干冰清洗對混凝土表面損傷影響分析

將干冰應用于清洗行業始于1945年，美國海軍利用干冰清除頑固的油脂及混合附著物。六七十年代，以美國為首的一批學者就以干冰等“可揮發性”顆粒作為介質的噴砂清洗技術進行了深入的研究和廣泛的嘗試，奠定了干冰清洗技術的基礎。而國內則是在1999年后才引入了干冰清洗技術。

國內外對于干冰清洗技術開展了一系列的理論及試驗研究。SpurG等介紹了干冰清洗技術及其設備，并通過試驗優化了設備參數。陳繼輝等研究了干冰在圓柱密閉容器中進行了絕熱條件與有熱交換、有空氣排出與排除空氣這4種過程中的升化特性，得出了干冰升華過程中溫度與壓力的關系以及空氣對T P關系的影響。干冰清洗的應用范圍較廣泛，干冰清洗在不同的領域中的運用也進行了研究，張毅平等研究了干冰清洗油槽車的可行性，結果表明采用干冰清洗技術清洗油槽車，具有技術優勢及應用的可行性。Sherman等和Yang等將干冰微粒噴射法用于清潔硅基片、金屬、陶瓷、光學器件、聚合體表面、CMOS圖像傳感器的清洗方面，取得了良好的清洗效果。段學明等進行了干冰清洗在清除爐管表面的灰垢及汽車行業等方面的應用研究，結果表明清洗效果好，對被清洗物無損傷。Uh1mann等利用干冰清洗鋁，發現干冰清洗可提高鋁片的粘結性能。干冰微粒噴射法對硅單晶基片、真空設備零件和紅外光學望遠鏡等物體的清洗都取得了良好的成果。孫洪孟通過干冰清洗不同的污染物的試驗，得出了干冰清洗對油污、灰塵和積碳等污染物效果明顯。劉溟等進行了變電站絕緣子干冰清洗試驗，得出了干冰清洗絕緣子的角度、距離及噴頭移動速度等參數的最優值及干冰清洗優于現有清洗技術的結論。

隧道是加強各地區之間交流、促進社會發展所不可缺少的，而隧道清潔則是隧道安全運行的重要保證。

選擇合適的清潔技術來清洗隧道不僅可以提高清洗效率，還可以提高隧道的使用壽命，而高效、安全、環保的干冰清洗技術是對隧道進行有效清潔的不二選擇。目前，國外已將干冰清洗應用于房屋、隧道等的清洗，如德國凱馳公司應用干冰清洗機清洗需除污的隧道，而國內對于混凝土干冰清洗方面的研究及應用都較少。清洗后混凝土表面的損傷程度是干冰清洗是否適用于隧道的關鍵因素，對于橡膠、金屬等致密性較高的材料，干冰清洗后未造成損傷，對于混凝土致密性較低的材料是否會造成的損傷程度需研究。因此，選取正交試驗研究干冰清洗過程中各關鍵因素對混凝土表面污垢剝離后表面孔隙率增長量的影響。根據國內外干冰清洗技術的研究及應用，基于正交試驗，選擇混凝土干冰清洗中的干冰流量、清洗時間、清洗過程中噴嘴與混凝土的距離、角度4個因素對混凝土表面孔隙率增長量的影響進行了試驗分析，研究了各個因素與表面孔隙率增長量之間的關系。通過正交試驗結果進行正交試驗極差分析，得出各因素對表面孔隙率增長量影響的主次關系，并運用層次分析法確定各因素對表面孔隙率增長量影響的權值大小，為混凝土干冰清洗提供一定的理論基礎。

1.干冰清洗試驗

1.1干冰清洗原理

干冰清洗技術是將具有一定壓力的壓縮空氣和干冰顆?；旌虾髧娚涞奖磺逑次矬w的表面，使其表面的污垢受到外力的作用而剝離脫落。污垢所受的外力主要包括干冰微爆力及混合物噴射到物體表面的沖擊力。其中，干冰微爆是指在常溫常壓（20 C，0.101 MPa）下干冰迅速吸熱升華體積膨脹至800倍［13J左右所造成的。清洗過程中，一方面干冰吸收物體表面污垢的熱量，使污垢發生龜裂；另一方面，干冰的迅速膨脹及混合物的沖擊力會使污垢剝離物體表面。

1.2試驗條件

1）試驗試件：混凝土試件取樣于重慶市渝中區五一路地下停車庫環道隧道二襯，尺寸為100 mm×

100 mm×100 mm，試塊表面的抗壓強度為24.6 MPa，表面光滑。

2）試驗設備：四川資陽四達低溫機械有限公司生產的KBQX 30DG單管干冰清洗機，轉軸轉速與干冰用量成正比，可調節范圍為0～1500r/min，氣源壓力0.3～1.0 MPa，耗氣量3～5 m3/min，可通過隨意改變轉軸轉速而改變干冰流量。

1.3試驗方法

試驗采用正交試驗設計方法，研究干冰流量、清洗距離、清洗時間及噴射角度對混凝土表面孔隙產生量的影響，具體試驗步驟如下：

1）對未涂污的試件進行拍照，以備對比使用；

2）在泥土中加入少量的液壓油充分混合作為污垢，取等量分別均勻涂抹于試件表面。等表面污垢完全干后進行清洗試驗；

3）先將干冰加入干冰清洗機中，然后開啟空壓機進行預熱，直到其能提供穩定的壓縮空氣流；

4）將試件固定后，開啟清洗機，按照正交試驗表進行清洗試驗，每組試驗進行3次。清洗過程中噴嘴與被清洗面的距離保持穩定，噴嘴移動平穩、勻速，各點清洗時間均勻；

5）對清洗后的試件拍照，將圖片導入MATLAB中進行灰度分析，運用MATLAB計算得出表面孔隙率。

1.4混凝土表面孔隙產生量影響因素正交試驗設計

隧道病害的類型主要有水害、凍害、襯砌裂損及襯砌侵害等，對隧道襯砌的穩定性都有一定的影響。

隧道清潔是防止隧道災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、滾刷式清洗法、高壓水射流清洗法等，具有能耗高、造成二次污染、安全系數低等缺點，因此高效、安全、環保、無水的干冰清洗技術是隧道清洗技術的發展方向。為了給隧道干冰清洗提供一定的理論基礎，擬用正交試驗研究清洗參數對混凝土表面孔隙的影響。