一种基于高压水射流的混凝土表面处理设备研究

徐文化，张 敏，何华庭，王海洋

（1.广州北环智能交通科技有限公司，广州 510507；2.华南农业大学 水利与土木工程学院，广州 510640）

0 引言

随着我国建设的快速发展，越来越多公路、桥梁等混凝土结构建筑物经过一段时期使用后，表面出现裂缝、内部损伤等病害，需要在保持建筑物原有框架的基础上破除表层混凝土，以便进行修复、拓展或者翻新。传统的水泥混凝土破除方式主要有人工锤凿、机械捶打、液压破碎或者爆破、切割等，但这些方法不仅会产生较大的振动和环境污染，也会对整个建筑基体产生损伤，修复质量难以保障［1-5］。而采用高压水射流法对混凝土进行破碎，可以在避免伤及钢筋的情况下破碎混凝土，减少对建筑基体产生的损伤，更加适应我国大力倡导的环境友好与安全的施工要求，且随着生产效率的提高和设备成本的降低，更有利于在这个领域大力推广应用［6-9］。

针对上述问题，本文设计开发了一款基于高压水射流的水泥混凝土防撞护栏表面破除设备，并在实际工程中进行应用，能够灵活调整冲蚀角度和距离，快速有效破除混凝土。同时该设备构造简单，质量轻便，能够实现快速进退场，满足大交通量道路的施工要求。

1 设备设计

1.1 总机结构构造

该水泥混凝土防撞护栏表面处理的专用水射流执行装备主要由车架、行走轮、冲刷盘、冲刷盘支撑架和液压装置组成，如图1所示。

图1 墙体表面处理设备的结构示意Fig.1 Structural diagram of wall surface treatment equipment

设备以车架为主体，通过在主体车架下端安装行走轮实现长线连续破除施工，行走轮包括前面1个转向轮和后面2个驱动轮。将冲刷盘支撑架固定在车架右侧预留的空间位置上，2个冲刷盘固定在支撑架的侧面，延伸出适当距离。

1.2 关键部件设计

1.2.1 冲刷盘结构设计

冲刷盘是本设备的主要执行机具，内侧主要为控制装置，外侧为喷水机具，如图2所示。冲刷盘内侧主要包含2个组成部件，分别是高压水旋转体和旋转马达，其中高压水旋转体的一端在内侧与高压水源连接，另一端在外侧连接出水喷头，实现高压水的流动贯通。旋转马达通过控制阀调节齿轮箱，进而产生牵引作用驱动高压水旋转体产生转动。为保证破除效果，同时设计了角度定位装置，通过控制伸缩以及转动来调节冲刷盘倾角，使得冲刷盘始终尽量保持与护栏表面平行进行转动。

图2 冲刷盘的结构示意Fig.2 Structural diagram of scouring disc

1.2.2 液压控制装置设计

液压控制装置是保证整个设备正常运行的动力来源，液压控制回路由液压泵，旋转马达、驱动马达、角度定位液压缸以及前轮转向液压缸组成，如图3所示。利用液压泵为整个设备提供动力，其中转向液压缸和驱动马达分别满足前转向轮和后驱动轮的油压动力，使设备以稳定速度移动。旋转马达和角度定位液压缸为冲刷盘提供动力，旋转马达驱动齿轮箱带动高压水旋转体转动，角度定位装置的液压驱动实现冲刷盘倾角移动［10］。

图3 液压控制回路Fig.3 Hydraulic control circuit diagram

为了实现对各个液压设备的控制，转动装置两端均设有控制阀，同时设计了相应的电路对控制阀进行控制；另外，为了方便执行人员操作，在控制电路中设置了无线接收器，可以通过无线遥控器控制设备的工作。

2 混凝土表面处理设备工作原理

装置喷射部位与混凝土表面的夹角也存在一定的关系，在实际施工过程中，喷头方向与材料表面要保持相应角度，从而影响系统破除速度［11］。使用墙体表面处理设备对混凝土结构表面进行逐层破除的工作原理如图4所示。

