梁煒明， 許 鵬， 黃齊兵， 侯偉治， 伍毅敏， 傅鶴林

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

高壓水切割技術(shù)作為一種高效、安全、綠色、環(huán)保的加工工藝，廣泛應(yīng)用于食品醫(yī)療、航空航天、天然氣、海洋、石油和建筑工程等領(lǐng)域。目前，在交通運輸領(lǐng)域中，高壓水射流切割破除混凝土技術(shù)在高速公路改擴建、城市橋梁快速改造、隧道二襯混凝土鑿除等工程中得到了廣泛使用；除此之外，以高壓水為輔助破巖的高壓水力耦合破除TBM設(shè)備也將投入運營[1]。

日本、歐美等發(fā)達國家已將高壓水破除技術(shù)發(fā)展成為一項代替機械破除的成熟工藝。在國內(nèi)，此項應(yīng)用還處于起步階段，對于高壓水破除混凝土機理的認識、參數(shù)的確定尚只有初步的研究成果。張海洋[2]、李自光等[3]探討了高壓水射流的切割機理，建立了流體動力學(xué)模型,設(shè)計制造了高壓水切割混凝土設(shè)備并證明了高壓水切割設(shè)備工作的有效性，但對切割混凝土設(shè)備的水力參數(shù)沒有明確指出。周癢天等[4]、施慧俊[5]基于高壓水切割模型試驗，探討了切割水力參數(shù)對切割效率的影響，初步研究了一部分水力參數(shù)值。杜曉琳[6]對高壓水切割混凝土作用機理和性能規(guī)律進行了較為系統(tǒng)的研究，但僅僅就純水切割做了研究，沒有對磨料水切割規(guī)律展開分析。

本文采用不同強度混凝土試塊作為切割試件，選擇不同的切割工藝參數(shù)進行高壓純水、高壓磨料水切割性能試驗，探究不同工藝參數(shù)及磨料特性對混凝土切割深度的影響規(guī)律。

1 高壓水切割原理

1.1 高壓水射流設(shè)備工作原理

水射流切割技術(shù)是利用增壓設(shè)備和特定形狀的噴嘴形成高速水射流束，使水的勢能轉(zhuǎn)變成集中于很小點的動能，產(chǎn)生強大的切割力。純水切割系統(tǒng)主要由高壓水裝置、水射流噴嘴、切割平臺、控制系統(tǒng)、水循環(huán)處理系統(tǒng)以及其他工作附件組成。磨料水射流切割系統(tǒng)與純水切割系統(tǒng)主要區(qū)別在于加入了磨料添加裝置。根據(jù)磨料和水混合的方式不同，可分為前混合磨料水射流切割系統(tǒng)和后混合磨料水切割系統(tǒng)2類。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1、圖2所示。

圖1 前混合磨料射流系統(tǒng)原理圖

圖2 后混合磨料射流系統(tǒng)原理圖

1.2 高壓水射流切割機理

目前，普遍認為高壓純水破碎混凝土、巖石等類脆性材料分為兩個階段：初期以應(yīng)力波作用為主，使混凝土形成拉伸破壞的主體；后期主要是射流的準靜態(tài)壓力使混凝土內(nèi)已有的微孔隙、微裂紋等損傷繼續(xù)擴展[7]。隨著刀頭的移動，高壓水連續(xù)不斷的射流沖擊混凝土，并且在表面徑流的沖刷和剪切下，破碎的材料不斷地被帶走，試塊發(fā)生剝蝕，逐步深入，造成試塊的切割和穿透。

基于磨料水射流作用下材料的失效過程及切割機理研究，相關(guān)學(xué)者提出了幾種不同的切割機理類型：熱破碎機理[8]、脆性斷裂和塑性流動機理[9]以及切割磨蝕和變形磨蝕機理[10]等。對于磨料水破巖機理的研究，其實質(zhì)是磨料射流與巖石相互作用以及由此引起的巖石損傷破碎過程[11]。

1.3 高壓水切割影響因素

高壓水切割混凝土時，水壓力控制著高壓水的出射速度，在噴嘴直徑一定的條件下，水壓力決定了高壓水所產(chǎn)生的能量大小，較高的水壓力才能產(chǎn)生足以破壞混凝土結(jié)構(gòu)的能量[12]；因此，水壓力是水射流切割的重要工藝參數(shù)。同樣，高壓噴頭會沿著切割表面移動并與切割面保持一定的距離，合理的行刀速度、行刀次數(shù)與噴頭靶距也是切割破除混凝土的重要切割工藝參數(shù)。

磨料水切割混凝土時，磨料顆粒在水射流加速下產(chǎn)生一定動能并對混凝土實施撞擊、侵蝕等破壞[13]。磨料顆粒產(chǎn)生的動能大小，主要由磨料顆粒的大小及磨料顆粒的濃度決定。因此，探究磨料特性對混凝土切割深度的影響，主要考慮磨料粒度及磨料流量。

