早期混凝土高压水射流冲毛角度试验研究

张建国，焦卫宁，马俊斌，闫高文

（中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065）

混凝土结合面凿毛是分段浇筑混凝土或新旧混凝土体接合的必要工艺，广泛应用于公路和桥梁工程施工中。目前混凝土结合面常用凿毛方式有人工凿毛、机械凿毛、拉毛（划毛）等。采用人工凿毛费时费力且凿毛面的均匀性较差，凿毛效果难以控制；机械凿毛虽然工作效率有很大提高，但是会产生较大的噪音和振动，危害工人的身体健康，并且机械凿毛后混凝土内部会出现许多微裂缝，影响接缝连接强度；而拉毛施工对混凝土强度要求很高，一般在混凝土终凝前进行，不仅适用范围有限，而且由于拉毛时混凝土强度较低，极易对混凝土结构造成损伤。综上所述，目前常用凿毛方法还存在着许多弊端。

近年来，混凝土高压水射流凿毛（简称冲毛）正被逐渐推广使用，其可以有效避免上述凿毛方式存在的诸多问题。此外，使用该法处理老混凝土表面，不扰动周围保留的混凝土，同时混凝土表面干净湿润，利于新老混凝土更好结合，即使在有钢筋的情况下，不但不会损坏钢筋且能为钢筋除锈，因此非常适合混凝土结合面的凿毛作业［1］。而高压水射流凿毛的冲击角简称冲毛角度，是指喷头的轴线与被清洗平面之间的夹角，其作为冲毛施工的重要工艺参数之一，对于能否高效有力处理混凝土结合面起着至关重要的作用。但是，通过查阅相关论文发现［2-6］，现有的研究成果在给定混凝土冲毛角度合理取值时，推荐的多是工程经验值，而且给定的冲毛角度取值范围也各不相同，多集中在30°～60°之间，并且对于早期混凝土的研究尚未涉及，由此可见，对于混凝土冲毛角度的研究还存在许多不足。为此，本文通过试验研究了不同冲毛角度对早期混凝土的破坏效果，为混凝土高压水射流凿毛技术的应用及推广提供更好的借鉴。

1 高压水射流凿毛作用原理

高压水射流凿毛是利用高压水枪对新老混凝土结合面进行粗糙化处理，其基本原理［7］是：采用高压水泵提升水流的压力，经高压管道输送到达喷嘴，特殊设计的喷嘴则把高压低流速的水流转化成低压高流速的射流，利用水射流的冲击作用使得新老混凝土结合面的表层产生裂纹，并在后续射流的作用下迅速扩散、延伸、交汇，使表层混凝土从主体结构上壁剥离下来，并显露出粗骨料，形成凹凸不平的新老混凝土结合面，以提升结合面的粘结强度，达到凿毛处理的目的。

2 试验概况

2.1 试验设计

为了研究高压水射流冲击角度与早期混凝土结合面破坏程度的关系，可通过测量冲毛后混凝土结合面的粗糙度反映不同冲毛角度的破坏效果，并且现有的研究成果表明，冲毛面粗糙度的增加有助于提高新老混凝土间的粘结强度［8-9］。本试验冲毛设备采用额定压力为50MPa高压射流冲毛机，其喷嘴类型为扇形喷嘴。

试验采用尺寸150mm×150mm×75mm的C50混凝土冲毛试块，全部试块均为同一批浇筑，且自然条件下养生2天。试验中严格控制冲毛施工参数，保持冲毛机喷射压力为40MPa，冲毛持续时间为90s，喷头沿其轴线距离混凝土试块表面10cm。设置冲毛角度分别为30°、40°、50°、60°、70°、80°的6个试验组，每组设置3个试块，共计18个试块进行冲毛试验，冲毛后测量记录各试块的粗糙度。

试验选用混凝土的拌和材料为P.O 42.5普通硅酸盐水泥、粒径0～4.75mm的机制砂、5～20mm的石灰岩级配碎石、RX-1-320型聚羧酸减水剂、Ⅰ级粉煤灰等，具体配合比可见表1。

表1 C50普通混凝土配合比（单位：kg/m3）

2.2 试验过程及现象

试验时人工手持喷枪，对混凝土试块表面均匀喷射冲毛，保证冲毛过程中喷射角度和距离基本不变，并配备专门计时人员，确保各试块冲毛时间一致。待已冲毛混凝土试块表面干燥后，采用铺砂法测量试块冲毛面粗糙度，计算公式如下

式中 h——试块冲毛面粗糙度；

M——摊平冲毛面所需最少标准砂质量；

ρ——标准砂密度；

S——试块横截面面积。

冲毛过程中，高压水射流沿预定角度打击在混凝土试块表面后，混凝土表面的水泥乳皮及细集料被冲散，混凝土粗骨料基本保持原状，不发生破坏。射流后绝大部分水流沿着混凝土表面发散射出，只有小部分水流产生飞溅，并且掺杂着砂砾。随着试验冲毛角度的增大，水流及砂砾飞溅现象更加明显。

试块冲毛后的效果如图1所示，每列为1个试验组，由左到右分别为30°、40°、50°、60°、70°、80°的6个试验组的冲毛效果。由图可以很明显看出，随着冲毛角度的加大，混凝土试块表面的水泥浮皮及细集料冲散程度不断加深，粗骨料裸露面积不断加大，水流冲击所造成的试块表面凹凸度不断加深。

图1 各试验组冲毛效果图

3 试验结果分析

采用高压水射流不同冲毛角度处理混凝土试块后，测得混凝土结合面的粗糙度如表2所示。根据表2数据，绘制各试验组的平均粗糙度与冲毛角度之间的关系曲线，如图2所示。

由表2及图2可以得出，随着冲毛角度的不断增大，被冲毛混凝土试块表面粗糙度也随之增大。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。可以得出，从30°至50°，混凝土冲毛面粗糙度增长幅度较大，50°至80°粗糙度增长幅度较小。总体而言，随着角度的增大，粗糙度增长幅度不断减小。根据上述研究规律可以得出最佳冲毛角度为90°，但考虑到人工冲毛时角度增大会引起较大水流及砂砾飞溅，因此推荐冲毛角度为50°～60°。

表2 不同冲毛角度混凝土面的粗糙度

图2 平均粗糙度与冲毛角度关系曲线

4 结论

本文通过对早期混凝土高压水射流冲毛角度的试验研究，可以得出如下结论：

（1）采用高压水射流处理早期混凝土结合面的破坏形式为混凝土表面水泥乳皮及细集料（即水泥砂浆层）被冲击破碎，粗骨料基本不受破坏。其主要原因为早期混凝土龄期较短，水泥水化作用尚未完全，导致水泥砂浆强度较小，在水射流冲击下容易发生开裂破损，而粗骨料采用石灰岩，自身强度很高，不易发生破坏。

（2）根据对混凝土不同冲毛角度的试验实测数据规律分析，可得早期混凝土结合面的粗糙度随着冲毛角度的增大而增大，但增长幅度逐渐趋于平缓。从高压水射流凿毛效率上考虑，最佳冲毛角度为90°。

（3）采用人工冲毛时，冲毛角度过大会出现较严重的砂砾及水流飞溅现象，不仅会干扰操作人员的施工作业，而且对其自身安全也构成一定威胁。综合考虑混凝土不同冲毛角度的冲毛效率，推荐人工冲毛角度为50°～60°。