亚音速粒子流冲击破除路面混凝土层装置及施工方法
技术领域
本发明涉及一种亚音速粒子流冲击破除路面混凝土层装置，主要应用于路面、桥面铺装混凝土破除及修复的技术领域。
背景技术
我国自上世纪八十年代开始，社会经济和市政基础设施建设呈飞跃式发展，建造了大量的混凝土建(构)筑物和道路桥梁、机场跑道等交通基础设施。
根据交通运输部《公路水路交通行业发展统计公报》，我国公路投资规模不断扩大，公路总里程及密度持续增长，截止2017年底，全国公路网总里程已突破477万公里，其中公路养护里程467万公里，占公路总里程的97％，并且全年用于公路修复改造的费用占比超过70％。目前，我国城市道路长度38.2万公里，城市道路面积75.4亿平方米，人均15.8平方米，由于超负荷运营和使用年限较长，路面混凝土大多已出现各种亟待修复的严重病害，也面临着城市道路拓宽、延伸等满足大交通量的改造问题。我国现有公路桥梁超过80万座，长度超过5万公里，其中90％以上使用钢筋混凝土，据发达国家经验，桥梁使用20～30年后为病害集中暴露期，而我国上世纪八十年代以来修建的桥梁约占40％，桥梁路面和桥墩等总体病害状况不容乐观，危桥数量居高不下。还有，我国民航机场目前有218个，根据政府计划，至2025年再建成124个新机场，这其中包括首都机场在内的很多机场跑道也面临道面大修。而大修或改造必然首先面临如何破除已发生病害的混凝土层的问题。
因此，随着我国交通事业的快速发展，不少先期建成道路、桥梁和机场跑道等由于设计标准低、超期服役、超负荷运营，以及载荷、风化、腐蚀、温差效应等因素的影响，混凝土路面已经到了必须进行修复改造的阶段，如果不进行及时维修，往往随时间推移而迅速劣化，两三年内就不能满足行驶要求，将无法适应目前大交通量的需求和经济长期快速发展，亟需对病害路面混凝土清除、修复、翻新或拓展，延长使用寿命。如何快速清除病害路面和修复道路，并尽可能减少施工期间对交通和环境的影响是非常值得研究的问题。为了解决上述问题，研究人员提出了多种方法。
例如，中国专利CN201710152398.4公开了一种桥面铺装混凝土的破除方法，涉及混凝土桥(路)面改造技术领域，具体地指一种桥面铺装混凝土的破除方法，通过将待拆除的桥面铺装层划分为若干个板块，沿板块的边缘钻设多个间隔布置的向板块中心倾斜的劈裂孔，将锥形钢钎的小头端插入劈裂孔内，人工锤击钢钎的大头端挤压劈裂孔使相邻两个劈裂孔之间的混凝土裂开，待所有劈裂孔之间的混凝土均裂开后，继续锤击钢钎使该板块与梁体脱离，在脱离的板块上钻设削弱孔进行破碎，依次进行，直至所有的板块清理完成，解决了现有混凝土破除设备工艺效率低、振动危害严重等问题。但该种设备工艺基本原理仍是采用振动冲击破碎，不可避免产生粉尘、噪音等，甚至可能诱导周围完好混凝土的损伤。
中国发明专利CN201710118764.4公开了一种混凝土路面静力破除工艺，通过路面孔眼定位进而钻破除孔，利用放置的劈裂顶推油缸加压，使混凝土路面出现初始扩展裂纹，油缸进一步加压直至混凝土路面出现贯通扩展裂纹，最后取出劈裂顶推油缸，并清除被剥离混凝土，依此进行下一组混凝土破除。该发明通过采用钻孔顶推劈裂方式剥离混凝土，一定程度上解决了噪声和粉尘污染问题，振动冲击危害影响较小。但该设备工艺采用静力方式破除，作业效率高和破碎效率可能有待提高。
综上所述，常规的路面混凝土层破碎方式包括人振动冲击式破碎、静力压入式等，但存在噪音震动大、工作效率低、破除深度和面积精度控制差、混凝土固体废弃物后期难处理等诸多难题。而且，上述方法极有可能会对原有结构或路基产生非常大的损伤和扰动，还会不经意破除大量完好的混凝土，造成周边优质坚固混凝土产生裂缝并扩展。欧美、日本等国采用高压水射流技术清除破碎病害路段局部混凝土，基本克服了传统工艺方法的不足。尽管高压水射流破除工艺技术相比于传统工艺在破碎效率、节能环保方面有一定的优势，但其不足也是显而易见的，体现在以下方面：①对于局部破碎修复效率较高，而对于大修、拓展等长距离、大面积工程量的路面混凝土破碎，效率还不是很高；②高压水射流破除作业要求高泵压才能达到较好的破除效果，设备条件较为苛刻，限制了其工程应用推广。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种亚音速粒子流冲击破除路面混凝土层装置及施工方法，解决道路、机场等工程中病害路面混凝土层破除效率低、粉尘和噪音污染、破除深度和面积精度控制差等问题。