2 高壓水射流切割混凝土性能試驗

制備強度等級為C50、C40、C30、C20、C15 的標準混凝土試件，在試件標準養(yǎng)護28 d后進行切割試驗。切割設(shè)備采用二位數(shù)控水射流切割機床，其壓力最高可達到400 MPa，可調(diào)節(jié)其行刀速度、靶距、水壓力、水流量等參數(shù)，切割設(shè)備的控制參數(shù)如表1所示。水射流切割設(shè)備采用的是后混式磨料添加裝置，切割設(shè)備如圖3所示。

表1 高壓水射流切割條件水壓力/MPa水流量/(L·min-1)走刀速度/(mm·min-1)走刀次數(shù)/刀靶距/mm切割角度/(°)磨料流量/(g·min-1)磨料粒度/目200、250、300、350、4003.7、5.5、7.450、100、150、3001、210、20、30、40、5090759、804、830、858、90040、60、80、100、120

圖3 高壓水切割平臺

試驗分為純水切割和磨料水切割，采用不同的水壓力、水流量、行刀速度、行刀次數(shù)、靶距、磨料粒度、磨料流量對不同強度的混凝土試件進行切割。試驗結(jié)束后，采用游標卡尺直接對破碎深度進行測量，按均分5個測點進行測量，取其平均值。切割后的混凝土試塊如圖4所示。

圖4 切割后的混凝土試件

3 試驗結(jié)果分析

3.1 切割工藝參數(shù)的影響

3.1.1水壓力

射流壓力是高壓水切割混凝土的重要參數(shù)，采用純水切割工況下，不同水壓力對不同強度的混凝土切割深度結(jié)果如圖5所示。

圖5 切割深度與水壓力關(guān)系

總體來看，隨著高壓水壓力增加，不同強度的混凝土切割深度都呈上升趨勢。在相同水壓條件下，混凝土強度越高切割深度越小。當水壓超過300 MPa后，C30、C20和C15混凝土切割深度曲線圖斜率突變，切割深度有明顯提高；C50和C40混凝土切割深度曲線仍保持原有線性增加趨勢基本不變，切割深度未見明顯提升；由此說明，高壓水切割混凝土時，存在一個與混凝土強度有關(guān)的水壓臨界值，切割水壓力超過水壓臨界值時，切割效率明顯增加，混凝土強度越高對應(yīng)的水壓臨界值越大。

初步試驗發(fā)現(xiàn)高壓純水切割深度很小，切割效果不明顯，即使強度最小的C15混凝土在400 MPa壓力下，切深也僅達20 mm。為了使比對結(jié)果更加顯著，后續(xù)比對試驗均采用切磨料水切割。

3.1.2靶距

走刀一次，采用后混式磨料水切割混凝土，改變噴頭靶距，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 切割深度與靶距關(guān)系

由圖6可以看出，靶距在10～30 mm范圍時，隨著靶距增加，切割深度逐漸增加；當靶距等于30 mm時，切割曲線達到峰值，切割深度達到最大；在靶距大于30 mm后，切割深度曲線呈下降趨勢。

由此看出，其他條件不變的情況下，高壓水切割不同強度混凝土，存在一個相同的最優(yōu)切割靶距值。此次試驗工況下的最優(yōu)靶距為30 mm。存在最優(yōu)靶距主要原因是在水射流切割過程中，沖擊在試件表面上的水射流會產(chǎn)生反射波，當靶距過小，與水射流反向的反射波對水射流產(chǎn)生嚴重的相互作用，顯著影響水射流的切割壓力，降低切割效率；當靶距過大，水射流沖出噴嘴后，其集束性越來越差，減弱切割效果，使切割深度降低[14]。

3.1.3走刀速度及走刀次數(shù)

試驗采用后混式磨料水，改變噴頭的走刀速度，并連續(xù)兩次切割，以研究走刀速度及走刀次數(shù)對混凝土切割深度的影響，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 切割深度與走刀速度、次數(shù)關(guān)系

由圖7可以看出，切割深度與走刀速度呈反比關(guān)系。走刀速度越慢，在混凝土表面停留的時間越長，切割深度就越大，但切割所需要的時間也越長。保持混凝土試塊長度不變情況下，比較走刀速度為50 mm/min(走刀1次)與100 mm/min(走刀2次)2種工況下的切割深度。在切割所用時間相同的條件下，走刀2次切割的深度比單次走刀的切割深度更大。多次走刀條件下，上次切割時的應(yīng)力波已經(jīng)對切割處混凝土造成損傷，再次行刀時，切除混凝土需要的能量減少，切割效率增加。

