一種新的水泥混凝土路面板切割技術(shù)

摘　要：　水泥混凝土路面的養(yǎng)護(hù)、改建和再生都不可避免地要遇到路面板的切割問題。目前, 對于水泥混凝土路面板的切割多采用沖擊器破碎、鋸片切割、重錘砸板等方法, 這在環(huán)保要求、修質(zhì)量以及能量利用等諸方面存在問題?，F(xiàn)介紹一種新的路面板切割技術(shù)———高壓水射流切割法。該技術(shù)采用的工作介質(zhì)是水, 具有高效、節(jié)能、無污染、易操作且不會對原有路面產(chǎn)生大的結(jié)構(gòu)性損壞, 極具推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：　水泥混凝土　路面板　高壓水射流　切割技術(shù)

1 　概述

　　目前, 高等級公路中, 瀝青路面約占到80 %左右。瀝青路面行車舒適、噪音小、便于養(yǎng)護(hù)和修復(fù)。但是, 瀝青源于石油工業(yè), 隨著資源不斷地被開采消耗, 這就直接導(dǎo)致瀝青路面的造價(jià)越來越高。據(jù)統(tǒng)計(jì), 現(xiàn)在使用進(jìn)口瀝青修筑的公路較水泥造價(jià)高35 % ～40 % , 即每公里造價(jià)高出200 萬元以上。另外, 瀝青路面由于瀝青材料不可避免地老化, 其耐久性遠(yuǎn)不如水泥路面, 其改建周期短, 壽命不如水泥路面。水泥路面具有整體強(qiáng)度高, 承載能力大的特點(diǎn),在一些場合還是很有用武之地的。目前, 水泥路面之所以不如瀝青路面發(fā)展迅速, 主要是水泥路面在產(chǎn)生病害后養(yǎng)護(hù)維修的難度大。由于缺乏高水平的水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)機(jī)械及養(yǎng)護(hù)維修工藝, 使得許多地方不得不放棄水泥路面而選擇修建瀝青路面。事實(shí)上, 我國水泥產(chǎn)量居世界首位。有廉價(jià)資源不用, 而花大量的金錢從國外進(jìn)口瀝青修建公路, 這不得不引起工程技術(shù)人員的思考。本文即是針對水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)維修問題, 介紹一種新的路面板切割技術(shù)———高壓水射流切割技術(shù)。它具有高效、節(jié)能、環(huán)保、易操作且不會對原有路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的優(yōu)點(diǎn), 相信會得到廣泛的應(yīng)用。

2 　水泥混凝土路面特性及養(yǎng)護(hù)方法

　　瀝青路面具有典型的彈性層狀體系, 而水泥路面則顯示出明顯的剛性板體效應(yīng)。水泥路面具有整體強(qiáng)度高、承載能力大、使用壽命長等特點(diǎn)。由于水泥混凝土路面的板體效應(yīng), 使得它具有很好的荷載擴(kuò)散能力, 對基層的強(qiáng)度要求沒有瀝青路面的高, 但是要求平整度要好, 否則板底容易產(chǎn)生脫空, 從而產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致斷板。水泥路面容易產(chǎn)生的病害主要有: 斷板、嘰泥、錯(cuò)臺及磨光等。由于路面板的強(qiáng)度高, 發(fā)生病害后不易處理, 導(dǎo)致了水泥路面養(yǎng)護(hù)維修的困難。

　　目前, 針對水泥路面養(yǎng)護(hù)維修問題的研究成果并不多見。一般做法是, 先對損壞處的路面板進(jìn)行人工或者機(jī)械破碎, 然后用新的水泥混凝土材料進(jìn)行填補(bǔ)。由于新、舊混合料之間的差異, 使得在結(jié)合處存在一個(gè)弱面, 隨著時(shí)間的推移, 在重車軸載的碾壓下, 很容易產(chǎn)生開裂, 甚至破碎。此外, 如果修補(bǔ)時(shí)沒有控制好平整度, 導(dǎo)致路面在修補(bǔ)處出現(xiàn)凹陷或凸起, 嚴(yán)重影響了行車的舒適性和安全性。

　　水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)維修中的第一個(gè)也是比較關(guān)鍵的一道工序是對病害處的路面板進(jìn)行切割破碎。目前使用的方法有沖擊器破碎、鋸片切割、重錘砸板等, 這些方法不僅產(chǎn)生無法忍受的噪音以及塵土飛揚(yáng), 而且沖擊器破碎、重錘砸板對本來完好的混凝土路面板產(chǎn)生振動(dòng)而形成微裂紋, 加劇了水泥混凝土路面的損壞, 鋸片切割時(shí)由于鋸片劇烈磨損, 導(dǎo)致成本大幅度提高。因此必須尋找更好的方法來維護(hù)水泥混凝土路面, 首先必須要解決好水泥混凝土路面板的切割問題。本文介紹一種新的水泥混凝土路面板切割技術(shù)———高壓水射流切割法。