本发明所述的亚音速粒子流冲击破除路面混凝土层装置，包括亚音速粒子流发生系统、执行系统和粒子后处理系统，亚音速粒子流发生系统包括高压泵，高压泵通过管道连通高压储粒罐，执行系统包括机体，机体上分布有并联设置的高压喷管，机体下部设置抽吸机构，粒子后处理系统包括磁力筛分机，磁力筛分机通过管道分别连通搅拌罐和振动筛分机，搅拌罐连接射流混浆上料装置，振动筛分机下方为蓄水池，蓄水池连通高压泵，射流混浆上料装置通过管道连通高压储粒罐，高压储粒罐通过高压管连通高压喷管，抽吸机构通过回收管连通磁力筛分机。
所述的高压储粒罐并列设置为两台，射流混浆上料装置通过管道分别连通两高压储粒罐顶部进料口，两高压储粒罐顶部分别设置高压阀门，底部分别设置高压球阀，两高压储粒罐分别连接两混合腔，高压泵通过管道分别连通两混合腔进口，两混合腔的出口分别通过高压管连通高压喷管，两混合腔进口和出口处分别设置高压阀门。
所述的高压储粒罐内填充钢质球型颗粒，粒径为0.5mm～3mm，高压储粒罐容积为50L～100L，颗粒下落量在20kg/min～100kg/min之间。
所述的高压喷管顶部设置升降装置，升降装置安装在横移架上，横移架连接横移驱动机构，横移驱动机构安装在机体上，机体底部设置为行进机构，机体底部外周设置密封组件。可以通过卡槽和密封橡胶将路面层圈闭起来，防止工作过程中流体、粒子和混凝土碎屑等外流，避免污染周围环境，同时底部设置抽吸机构，可以随时将破碎后产生的固-液混合物及时抽吸走，保持工作空间清洁，实现回收利用和循环不间断工作。
所述的升降装置包括升降驱动机构和升降架，升降驱动机构选用丝杠升降装置，横移驱动机构包括驱动电机，驱动电机连接丝杠，丝杠上设置丝母，横移架安装在丝母上，驱动电机安装在机体上。
所述的高压喷管出口直径设置为1mm～5mm，高压喷管并联10～50个，高压喷管之间间距为30mm～50mm，高压喷管的喷距设置在15mm～35mm之间。
所述的射流混浆上料装置包括射流混浆上料机，射流混浆上料机连接射流混浆泵，射流混浆上料机通过管道连通高压储粒罐，射流混浆泵连接蓄水池。
所述的振动筛分机布置在磁力筛分机的下方，搅拌罐布置在磁力筛分机的一侧，该侧靠近高压储粒罐，搅拌罐体积设置为10m3～20m3，搅拌罐以5r/min～20r/min的转速旋转搅拌。
本发明所述的亚音速粒子流冲击破除路面混凝土层的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)搅拌罐装满钢质粒子，通过反旋将粒子输出到射流混浆上料装置，将粒子和水混合后经管道给高压储粒罐上料；
2)上料完成后，停止上料，启动高压泵，抽吸蓄水池内的水，开启高压储粒罐进行工作，高压泵将钢质粒子与高压流体混合后经高压管道输送至执行系统的并联高压喷管喷出，产生亚音速粒子流冲击作用于路面混凝土层上，进行破碎作业；
3)破碎后的混凝土碎屑、钢质粒子和水的混合物通过抽吸机构抽吸到回收管道内，并输送至粒子后处理系统的磁力筛分机内，磁力筛分机首先通过磁选将钢质粒子筛选出后，再经脱磁处理后输送至搅拌罐内，以备进行储存和上料循环，混凝土碎屑和水的混合物流经管道通过振动筛分机进行处理，实现固体碎屑与水的分离，水进入蓄水池循环利用，混凝土固体碎屑分离后装车运走。
所述的高压储粒罐并列设置为两台；
步骤2)中当其中一台高压储粒罐内的钢质粒子用完后，启动另一台高压储粒罐开始工作，钢质粒子与高压流体混合后仍然经高压管道输送至执行系统的并联高压喷管喷出，实现不间断破碎作业；
