超高压水力破拆混凝土数值分析及实验研究

（东莞理工学院城市学院，广东 东莞 523419）

一、引言

混凝土广泛应用于土木、水利、运输和采矿等工程中，因混凝土同时受到内外应力而损伤，影响正常使用。目前国内针对破损混凝土结构修复方式主要采用冲击器、多锤头、破碎机、液压分裂等传统机械方式进行完全破拆，再重新浇筑修复，易造成二次破坏，且劳动强度高、粉尘多、噪声大、工效低。

以美国、瑞典为代表的西方国家从上世纪80年代不断将超高压水射流技术发展，研制出道路表面水力破拆机，与传统破拆方式相比具有：（1）效率高：相对传统破拆方式，水力破拆效率提高了25～50倍，在降低劳动力使用成本时保证工程的进展。（2）选择性清除：传统机械破拆混凝土采用应力传递、通透破拆的工艺，水力破拆是由于高压水流喷射到孔隙穿透混凝土，激活、加剧破损混凝土结构中存在的微裂缝，并形成内部超压，当产生的压力达到混凝土破碎极限强度时剥落混凝土，水力破拆可有选择地清除路面破损部分或分层被清除，而留下密实部分。（3）破拆表面质量高：水力破拆属高能、冷态，只清除破损混凝土；传统机械方式在拆除破损混凝土时产生巨大振动，易对完好混凝土结构造成损伤，水力破拆后的粗糙不匀表面能为重新浇筑混凝土提供更好的结合面。（4）经济效益好：水力破拆以水为工具，作业中粉尘少、噪音低、振动小，且只拆除破损混凝土，对钢筋网及良好混凝土无损害，可大大降低修复成本。

国内在应用水力破拆混凝土结构尚处于起步阶段。周丹等[1]论述了水力破拆混凝土的设备及优势；申燚等[2]通过ANSYS建模分析，验证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压；尹灿等[3]采用人工神经网络的连接权值矩阵和节点网值向量分布式建立了超高压水射流冲蚀破拆体积与射流压力、围压和喷距之间的数学模型；李万莉等[4]以细观损伤力学理论对水力冲击下混凝土路面碎裂微结构损伤情况建模，并得到不同压力、速度射流冲击到混凝土表面产生的VonMises等效应力；重庆大学的卢义玉等[5]得到水射流动力泵的压力与所能冲蚀深度间成正比，喷嘴与目标间存在一个最优距离。

本文从能量角度对水力破拆混凝土结构过程进行理论分析，建立了混凝土表面水力与泵压参数间的关系，并以实验为主，探究水力破拆参数与实际破拆效果间的关系。

二、超高压水力破拆混凝土

（一）理论分析

水力破拆混凝土过程中，超高压水是连续射流，喷嘴内外的压力、流速均不同，忽略喷嘴出口截面的高度差[4]，根据伯努利方程：

式中：—喷嘴内外压力

—喷嘴内外平均流速，

、—喷嘴内外射流密度

如式（2）应用流体连续方程（喷嘴出口内外两点[2]）。假定喷嘴出口为圆柱形，则且d为喷嘴截面直径，为喷嘴内外截面面积

由式（1）和流体连续方程（2）可得：

流量等于出口截面积乘以出口射流速度，则与、间关系[6]，如式（5）：

喷嘴出口处水射流冲击力为，对喷嘴出口内外两点应用动量定理[2]，如式（6）：

因喷嘴与混凝土工件间距离相对较小，喷嘴出口处水射流冲击力即可视为水射流对混凝土表面的冲击力，因经推导，如式（7）：

由于喷嘴的直径相对于建立的混凝土模型较小，水力冲击破拆区域的半径变化可以忽略。因此混凝土表面受到水射流冲击作用的压力为混凝土表面受到高压水冲击的表面积），推导出高压泵的输出压力与混凝土表面受到水射流冲击作用的压力的关系为：

