖刷盤出水口噴頭緊貼被清洗墻體。高壓水至物體表面的距離及角度調(diào)節(jié)完成后，執(zhí)行裝置采用液壓動(dòng)力控制，接通有高壓水源的沖刷盤，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)開(kāi)始帶動(dòng)高壓水旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)，噴頭不斷旋轉(zhuǎn)向墻休表面噴射出高壓水柱，工作臺(tái)行走輪通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪軸來(lái)移動(dòng)前行，連續(xù)沖刷墻體，利用高壓水射流的楔劈作用，旋轉(zhuǎn)擴(kuò)大高壓水沖刷的面積，混凝土面層逐漸破碎，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)墻體表面的精準(zhǔn)沖刷處理，具有較高的混凝土破碎效率，取得良好的施工使用效果。

3 設(shè)備試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 混凝土破除機(jī)理分析

混凝土屬于一種多孔復(fù)合脆性材料，由骨料、水泥與水共同組成，通常其軸心抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于軸心抗壓強(qiáng)度［12］。利用混凝土抗拉和抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，在高壓水射流的作用下，水流通過(guò)混凝土表面孔隙，沖擊點(diǎn)受到壓縮產(chǎn)生較大的壓力，產(chǎn)生拉力和剪切力作用在沖擊點(diǎn)周邊區(qū)域，混凝土表面會(huì)形成以沖擊點(diǎn)為中心的放射狀裂紋。在水射流的持續(xù)沖擊作用下，裂紋發(fā)展為裂縫，進(jìn)而形成坑槽。水射流持續(xù)不斷地沖刷，使得混凝土破碎成塊狀。其中，混凝土材料的破碎一般呈拉伸和剪切破壞的特點(diǎn)［13-15］。

高壓水能把表面強(qiáng)度低的骨料面層鑿除，在水力作用下同時(shí)可以達(dá)到清洗混凝土體表面的效果，對(duì)原混凝土擾動(dòng)小能夠使得后期新老混凝土界面更好實(shí)現(xiàn)粘結(jié)［16-17］。

3.2 水射流破碎演進(jìn)

噴頭出水口位置水流速度在橫向界面上各點(diǎn)的流速均相等，水射流表面吸入少量空氣發(fā)生破裂，形成大塊水團(tuán)。同時(shí)水射流中心部位不接觸空氣，仍然保持著最初的速度。吸入的空氣不斷增加進(jìn)而使水射流表面和中心部分也破碎成大塊水團(tuán)，并且隨著水團(tuán)與噴嘴距離增大，最終完全散落成水滴。

高壓水射流到達(dá)混凝土表面后，其接觸面上流體發(fā)生動(dòng)能轉(zhuǎn)化成沖量作用，射流對(duì)表面的打擊均勻，以水流噴射點(diǎn)為中心發(fā)生壓縮變形，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力出現(xiàn)放射狀裂隙，在水錘壓縮區(qū)沖蝕裂隙向自由面擴(kuò)展，持續(xù)撞擊使得裂紋不斷演進(jìn)發(fā)展為裂縫。設(shè)備沖刷盤旋轉(zhuǎn)并迅速移動(dòng)，使得噴出的水射流具有動(dòng)載特性，作為抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度的脆性材料，混凝土表面受沖擊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其沖擊點(diǎn)下方拉伸應(yīng)力作用及剪切應(yīng)力作用使環(huán)狀裂紋擴(kuò)展形成破碎區(qū)。

混凝土初始裂隙區(qū)和破碎區(qū)依據(jù)VonMises破壞準(zhǔn)則進(jìn)行判定與范圍計(jì)算［18］，混凝土受水射流沖擊破碎機(jī)理簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問(wèn)題：

脆性物料任一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度為：

式中 σr，σθ——徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力；

μd——?jiǎng)討B(tài)泊松比，μd=0.8 μ；

μ ——混凝土靜態(tài)泊松比。

根據(jù)破壞準(zhǔn)則，當(dāng)σi≥σtd，混凝土受應(yīng)力波影響內(nèi)部形成了初始裂隙，當(dāng)σi≥σcd，混凝土受高壓水流撞擊形成破碎區(qū)，其中σtd為混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，σcd為混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。并根據(jù)上式應(yīng)力計(jì)算可得到初始裂隙區(qū)和破碎區(qū)半徑，進(jìn)而控制高壓水射流打擊廣度。

高壓旋轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，噴頭通過(guò)高壓旋轉(zhuǎn)體連接固定在沖刷盤上，噴頭的運(yùn)動(dòng)形式是圓盤的快速轉(zhuǎn)動(dòng)和水射流設(shè)備的移動(dòng)，高壓沖刷可形成一定區(qū)域范圍的混凝土表面處理，破碎作業(yè)的厚度和廣度可通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)來(lái)控制。沖刷盤通過(guò)噴頭沖刷不斷帶走破碎的骨料，不引起振動(dòng)現(xiàn)象同時(shí)實(shí)現(xiàn)混凝土逐層剝除。

3.3 設(shè)備對(duì)比試驗(yàn)