同时，在另一台高压储粒罐在进行工作时，第一台使用完成的高压储粒罐开启上料系统进行上料，上料完成后备用，两高压储粒罐依次循环上料和工作，达到闭环不间断施工作业目的。
亚音速粒子流发生系统，主要由高压泵、高压管道、高压阀门、高压储粒罐构成，高压泵产生高压流体，压力在30MPa～100MPa之间，经高压管线和高压阀门，流经高压储粒罐底部，两个高压储粒罐装满钢质球型颗粒(粒径0.5mm～3mm)，容积为50L～100L，可通过控制高压阀门的启闭来实现整个系统的交替循环工作，避免工作过程中断，通过高压储粒罐底部高压球阀开口度控制钢质球型颗粒的下落量，下落量一般控制在20kg/min-100kg/min，在高压储粒罐底部连接有混合腔，实现高压流体与钢质球型颗粒的固-液两相混合，形成高速粒子流，本系统主要功能是实现粒子流的调制，再通过高压管线流入下一步的执行系统。
执行系统是由并联的高压喷管、升降平台、横移机构、行进机构、抽吸机构等组成的半密闭工作系统，粒子流流入高压喷管产生亚音速粒子流，射流速度可达150m/s～300m/s，喷出后直接作用于路面混凝土层，起到冲击破除作用，高压喷管出口直径1mm～5mm，可根据路面宽度并联10～50个，间距控制在30～50mm，作用是喷射破除面积可覆盖整个路面断面，并联高压喷管通过升降平台调节到距离路面混凝土层的最优喷距，最优喷距一般在15mm～35mm之间，以实现高效、精确破除路面混凝土层，横移机构可调节高压喷管左右移动，以便最大限度实现破碎区域全覆盖，行进机构可使整个执行系统自动沿路面行进，实现长距离、持续破碎路面混凝土层，执行机构底部通过卡槽和密封橡胶将路面层圈闭起来，防止工作过程中流体、粒子和混凝土碎屑等外流，避免污染周围环境，同时底部设置抽吸机构，可以随时将破碎后产生的固-液混合物及时抽吸走，保持工作空间清洁，实现回收利用和循环不间断工作。
粒子后处理系统是由磁力筛分机、振动筛分机、搅拌罐、射流混浆泵、射流混浆上料机、蓄水池构成，磁力筛分机利用磁力作用将回收而来的混凝土碎屑、流体和钢质球型颗粒混合物中的钢质球型颗粒分离出来，并经脱磁机脱磁后进入搅拌罐存储，搅拌罐存储体积一般在10m3～20m3，搅拌罐以一定转速5r/min～20r/min低速旋转搅拌，作用是防止钢粒固结，振动筛分机将混合物中的固相碎屑筛选出来，通过运输小车集中运走回收，流体流入蓄水池重复再利用，射流混浆上料机将搅拌罐输出的钢粒通过管线运输至高压储粒罐，循环再利用，依次进行下一个工作循环。
本发明的有益效果是：
1、采用亚音速粒子流冲击破除路面混凝土，噪音低、无粉尘，节能环保，工作效率高、破除深度和面积精度控制好，所产生的混凝土固体废弃物颗粒小，有利于实现固体废弃物资源化利用。
2、该装置适用于路面大修、拓展等长距离、大面积工程量的路面混凝土破碎，不仅破除效率高，而且对原有路面层或路基结构的损伤和扰动小，保证了破碎区周边优质坚固混凝土的完好性，同时还不会对钢筋混凝土结构内的钢筋造成损伤。
3、该设备施工工序系统化，破碎效率高、效果好，且施工工艺简单、方便、可靠，性价比优越，物理力学性能稳定。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、高压泵；2、第一混料高压阀门；3、混合腔；4、第一高压储粒罐；5、第二高压储粒罐；6、进料口高压阀门；7、第二混料高压阀门；8、高压管道；9、升降装置；10、横移架；11、高压喷管；12、路面混凝土层；13、行进机构；14、回收管道；15、搅拌罐；16、射流混浆上料机；17、射流混浆泵；18、振动筛分机；19、磁力筛分机；20、蓄水池；21、抽吸机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明所述的亚音速粒子流冲击破除路面混凝土层装置，包括亚音速粒子流发生系统、执行系统和粒子后处理系统，亚音速粒子流发生系统包括高压泵1，高压泵1通过管道连通高压储粒罐，执行系统包括机体，机体上分布有并联设置的高压喷管11，机体下部设置抽吸机构21，粒子后处理系统包括磁力筛分机19，磁力筛分机19通过管道分别连通搅拌罐15和振动筛分机18，搅拌罐15连接射流混浆上料装置，振动筛分机18下方为蓄水池20，蓄水池20连通高压泵1，射流混浆上料装置通过管道连通高压储粒罐，高压储粒罐通过高压管连通高压喷管11，抽吸机构21通过回收管连通磁力筛分机19。