以破拆体积作水射流破拆效果评判指标。实验选定的喷嘴内径为0.3mm，通过公式(9)计算混凝土表面受到水射流冲击作用压力对应的高压泵输出的水压。通过改变高压泵的输出水压，不同压力的高压水冲击混凝土表面时，产生的最大拉应力及破拆深度如表1所示。

表1 泵压与破拆深度

（二）实验研究

1.实验系统及过程

实验中混凝土模型标号为C40，其最大抗拉极限为40MPa。由表1知，当水射流压力超过350MPa时，混凝土出现压裂破坏，故水力破拆所需泵压存在一个门限值。随着水射流压力的增加，受冲击表面产生的拉应力变大，破拆区域随之增加，而当压力超过某一限度后，其增长趋势趋于平缓。因此泵压是影响破拆效率的关键参数。而在泵压与破拆深度的关系分析可以看出，混凝土破拆深度增长趋势呈快慢交替。这是由于混凝土的损伤是一个能量耗散的过程，高压水射流冲击破拆时，混凝土内部能量的积蓄和释放、由细观裂纹到宏观裂纹的形成是一个能量积累变化的过程，这就决定破拆区域深度的增加为非匀速状态。

水力破拆实验所采用的实验装置简图如图1，通过研究超高压水射流作用下，各水力破拆参数与破拆效果间的关系，进而验证水力破拆机理正确性及水力破拆装备

图1 实验系统原理图

实验所选用的混凝土水力破拆器型号为6600-2UHP，其采用一个32HP的柴油机为液压转向系统提供动力，技术参数为输出流量：0～160L/min，压力：0～200MPa，喷头选用BN18-40-L6喷头，其最大工作压力为280MPa，最大流量为150L/min，喷头内径为0.3mm。

实验采用龄期为3个月的标准C40混凝土试件，尺寸为2000mm×600mm×400mm，其理论抗拉强度为40MPa。在水力破拆实验中，主要研究水力破拆参数（压力、流量、喷头横移速度、进给速度等）与混凝土破拆效果间的关系。由于水力破拆过程中环境、检测条件等复杂因素的影响，采用混凝土被移除的体积作为混凝土水力破拆效果的评判标准来衡量不同破拆参数下水力破拆装备的破拆能力。

采用灌砂法评测水力破拆效果。原理为在混凝土试块的四周围上隔离板，隔离板顶面与射流冲击面最高点相平齐平，并填充细沙。随后将抹平隔离板顶面，将粘结面上的细沙倒入量筒中，通过细沙的体积，定量描述水力破拆装备的破拆效果。

影响水力破拆效果的参数主要有泵压、移动速度、喷嘴进给次数及喷嘴靶距。采用上述实验系统以单一变量法进行水力破拆实验，研究以上破拆参数与破拆效果间的关系。通过取样，对不同的混凝土试件编号，进行水力破拆实验，并通过灌砂法对水力破拆效果进行定量分析，实验设备及过程如图2所示。

图2 实验设备及过程

2.实验结果分析

（1）泵压与破拆效果

压力为水力破拆的前提条件，压力的变化是影响水力破拆效果最主要因素。通过对水力破拆机理的理论分析可知，水力破拆所需泵压的最小值为100MPa。其他破拆参数不变，通过改变泵压大小，研究泵对破拆效果的影响。选用的实验参数为喷嘴内径0.3mm、喷嘴的横移速度为2mm/s，流量100L/min。在进行水力破拆实验中，所取的高压泵压力的变化范围为100～280MPa，得到了泵压与破拆深度的关系如表2所示。

表2 泵压与破拆深度、破拆体积

通过表1和表2数据可知，水力破拆混凝土的泵压存在一个门限值，当水射流压力超过门限压力值后，混凝土的破拆体积随着泵压的增加而增加，当压力达成300MPa后，压力增加对破拆体积的影响很小，因此在某一限度内提高泵压可以提高水力破拆能力。