图4 混凝土防撞护栏专用处理装备示意Fig.4 Schematic diagram of special treatment equipment for concrete anti-collision guardrail

将高压水射流设备移动到墙体一侧，通过调节角度定位装置来调节冲刷盘的角度，使冲刷盘与待清洗的墙体表面平行，冲刷盘出水口喷头紧贴被清洗墙体。高压水至物体表面的距离及角度调节完成后，执行装置采用液压动力控制，接通有高压水源的冲刷盘，旋转马达开始带动高压水旋转体的转动，喷头不断旋转向墙休表面喷射出高压水柱，工作台行走轮通过驱动轮轴来移动前行，连续冲刷墙体，利用高压水射流的楔劈作用，旋转扩大高压水冲刷的面积，混凝土面层逐渐破碎，实现了对整个墙体表面的精准冲刷处理，具有较高的混凝土破碎效率，取得良好的施工使用效果。

3 设备试验与结果分析

3.1 混凝土破除机理分析

混凝土属于一种多孔复合脆性材料，由骨料、水泥与水共同组成，通常其轴心抗拉强度要远小于轴心抗压强度［12］。利用混凝土抗拉和抗剪强度低的特点，在高压水射流的作用下，水流通过混凝土表面孔隙，冲击点受到压缩产生较大的压力，产生拉力和剪切力作用在冲击点周边区域，混凝土表面会形成以冲击点为中心的放射状裂纹。在水射流的持续冲击作用下，裂纹发展为裂缝，进而形成坑槽。水射流持续不断地冲刷，使得混凝土破碎成块状。其中，混凝土材料的破碎一般呈拉伸和剪切破坏的特点［13-15］。

高压水能把表面强度低的骨料面层凿除，在水力作用下同时可以达到清洗混凝土体表面的效果，对原混凝土扰动小能够使得后期新老混凝土界面更好实现粘结［16-17］。

3.2 水射流破碎演进

喷头出水口位置水流速度在横向界面上各点的流速均相等，水射流表面吸入少量空气发生破裂，形成大块水团。同时水射流中心部位不接触空气，仍然保持着最初的速度。吸入的空气不断增加进而使水射流表面和中心部分也破碎成大块水团，并且随着水团与喷嘴距离增大，最终完全散落成水滴。

高压水射流到达混凝土表面后，其接触面上流体发生动能转化成冲量作用，射流对表面的打击均匀，以水流喷射点为中心发生压缩变形，混凝土内部产生拉伸应力出现放射状裂隙，在水锤压缩区冲蚀裂隙向自由面扩展，持续撞击使得裂纹不断演进发展为裂缝。设备冲刷盘旋转并迅速移动，使得喷出的水射流具有动载特性，作为抗压强度远高于抗拉强度的脆性材料，混凝土表面受冲击点转动，其冲击点下方拉伸应力作用及剪切应力作用使环状裂纹扩展形成破碎区。

混凝土初始裂隙区和破碎区依据VonMises破坏准则进行判定与范围计算［18］，混凝土受水射流冲击破碎机理简化为平面应力问题：

脆性物料任一点的应力强度为：

式中 σr，σθ——径向应力和周向应力；

μd——动态泊松比，μd=0.8 μ；

μ ——混凝土静态泊松比。

根据破坏准则，当σi≥σtd，混凝土受应力波影响内部形成了初始裂隙，当σi≥σcd，混凝土受高压水流撞击形成破碎区，其中σtd为混凝土的动态抗拉强度，σcd为混凝土的动态抗压强度。并根据上式应力计算可得到初始裂隙区和破碎区半径，进而控制高压水射流打击广度。

高压旋转体在旋转马达的驱动下转动，喷头通过高压旋转体连接固定在冲刷盘上，喷头的运动形式是圆盘的快速转动和水射流设备的移动，高压冲刷可形成一定区域范围的混凝土表面处理，破碎作业的厚度和广度可通过参数调节来控制。冲刷盘通过喷头冲刷不断带走破碎的骨料，不引起振动现象同时实现混凝土逐层剥除。