對比可知，在切割工作量相同時，多次走刀切割效率更高。單一改變走刀速度無法提高切割效率，采用走刀速度和走刀次數(shù)的合理組合即可達到高效率切割。

3.2 磨料水切割特性分析

3.2.1加磨料與純水切割混凝土對比分析

分別采用純水與磨料水切割，對比分析兩者切割混凝土深度差別。試驗結(jié)果如圖8所示。

a) 水壓200 MPa切割深度b) 水壓300 MPa切割深度圖8 磨料水與純水切割深度對比圖

加入磨料后，高壓水切割混凝土的深度大幅提高。相比純水切割深度，磨料水切割深度增加了近10倍。在相同水壓下，不同強度混凝土切割深度差別不大，說明用磨料水切割混凝土選取切割水壓時，可不考慮混凝土強度對切割深度的影響。

純水切割混凝土時，切割深度很小，水對混凝土幾乎無法產(chǎn)生破壞作用，加入磨料后，水相當于介質(zhì)，磨料起沖蝕切割作用，高壓水的高速運動，使磨料顆粒產(chǎn)生很大的動能，使混凝土不斷地脫落，形成切縫，最終實現(xiàn)切割。純水切割混凝土不能實現(xiàn)高效率切割，要實現(xiàn)高效率切割混凝土，需在高壓水中加入混合磨料。

3.2.2磨料顆粒大小對混凝土切割深度影響

采用磨料粒度分別為40、60、80、100、120目5個等級的磨料來研究磨料顆粒大小對混凝土切割深度的影響。

切割深度曲線隨著磨料粒度增加呈現(xiàn)先增大后下降趨勢(見圖9)。當顆粒粒度在40～60目范圍內(nèi)時，混凝土的切割深度增加，顆粒粒度為60目時，切割深度達到最大，顆粒粒度大于60目后，混凝土切割深度減小。由曲線變化趨勢可知，磨料顆粒大小選取存在最優(yōu)值。

圖9 切割深度與磨料粒度關(guān)系圖

分析可知，存在磨料顆粒最優(yōu)值主要是磨料水切割混凝土時，磨料的流量不變情況下，磨料粒徑較小時，磨料顆粒容易加速，單位時間內(nèi)進入噴嘴的顆粒數(shù)量就多。但是，顆粒粒徑小其質(zhì)量就輕，產(chǎn)生的動能小，因此產(chǎn)生總的切割能力較小。磨料粒徑較大時，雖然單個顆粒產(chǎn)生的動能增大，但是磨料顆粒不易加速，進入噴嘴的總顆粒數(shù)量將會減少，產(chǎn)生總的切割能力也不會太大。

綜上可知，磨料水切割混凝土時，顆粒粒度選擇存在最優(yōu)值。此工況下，顆粒粒度最優(yōu)值為60目。

3.2.3磨料流量對混凝土切割深度影響

改變磨料流量大小，分別在759、804、830、858、900 g/min條件下，研究磨料流量對混凝土切割深度的影響(見圖10)。

圖10 切割深度與磨料流量關(guān)系圖

由圖10可以看出，隨著磨料流量增大，混凝土的切割深度先增大后減小，切割曲線存在峰值。這個峰值點對應(yīng)的切割深度最大，此時磨料流量值為切割過程中的最優(yōu)流量值。

磨料流量的大小決定了單位時間內(nèi)進入噴射管道磨料顆粒的數(shù)量。磨料流量增大，進入噴射管道內(nèi)的磨料顆粒越多，磨料顆粒具有的總動能就越大，切割能力越大。由于受到噴嘴直徑限制，磨料顆粒數(shù)量過多會使磨料顆粒之間產(chǎn)生相互影響，從而導(dǎo)致部分磨料顆粒不能得到有效加速，使切割能力下降。

綜上所述，磨料流量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，過小的磨料流量無法產(chǎn)生足夠的切割能力，過大的磨料流量會造成堵管現(xiàn)象。磨料流量的選定與噴嘴的直徑有關(guān)。

4 結(jié)論

在高壓水切割破除混凝土技術(shù)中，針對切割工藝參數(shù)及磨料水切割特性分析得出以下結(jié)論：

1)高壓水切割混凝土時，存在一個與混凝土強度相關(guān)的水壓臨界值，混凝土強度越高，水壓臨界值越大；高壓水切割混凝土時，不同強度混凝土存在一個相同的最優(yōu)切割靶距值；在一定的工作量下，走刀速度和走刀次數(shù)實現(xiàn)合理的組合即可達到高效率切割。

2)用純水切割混凝土不能實現(xiàn)高效率切割，要實現(xiàn)高效率切割混凝土，需在高壓水中加入混合磨料；磨料水切割混凝土選取切割水壓時，可不考慮混凝土強度對切割深度的影響。

3)磨料水切割混凝土時，顆粒粒度的選擇存在最優(yōu)值；磨料流量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，過小的磨料流量無法產(chǎn)生足夠的切割能力，過大的磨料流量會造成堵管現(xiàn)象。磨料流量的選定與噴嘴的直徑有關(guān)。