（2）横移速度与破拆

探究横移速度与破拆深度的关系，选用的水力破拆参数为：泵压200MPa，喷嘴直径：0.3mm，流量100L/min，进给次数1次。横移速度选择四组变量：2mm/s，4mm/s，8mm/s，16mm/s。通过水力破拆实验可得到横移速度与破拆深度、破拆体积间的关系如表3。

表3 横移速度与破拆深度、破拆体积关系

由数据知，其他参数不变，水力破拆装备的破拆能力保持不变，横移速度的增加，单位时间内的作用区域增加，但破拆深度下降。因此破拆深度与横移速度之间基本成反比关系，但是无论提高还是降低喷嘴的横移速度，都不能提高水力破拆装备的破拆能力。

（3）喷嘴进给次数

为探究喷嘴进给次数对水力破拆深度的影响，选用水力破拆参数为：泵压200MPa，喷嘴直径：0.3mm，流量100L/min，喷嘴横移速度2mm/s。喷嘴的进给次数选择四组变量：1次，2次，4次，6次。通过水力破拆实验可得到横移速度与破拆深度、破拆体积之间的关系如表4所示。

表4 喷嘴进给次数与破拆深度、破拆体积关系

（4）靶距

射流从喷嘴出口至混凝土表面的垂直距离为靶距。喷嘴直径为0.254d/mm，给进次数2，横移速度2mm/s，泵压250MPa。实验数据如表5。

表5 靶距与破拆深度

随着靶距的增加，破碎深度开始是增加的，而当靶距增加到一定程度后，破碎深度反而随着靶距的增加而大幅下降。原因有二：（1）若靶距太短，破拆效果被反射流冲击减弱；（2）若靶距太长，反射流影响较小，水射流存在一个密实核的区域，超过了最佳距离，在射流到达混凝土表面之前，冲击能力就己经大大降低了。故水射流靶距并非越小越好，存在一个最佳靶距s=9mm。

图3 实验效果

实验得到混凝土的水力破拆效果如图3所示。通过观察破拆过程及效果知：水力破拆具有噪声小、粉尘少的优点，破拆时振动小，不易在破拆周围产生新裂纹，对周围混凝土结构基本不会造成损害。实验研究表明损伤程度越严重的混凝土越容易破拆，去除材料体积越多。水力破拆试验后观察试件，发现其冲击区域为一个凹坑，在接近射流冲击作用区域置破拆深度越深，反之较浅，这种现象证明了水力破拆机理的正确性。

四、小结

通过对泵压、移动速度、喷嘴进给次数及喷嘴靶距与破拆效果间关系进行实验可知，泵压对破拆效果的影响非常显著，混凝土的水力破拆存在门限值，当压力超过门限值后，混凝土的破拆体积随着泵压的增加明显升高，而当泵压达到某个限度后混凝土的水力破拆深度趋于平缓，故在某一限度内提高泵压可提高水力破拆能力；同时横移速度、进给次数、靶距对混凝土的破拆深度和破拆效果也存在影响，在其余水力破拆参数不变的情况下，横移速度和喷嘴的进给次数之间存在一个最优化的组合使得破拆效率最高，可将水力破拆装备的效率发挥至最大。

[1]周丹,王庆国等.混凝土结构的水清拆一水射流在结构工程中的应用[J].清洗世界,2003(10)：31-34.

[2]申燚.高压水射流破碎水泥混凝土路面破碎机理研究[D].长沙：理工大学,2003.

[3]易灿,李根生,陈真.基于神经网络的高压水射流冲蚀破碎预测模型的研究[J].石油钻探技术,2005(03)：6-9.

[4]李万莉,徐宝富,申燚.水射流破碎水泥路面的微结构损伤模型及仿真[J].同济大学学报（自然科学版）,2005(01)：42-46.

[5]卢义玉,玛欣艳.高压空化水射流破碎岩石的试验分析[J].重庆大学学报（自然科学版）,2006,29(12)：88-91.