3.3 设备对比试验

本文以某公路水泥混凝土防撞护栏改造工程为实际应用背景，对该混凝土表面破除设备的应用效果进行验证。本工程结构中护栏混凝土破碎深度在2 cm以内，在破除混凝土范围相同的情况下，分别采用人工风镐［19-22］和新型墙体表面处理设备进行作业，墙体表面处理设备的技术参数和指标见表1。

表1 水射流设备技术参数和指标Tab.1 Technical parameters and indexes of water jet equipment

通过高压泵产生100 MPa以上的高压水输送至冲刷装置，再由冲刷盘喷头绕中心轴转动的同时进行横向移动，喷射出高速水流，作用于混凝土表面。射流在物料上形成一定宽幅的破碎带，完成混凝土防撞护栏表层破除，破碎效果如图5所示。

图5 使用水射流设备处理效果Fig.5 Treatment effect of waterjet equipment

现场试验结果表明，与传统设备相比如图6所示，墙体表面处理装备处理后防撞护栏表面均匀性更好，该设备不仅能够稳定作业，对原路面防撞护栏进行快速破除，而且不易产生应力扩散。

图6 使用风镐处理效果Fig.6 Effect of air pick treatment

3.4 试验结果对比分析

综合对比风镐与墙体表面处理装置2种施工方式，见表2。

表2 高压水射流破除与传统人工破除混凝土试验结果对比Tab.2 Comparison of test results of high pressure waterjet concrete breaking and traditional manual concrete breaking

（1）工效对比。

从最初凿除到完成，在工程量相同的情况下，与使用墙体表面处理装备相比，传统风镐凿除法效率更低，工期更长；在每天作业10 h的情况下，人工手持风镐一工日可凿除防撞护栏32 m2，而水射流设备一日可凿除218 m2，后者工效约为前者工效的7倍，生产能力更强。就机械设备破除单位面积混凝土的施工效率而言，高压水破除技术采用的墙体表面处理装备相当于7台风镐的生产能力，效率值更高。

（2）质量对比。

采用水射流设备清除能够使混凝土从墙体完全剥离，破除效果较好，整体界面较整齐，界面黏结能力强，有利于后期混凝土防撞护栏修复施工；而风镐破除的工作面上局部界面仍然残留混凝土，没能满足一次性达到工程质量要求，部分位置需要重新返工。

高压水射流破碎对混凝土的损伤较小，没有破坏原有路面结构，原因是高压水破除混凝土是一种持续加载，逐层微量破除过程，而风镐的手段是瞬时破除，对原有结构的破坏程度较高。同时，通过调整水压力、流量等参数来控制对混凝土的打击厚度和区域，这也凸显了本设备的精度优势，实现对混凝土的精确破除。

（3）安全对比。

风镐采用人工近距离操作机械，施工时混凝土碎渣飞溅或者风镐的风管脱落都极易造成人员伤害，安全性较低。相比之下，水射流设备采用人工遥控机器人的操作方式更自动化，可通过远距离遥控实现设备的就位作业，在完成施工的同时也保证了人员的安全，施工环境较差情况下更加安全可靠。

综上所述，本文研发的设备在保证作业质量的前提下，能够加快施工进度，尽可能降低对既有交通的影响，结合实际情况，综合考虑效率、安全、经济效益等因素，设定合适的施工技术参数，满足工程需求。

4 结论

（1）设计了新型墙体表面处理装备，实现了高压水射流设备的精准破除混凝土机械化作业。结果表明，100 MPa以上的水射流压力大面积冲刷护栏表面，快速破除混凝土，效率约为人工风镐凿除的7倍，同时大幅降低人工的劳动强度，改善了工程质量效果显著。

（2）深入分析和优化了水射流设备的各部件，使得设备能够随着工作环境的变化而自动调整，有效扩大高压水冲刷的面积，设备作业的灵活性提高，拓展了水射流加工的适用领域，向智能控制、节能环保方向发展。

（3）理论研究和实际应用证明，采用墙体表面处理装备破碎高效混凝土是完全可行的，不仅满足了对混凝土结构物破除修复的实际需要，而且可以作为水射流工程设备设计与研发的一种参考，具有很高的推广应用价值。