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干冰清洗对混凝土表面损伤影响分析-------行业动态

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-11-11 8:44:31 * 浏览: 1

将干冰应用于清洗行业始于1945年,美国海军利用干冰清除顽固的油脂及混合附着物。六七十年代,以美国为首的一批学者就以干冰等“可挥发性”颗粒作为介质的喷砂清洗技术进行了深入的研究和广泛的尝试,奠定了干冰清洗技术的基础。而国内则是在1999年后才引入了干冰清洗技术。

国内外对于干冰清洗技术开展了一系列的理论及试验研究。SpurG等介绍了干冰清洗技术及其设备,并通过试验优化了设备参数。陈继辉等研究了干冰在圆柱密闭容器中进行了绝热条件与有热交换、有空气排出与排除空气这4种过程中的升化特性,得出了干冰升华过程中温度与压力的关系以及空气对T P关系的影响。干冰清洗的应用范围较广泛,干冰清洗在不同的领域中的运用也进行了研究,张毅平等研究了干冰清洗油槽车的可行性,结果表明采用干冰清洗技术清洗油槽车,具有技术优势及应用的可行性。Sherman等和Yang等将干冰微粒喷射法用于清洁硅基片、金属、陶瓷、光学器件、聚合体表面、CMOS图像传感器的清洗方面,取得了良好的清洗效果。段学明等进行了干冰清洗在清除炉管表面的灰垢及汽车行业等方面的应用研究,结果表明清洗效果好,对被清洗物无损伤。Uh1mann等利用干冰清洗铝,发现干冰清洗可提高铝片的粘结性能。干冰微粒喷射法对硅单晶基片、真空设备零件和红外光学望远镜等物体的清洗都取得了良好的成果。孙洪孟通过干冰清洗不同的污染物的试验,得出了干冰清洗对油污、灰尘和积碳等污染物效果明显。刘溟等进行了变电站绝缘子干冰清洗试验,得出了干冰清洗绝缘子的角度、距离及喷头移动速度等参数的最优值及干冰清洗优于现有清洗技术的结论。

隧道是加强各地区之间交流、促进社会发展所不可缺少的,而隧道清洁则是隧道安全运行的重要保证。

选择合适的清洁技术来清洗隧道不仅可以提高清洗效率,还可以提高隧道的使用寿命,而高效、安全、环保的干冰清洗技术是对隧道进行有效清洁的不二选择。目前,国外已将干冰清洗应用于房屋、隧道等的清洗,如德国凯驰公司应用干冰清洗机清洗需除污的隧道,而国内对于混凝土干冰清洗方面的研究及应用都较少。清洗后混凝土表面的损伤程度是干冰清洗是否适用于隧道的关键因素,对于橡胶、金属等致密性较高的材料,干冰清洗后未造成损伤,对于混凝土致密性较低的材料是否会造成的损伤程度需研究。因此,选取正交试验研究干冰清洗过程中各关键因素对混凝土表面污垢剥离后表面孔隙率增长量的影响。根据国内外干冰清洗技术的研究及应用,基于正交试验,选择混凝土干冰清洗中的干冰流量、清洗时间、清洗过程中喷嘴与混凝土的距离、角度4个因素对混凝土表面孔隙率增长量的影响进行了试验分析,研究了各个因素与表面孔隙率增长量之间的关系。通过正交试验结果进行正交试验极差分析,得出各因素对表面孔隙率增长量影响的主次关系,并运用层次分析法确定各因素对表面孔隙率增长量影响的权值大小,为混凝土干冰清洗提供一定的理论基础。

1干冰清洗试验

1.1干冰清洗原理

干冰清洗技术是将具有一定压力的压缩空气和干冰颗粒混合后喷射到被清洗物体的表面,使其表面的污垢受到外力的作用而剥离脱落。污垢所受的外力主要包括干冰微爆力及混合物喷射到物体表面的冲击力。其中,干冰微爆是指在常温常压(20 C,0.101 MPa)下干冰迅速吸热升华体积膨胀至800倍[13J左右所造成的。清洗过程中,一方面干冰吸收物体表面污垢的热量,使污垢发生龟裂;另一方面,干冰的迅速膨胀及混合物的冲击力会使污垢剥离物体表面。

1.2试验条件

1)试验试件:混凝土试件取样于重庆市渝中区五一路地下停车库环道隧道二衬,尺寸为100 mm×

100 mm×100 mm,试块表面的抗压强度为24.6 MPa,表面光滑。

2)试验设备:四川资阳四达低温机械有限公司生产的KBQX 30DG单管干冰清洗机,转轴转速与干冰用量成正比,可调节范围为0~1500r/min,气源压力0.3~1.0 MPa,耗气量3~5 m3/min,可通过随意改变转轴转速而改变干冰流量。