3 　高壓水射流切割技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀^{[ 2 ] , [ 3 ]}

　　高壓水射流切割技術(shù)是最近20 年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù), 最早應(yīng)用于切割土砂、巖石和采掘煤炭, 目前已成功應(yīng)用于采礦、冶金、航空、建筑、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。高壓水射流切割原理是: 經(jīng)凈化后的水, 進(jìn)入水高壓發(fā)生裝置, 將水壓提高到一定壓力后, 經(jīng)過控制閥送到噴嘴, 形成能量高度集中的高速射流束(射流在噴嘴出口的速度一般超過聲速) , 即可對材料進(jìn)行切割。

3.1 　高壓水射流的切割機(jī)理特點(diǎn)

　　(1) 由于高壓水切割壓力高(數(shù)十兆帕到幾百兆帕) , 噴嘴直徑小( 0.1 ～5.5 mm) , 能量高度集中, 因此切割反力小, 只有一百多牛頓, 便于切割過程中的自動(dòng)控制.

　　(2) 高壓水射流沖擊到切割件表面時(shí), 會在滯止點(diǎn)(射流中心線與被切割平面的交點(diǎn)) 及其附近產(chǎn)生很高的局部傳熱率, 使得被切割件的溫度升高很小, 切口中(包括切割面) 的溫度低于100℃。因此, 在高壓水射流切割過程中不會產(chǎn)生熱變形和熱影響區(qū), 不會改變被切割材料的性能。

　　(3) 高壓水射流切割口寬度較小, 因此可以提高被切割材料的利用率。

　　(4) 由于高壓水射流切割為非接觸式切割, 因此被切割材料對切割刀具無磨損。

3.2 　高壓水射流技術(shù)的發(fā)展

　　(1) 目前, 已經(jīng)從單一的純水射流發(fā)展到多種形式的新型射流, 如氣蝕射流、磨料水射流等。無論是那種形式的射流其工作原理都大同小異, ①氣蝕射流是利用了射流中的氣蝕空泡泯滅, 從而產(chǎn)生一集中在被切割材料表面非常微小面積上的極高壓力。正是這種氣蝕空泡的爆破力和高壓水射流的沖擊力共同作用將材料切割, 與純水射流相比其切割效率有所提高。②磨料水射流是將磨料粒子加入到高壓水射流束中, 形成固液兩相混合物介質(zhì)射流, 對材料進(jìn)行切割。與純水射流相比, 在相同的工作壓力下磨料射流具有較高的切割效率, 但其成本相應(yīng)較高。

　　(2) 目前, 水射流切割研究以試驗(yàn)研究為主。研究人員在水射流切割各種材料試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 探求水射流切割參數(shù)(如射流噴射壓力、噴嘴尺寸、噴嘴移動(dòng)速度以及噴嘴與被切割材料之間的相對距離等)對切割效果(如切割深度、切割效率等) 的影響,從而提出一些經(jīng)驗(yàn)公式, 為各種水射流工業(yè)性切割提供適宜的參數(shù)。

4 　高壓水射流切割技術(shù)在路面養(yǎng)護(hù)中的展望

　　水泥混凝土路面出現(xiàn)局部損壞后的第一道也是最為關(guān)鍵的工序就是路面板的切割, 因此, 我們必須要考慮引入新的設(shè)備及方法來切割破損的路面板。在美國以及一些歐洲國家, 超高壓和大功率的水射流式混凝土破碎切割機(jī)械已經(jīng)應(yīng)用于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的切割和破碎、隧道施工、礦料開采等領(lǐng)域。應(yīng)用情況表明, 采用水射流法切割或松動(dòng)混凝土材料時(shí), 不會損壞相鄰的材料。由于高壓水射流優(yōu)越的切割性能,以及我國高壓水射流技術(shù)近20 年來的發(fā)展, 可以相信該項(xiàng)技術(shù)一定會在我國高等級水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣。

5 　結(jié)語

　　我國水泥儲存豐富, 產(chǎn)量大, 應(yīng)該立足于自身的實(shí)際情況, 充分利用我國現(xiàn)有的水泥資源, 大力開展水泥路面的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)方面的研究工作, 爭取為我國的交通事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

　　[ 1 ] 李萬莉, 朱福民. 高等級公路快速養(yǎng)護(hù)方法及設(shè)備. 北京: 人民交通出版社, 2005.

　　[ 2 ] 薛勝雄. 高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

　　[ 3 ] 李萬莉, 徐寶富等. 高壓水碎裂水泥路面的微結(jié)構(gòu)損傷模型及仿真. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, (1).