摘 要： 水泥混凝土路面的养护、改建和再生都不可避免地要遇到路面板的切割问题。目前, 对于水泥混凝土路面板的切割多采用冲击器破碎、锯片切割、重锤砸板等方法, 这在环保要求、修质量以及能量利用等诸方面存在问题。现介绍一种新的路面板切割技术———高压水射流切割法。该技术采用的工作介质是水, 具有高效、节能、无污染、易操作且不会对原有路面产生大的结构性损坏, 极具推广价值。
关键词： 水泥混凝土 路面板 高压水射流 切割技术
1 概述
目前, 高等级公路中, 沥青路面约占到80 %左右。沥青路面行车舒适、噪音小、便于养护和修复。但是, 沥青源于石油工业, 随着资源不断地被开采消耗, 这就直接导致沥青路面的造价越来越高。据统计, 现在使用进口沥青修筑的公路较水泥造价高35 % ～40 % , 即每公里造价高出200 万元以上。另外, 沥青路面由于沥青材料不可避免地老化, 其耐久性远不如水泥路面, 其改建周期短, 寿命不如水泥路面。水泥路面具有整体强度高, 承载能力大的特点,在一些场合还是很有用武之地的。目前, 水泥路面之所以不如沥青路面发展迅速, 主要是水泥路面在产生病害后养护维修的难度大。由于缺乏高水平的水泥混凝土路面养护机械及养护维修工艺, 使得许多地方不得不放弃水泥路面而选择修建沥青路面。事实上, 我国水泥产量居世界首位。有廉价资源不用, 而花大量的金钱从国外进口沥青修建公路, 这不得不引起工程技术人员的思考。本文即是针对水泥混凝土路面养护维修问题, 介绍一种新的路面板切割技术———高压水射流切割技术。它具有高效、节能、环保、易操作且不会对原有路面结构产生破坏的优点, 相信会得到广泛的应用。
2 水泥混凝土路面特性及养护方法
沥青路面具有典型的弹性层状体系, 而水泥路面则显示出明显的刚性板体效应。水泥路面具有整体强度高、承载能力大、使用寿命长等特点。由于水泥混凝土路面的板体效应, 使得它具有很好的荷载扩散能力, 对基层的强度要求没有沥青路面的高, 但是要求平整度要好, 否则板底容易产生脱空, 从而产生应力集中导致断板。水泥路面容易产生的病害主要有: 断板、叽泥、错台及磨光等。由于路面板的强度高, 发生病害后不易处理, 导致了水泥路面养护维修的困难。
目前, 针对水泥路面养护维修问题的研究成果并不多见。一般做法是, 先对损坏处的路面板进行人工或者机械破碎, 然后用新的水泥混凝土材料进行填补。由于新、旧混合料之间的差异, 使得在结合处存在一个弱面, 随着时间的推移, 在重车轴载的碾压下, 很容易产生开裂, 甚至破碎。此外, 如果修补时没有控制好平整度, 导致路面在修补处出现凹陷或凸起, 严重影响了行车的舒适性和安全性。
水泥混凝土路面养护维修中的第一个也是比较关键的一道工序是对病害处的路面板进行切割破碎。目前使用的方法有冲击器破碎、锯片切割、重锤砸板等, 这些方法不仅产生无法忍受的噪音以及尘土飞扬, 而且冲击器破碎、重锤砸板对本来完好的混凝土路面板产生振动而形成微裂纹, 加剧了水泥混凝土路面的损坏, 锯片切割时由于锯片剧烈磨损, 导致成本大幅度提高。因此必须寻找更好的方法来维护水泥混凝土路面, 首先必须要解决好水泥混凝土路面板的切割问题。本文介绍一种新的水泥混凝土路面板切割技术———高压水射流切割法。
3 高压水射流切割技术的发展及研究现状[ 2 ] , [ 3 ]
高压水射流切割技术是最近20 年来发展起来的一项新技术, 最早应用于切割土砂、岩石和采掘煤炭, 目前已成功应用于采矿、冶金、航空、建筑、化工、医学等领域。高压水射流切割原理是: 经净化后的水, 进入水高压发生装置, 将水压提高到一定压力后, 经过控制阀送到喷嘴, 形成能量高度集中的高速射流束(射流在喷嘴出口的速度一般超过声速) , 即可对材料进行切割。
3.1 高压水射流的切割机理特点
(1) 由于高压水切割压力高(数十兆帕到几百兆帕) , 喷嘴直径小( 0.1 ～5.5 mm) , 能量高度集中, 因此切割反力小, 只有一百多牛顿, 便于切割过程中的自动控制.
(2) 高压水射流冲击到切割件表面时, 会在滞止点(射流中心线与被切割平面的交点) 及其附近产生很高的局部传热率, 使得被切割件的温度升高很小, 切口中(包括切割面) 的温度低于100℃。因此, 在高压水射流切割过程中不会产生热变形和热影响区, 不会改变被切割材料的性能。
(3) 高压水射流切割口宽度较小, 因此可以提高被切割材料的利用率。
(4) 由于高压水射流切割为非接触式切割, 因此被切割材料对切割刀具无磨损。
3.2 高压水射流技术的发展
(1) 目前, 已经从单一的纯水射流发展到多种形式的新型射流, 如气蚀射流、磨料水射流等。无论是那种形式的射流其工作原理都大同小异, ①气蚀射流是利用了射流中的气蚀空泡泯灭, 从而产生一集中在被切割材料表面非常微小面积上的极高压力。正是这种气蚀空泡的爆破力和高压水射流的冲击力共同作用将材料切割, 与纯水射流相比其切割效率有所提高。②磨料水射流是将磨料粒子加入到高压水射流束中, 形成固液两相混合物介质射流, 对材料进行切割。与纯水射流相比, 在相同的工作压力下磨料射流具有较高的切割效率, 但其成本相应较高。
(2) 目前, 水射流切割研究以试验研究为主。研究人员在水射流切割各种材料试验的基础上, 探求水射流切割参数(如射流喷射压力、喷嘴尺寸、喷嘴移动速度以及喷嘴与被切割材料之间的相对距离等)对切割效果(如切割深度、切割效率等) 的影响,从而提出一些经验公式, 为各种水射流工业性切割提供适宜的参数。
4 高压水射流切割技术在路面养护中的展望
水泥混凝土路面出现局部损坏后的第一道也是最为关键的工序就是路面板的切割, 因此, 我们必须要考虑引入新的设备及方法来切割破损的路面板。在美国以及一些欧洲国家, 超高压和大功率的水射流式混凝土破碎切割机械已经应用于水泥混凝土路面结构的切割和破碎、隧道施工、矿料开采等领域。应用情况表明, 采用水射流法切割或松动混凝土材料时, 不会损坏相邻的材料。由于高压水射流优越的切割性能,以及我国高压水射流技术近20 年来的发展, 可以相信该项技术一定会在我国高等级水泥混凝土路面养护领域得到广泛应用和推广。
5 结语
我国水泥储存丰富, 产量大, 应该立足于自身的实际情况, 充分利用我国现有的水泥资源, 大力开展水泥路面的建设和养护方面的研究工作, 争取为我国的交通事业做出更大的贡献。
参考文献:
[ 1 ] 李万莉, 朱福民. 高等级公路快速养护方法及设备. 北京: 人民交通出版社, 2005.
[ 2 ] 薛胜雄. 高压水射流技术与应用. 北京: 机械工业出版社, 1998.
[ 3 ] 李万莉, 徐宝富等. 高压水碎裂水泥路面的微结构损伤模型及仿真. 同济大学学报, 2005, (1).