本文以某公路水泥混凝土防撞護(hù)欄改造工程為實(shí)際應(yīng)用背景，對(duì)該混凝土表面破除設(shè)備的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。本工程結(jié)構(gòu)中護(hù)欄混凝土破碎深度在2 cm以內(nèi)，在破除混凝土范圍相同的情況下，分別采用人工風(fēng)鎬［19-22］和新型墻體表面處理設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，墻體表面處理設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水射流設(shè)備技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)Tab.1 Technical parameters and indexes of water jet equipment

通過(guò)高壓泵產(chǎn)生100 MPa以上的高壓水輸送至沖刷裝置，再由沖刷盤噴頭繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行橫向移動(dòng)，噴射出高速水流，作用于混凝土表面。射流在物料上形成一定寬幅的破碎帶，完成混凝土防撞護(hù)欄表層破除，破碎效果如圖5所示。

圖5 使用水射流設(shè)備處理效果Fig.5 Treatment effect of waterjet equipment

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)設(shè)備相比如圖6所示，墻體表面處理裝備處理后防撞護(hù)欄表面均勻性更好，該設(shè)備不僅能夠穩(wěn)定作業(yè)，對(duì)原路面防撞護(hù)欄進(jìn)行快速破除，而且不易產(chǎn)生應(yīng)力擴(kuò)散。

圖6 使用風(fēng)鎬處理效果Fig.6 Effect of air pick treatment

3.4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

綜合對(duì)比風(fēng)鎬與墻體表面處理裝置2種施工方式，見(jiàn)表2。

表2 高壓水射流破除與傳統(tǒng)人工破除混凝土試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of test results of high pressure waterjet concrete breaking and traditional manual concrete breaking

（1）工效對(duì)比。

從最初鑿除到完成，在工程量相同的情況下，與使用墻體表面處理裝備相比，傳統(tǒng)風(fēng)鎬鑿除法效率更低，工期更長(zhǎng)；在每天作業(yè)10 h的情況下，人工手持風(fēng)鎬一工日可鑿除防撞護(hù)欄32 m2，而水射流設(shè)備一日可鑿除218 m2，后者工效約為前者工效的7倍，生產(chǎn)能力更強(qiáng)。就機(jī)械設(shè)備破除單位面積混凝土的施工效率而言，高壓水破除技術(shù)采用的墻體表面處理裝備相當(dāng)于7臺(tái)風(fēng)鎬的生產(chǎn)能力，效率值更高。

（2）質(zhì)量對(duì)比。

采用水射流設(shè)備清除能夠使混凝土從墻體完全剝離，破除效果較好，整體界面較整齊，界面黏結(jié)能力強(qiáng)，有利于后期混凝土防撞護(hù)欄修復(fù)施工；而風(fēng)鎬破除的工作面上局部界面仍然殘留混凝土，沒(méi)能滿足一次性達(dá)到工程質(zhì)量要求，部分位置需要重新返工。

高壓水射流破碎對(duì)混凝土的損傷較小，沒(méi)有破壞原有路面結(jié)構(gòu)，原因是高壓水破除混凝土是一種持續(xù)加載，逐層微量破除過(guò)程，而風(fēng)鎬的手段是瞬時(shí)破除，對(duì)原有結(jié)構(gòu)的破壞程度較高。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整水壓力、流量等參數(shù)來(lái)控制對(duì)混凝土的打擊厚度和區(qū)域，這也凸顯了本設(shè)備的精度優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的精確破除。

（3）安全對(duì)比。

風(fēng)鎬采用人工近距離操作機(jī)械，施工時(shí)混凝土碎渣飛濺或者風(fēng)鎬的風(fēng)管脫落都極易造成人員傷害，安全性較低。相比之下，水射流設(shè)備采用人工遙控機(jī)器人的操作方式更自動(dòng)化，可通過(guò)遠(yuǎn)距離遙控實(shí)現(xiàn)設(shè)備的就位作業(yè)，在完成施工的同時(shí)也保證了人員的安全，施工環(huán)境較差情況下更加安全可靠。

綜上所述，本文研發(fā)的設(shè)備在保證作業(yè)質(zhì)量的前提下，能夠加快施工進(jìn)度，盡可能降低對(duì)既有交通的影響，結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮效率、安全、經(jīng)濟(jì)效益等因素，設(shè)定合適的施工技術(shù)參數(shù)，滿足工程需求。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了新型墻體表面處理裝備，實(shí)現(xiàn)了高壓水射流設(shè)備的精準(zhǔn)破除混凝土機(jī)械化作業(yè)。結(jié)果表明，100 MPa以上的水射流壓力大面積沖刷護(hù)欄表面，快速破除混凝土，效率約為人工風(fēng)鎬鑿除的7倍，同時(shí)大幅降低人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工程質(zhì)量效果顯著。

（2）深入分析和優(yōu)化了水射流設(shè)備的各部件，使得設(shè)備能夠隨著工作環(huán)境的變化而自動(dòng)調(diào)整，有效擴(kuò)大高壓水沖刷的面積，設(shè)備作業(yè)的靈活性提高，拓展了水射流加工的適用領(lǐng)域，向智能控制、節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。

（3）理論研究和實(shí)際應(yīng)用證明，采用墻體表面處理裝備破碎高效混凝土是完全可行的，不僅滿足了對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物破除修復(fù)的實(shí)際需要，而且可以作為水射流工程設(shè)備設(shè)計(jì)與研發(fā)的一種參考，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。