1.3试验方法

试验采用正交试验设计方法,研究干冰流量、清洗距离、清洗时间及喷射角度对混凝土表面孔隙产生量的影响,具体试验步骤如下:

1)对未涂污的试件进行拍照,以备对比使用;

2)在泥土中加入少量的液压油充分混合作为污垢,取等量分别均匀涂抹于试件表面。等表面污垢完全干后进行清洗试验;

3)先将干冰加入干冰清洗机中,然后开启空压机进行预热,直到其能提供稳定的压缩空气流;

4)将试件固定后,开启清洗机,按照正交试验表进行清洗试验,每组试验进行3次。清洗过程中喷嘴与被清洗面的距离保持稳定,喷嘴移动平稳、匀速,各点清洗时间均匀;

5)对清洗后的试件拍照,将图片导入MATLAB中进行灰度分析,运用MATLAB计算得出表面孔隙率。

1.4混凝土表面孔隙产生量影响因素正交试验设计

隧道病害的类型主要有水害、冻害、衬砌裂损及衬砌侵害等,对隧道衬砌的稳定性都有一定的影响。

隧道清洁是防止隧道灾害和病害最有效的手段之一,目前主要采用的隧道清洗方法有人工清洗法、滚刷式清洗法、高压水射流清洗法等,具有能耗高、造成二次污染、安全系数低等缺点,因此高效、安全、环保、无水的干冰清洗技术是隧道清洗技术的发展方向。为了给隧道干冰清洗提供一定的理论基础,拟用正交试验研究清洗参数对混凝土表面孔隙的影响。

选择干冰清洗过程中的干冰流量、清洗时间、清洗过程中喷嘴与混凝土的距离、角度4个因素对混凝土表面孔隙率增长量影响进行分析,按照正交试验法采用4因素4水平的试验L16(45)方案,共需进行16次试验,各因素水平的取值如表1所示。

表1正交试验4因素4水平表


1

2

3

4


A干冰流

量/(kg.min 1)

0.62

1.08

1.54

2


B清

洗距离/cm

10

15

20

25


C清洗时间/s

D清洗角度/(。)

5

55~60

10

65~70

15

75~80

20

85~90

其中,干冰流量是依据混凝土的表面抗压强度,选择的流量范围较大有利于对比分析。清洗距离、清洗时间及喷射角度则是在其他学者研究的基础上进行赋值的。

2 清洗效果

由于干冰颗粒与污垢接触后气化为气体,使其能够进入混凝土表面的孔隙中,清洗孔隙中的污垢。并且由于干冰气化而与污垢发生的热交换使污垢的温度较低,低温下的污垢具有脆性,不会附着在临近的位置上。而二氧化碳的密度大于空气的密度,气化后的干冰下沉会阻止污垢的乱飞。这样使干冰清洗能够达到彻底去除污垢的目的。

试件涂污前、涂污后及干冰清洗后的状态如图1所示。采用拭擦法判别试件是否清洗干净。干冰清洗后用白色湿巾擦拭混凝土表面,来回拭擦3次,对比擦拭前后的湿巾,无差异时判定为清洗干净。

 

图1试件清洗效果对比

通过对比混凝土清洗前后的图片及表面的擦拭情况,可以得出:干冰清洗能有效地清洗混凝土表面的污垢;混凝土干冰清洗后,混凝土表面产生孔隙。

3 试验结果分析

3.1混凝土表面孔隙率的计算

对清洗前后试块进行拍照,通过MATLAB对图片进行分析得出清洗后表面孔隙率,用S表示。由于清洗前混凝土表面比较光滑,故不考虑试验前混凝土表面孔隙率。

3.2试验数据

通过混凝土干冰清洗试验,研究干冰与压缩空气混合物的冲击力及干冰与混凝土热交换对混凝土的影响,试验发现当清洗参数变化时,混凝土表面孔隙发育变化差异较大,结果如表2所示。


表2正交

试验结果

试验

A/(kg.min-1)

B/cm

c/s

D/(。)

S

1

0.62

10

5

55~60

0.0043

2

0.62

15

10

65~70

0.0038

3

0.62

20

15

75~80

0.0031

4

0.62

25

20

85~90

0.0046

5

1.08

10

10

75~80

0.0044

6

1.08

15

5

85~90

0.0049

7

1.08

20

20

55~60

0.0055

8

1.08

25

15

65~70

0.0044

9

1.54

10

15

85~90

0.0063

10

1.54

15

20

75~80

0.0051

11

1.54

20

5

65~70

0.0054

12

1.54

25

10

55~60

0.0058

13

2.00

10

20

65~70

0.0066

14

2.00

15

15

55~60

0.0077

15

2.00

20