高压储粒罐并列设置为两台，射流混浆上料装置通过管道分别连通两高压储粒罐顶部进料口，两高压储粒罐顶部分别设置高压阀门，底部分别设置高压球阀，两高压储粒罐分别连接两混合腔3，高压泵1通过管道分别连通两混合腔3进口，两混合腔3的出口分别通过高压管连通高压喷管11，两混合腔3进口和出口处分别设置高压阀门。高压储粒罐内填充钢质球型颗粒，粒径为0.5mm～3mm，高压储粒罐容积为50L～100L，颗粒下落量在20kg/min～100kg/min之间。高压喷管11顶部设置升降装置9，升降装置9安装在横移架10上，横移架10连接横移驱动机构，横移驱动机构安装在机体上，机体底部设置为行进机构13。升降装置9包括升降驱动机构和升降架，升降驱动机构选用丝杠升降装置9，横移驱动机构包括驱动电机，驱动电机连接丝杠，丝杠上设置丝母，横移架10安装在丝母上，驱动电机安装在机体上。高压喷管11出口直径设置为1mm～5mm，高压喷管11并联10～50个，高压喷管11之间间距为30mm～50mm，高压喷管11的喷距设置在15mm～35mm之间。射流混浆上料装置包括射流混浆上料机16，射流混浆上料机16连接射流混浆泵17，射流混浆上料机16通过管道连通高压储粒罐，射流混浆泵17连接蓄水池20。振动筛分机18布置在磁力筛分机19的下方，搅拌罐15布置在磁力筛分机19的一侧，该侧靠近高压储粒罐，搅拌罐15体积设置为10m3～20m3，搅拌罐15以5r/min～20r/min的转速旋转搅拌。
亚音速粒子流冲击破除路面混凝土层的施工方法：
1、首先，安装调试各设备系统完毕后，初始状态时，搅拌罐15装满钢质粒子，通过反旋将粒子输出到射流混浆上料机16的漏斗内，然后经射流混浆泵17抽吸蓄水池20里面的水，将粒子和水混合后经管道分别给两高压储粒罐进行上料，上料时，保持顶部进料口高压阀门6开启，同时关闭第一混料高压阀门2和第二混料高压阀门7。
2、然后，上料完成后，停止上料，并关闭进料口高压阀门6，启动高压泵1，抽吸蓄水池20内的水，开启第一高压储粒罐4进行工作，打开两个第一混料高压阀门2，高压泵1将高压流体泵送到第一高压储粒罐4的混合腔3，将钢质粒子与高压流体混合后经高压管道8输送至执行系统的并联高压喷管11喷出，产生亚音速粒子流冲击作用于路面混凝土层12上，进行破碎作业，作业时，可通过调节执行系统的升降平台控制高压喷管11与路面混凝土层12的喷距，通过调节横移机构控制高压喷管11与路面混凝土层12的横向破碎范围，行进机构13可使整个执行系统自动沿路面行进，实现长距离、持续破碎路面混凝土层12。
3、作业过程中，当第一高压储粒罐4内的钢质粒子用完后，启动第二高压储粒罐5开始工作，此时，开启两第二混料高压阀门7，关闭第一混料高压阀门2，钢质粒子与高压流体混合后仍然经高压管道8输送至执行系统的并联高压喷管11喷出，实现不间断破碎作业。
4、最后，破碎后的混凝土碎屑、钢质粒子和水的混合物通过抽吸机构21抽吸到回收管道14内，并输送至粒子后处理系统的磁力筛分机19内，磁力筛分机19首先通过磁选将钢质粒子筛选出后，再经脱磁处理后进入管道，输送至搅拌罐15内以备进行储存和上料循环，混凝土碎屑和水的混合物流经管道后，通过振动筛分机18进行处理，实现固体碎屑与水的分离，水进入蓄水池20循环利用，混凝土固体碎屑分离后装车运走。
其中，在第二高压储粒罐5在进行工作时，打开已经完成工作的第一高压储粒罐4顶部的进料口高压阀门6，并开启上料系统进行上料，上料完成后备用，以便在第二高压储粒罐5内的钢质粒子用完后，开启第一高压储粒罐4工作，第一高压储粒罐4和第二高压储粒罐5依次循环上料和工作，达到闭环不间断施工作业目的。
