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摘要：隨著隧道數(shù)量的增加，隧道中的清潔問題也逐漸引起人們的重視。本文研究了一門新型的隧道清洗方法-干冰清洗，提出了一種基于二氧化碳與干冰的相態(tài)轉(zhuǎn)換原理及干冰清洗特點建立的隧道干冰清洗理論模型，對干冰清洗混凝土的可行性進行了試驗研究。清潔度試驗的結果表明，試驗設備能用于混凝土清洗試驗，干冰清洗效果明顯，對混凝土表面無損傷。干冰清洗與其它清洗技術相比，具有安全、高效等優(yōu)勢。分析表明，干冰清洗技術優(yōu)于其它的清洗技術，適用于隧道清洗。
引言
隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，各地區(qū)之間交流及貿(mào)易往來顯得尤為重要，交通的發(fā)展是我們不可忽視的一個重要問題。我國是一個多山的國家，山地面積占國土的2/3以上，隧道的建設在交通發(fā)展中占有不可或缺的地位。有資料顯示，五十年代，我國僅有公路隧道30多座，總長約2500m。“八五”到“九五”期間，我國公路隧道的建設得到迅速的發(fā)展。“九五”期間新建隧道504座，27.8萬米，如梁山隧道（3100m×2）、縉云山隧道（2450m×2）、大溪嶺隧道（4116m×2）、二郎山隧道（4200×2）等。
隨著隧道數(shù)量的增加，其所帶來的問題也逐漸引起人們的重視。隧道的空氣流通性比較差，汽車尾氣和揚塵及人們拋扔各種垃圾很難得到有效的排出和降解，而汽車尾氣中的炭黑、機油與揚塵混合形成的混合物將沉積在隧道墻壁的表面以及機電設備上，最終將形成難以清除的污垢。這些污垢會明顯降低隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，減弱隧道的照明效果，從而危害隧道內(nèi)的行車安全。車內(nèi)的空氣來自車運行時活塞效應帶來的隧道中的風，所以假如隧道灰塵過大的話，車上空氣會比較渾濁，不利于人體健康。隧道式高速公路的咽喉，隧道的通行效率嚴重制約著高速公路的使用效率。因此，為了改善隧道運營的環(huán)境，提高隧道行車安全，就必須對隧道進行定期的清洗維護。目前主要的隧道清洗方法有人工清洗法、滾刷式化學藥劑清洗法、高壓水射清洗法，而干冰清洗是一門新興的清洗技術。許多專家研究運用干冰清洗技術來清洗各種不同的物體，如張毅平等研究了干冰噴射清洗油槽車的可行性；楊寶學研究了將干冰清洗應用于注汽鍋爐等，并且都得出了干冰清洗要優(yōu)于其它清洗技術的結論。
1、隧道清洗技術
目前主要采用的隧道清洗方案有人工清洗法、滾刷式化學藥劑清洗法、高壓水射流清洗法。
人工清洗法由清洗人員用化學藥劑對隧道土建結構、機電設備等進行清洗。這種清洗方法不僅勞動強度大、清洗效率很低、清洗質(zhì)量差、環(huán)境污染大，而且化學藥劑對清洗人員的身體健康有較大的危害。
滾刷式清洗方法主要是用機器代替人工采用化學藥劑對隧道進行清潔。這種方法雖然能夠有效提高清洗效率，但是由于清洗死角的存在，清洗質(zhì)量較差，同時化學清洗劑清洗排污廢水會對環(huán)境造成污染。
高壓水射流清洗技術是近年來發(fā)展起來的清洗技術，它通過高壓水發(fā)生裝置將水加壓至數(shù)十個到上千個大氣壓，然后通過具有細小孔徑的噴射裝置將水轉(zhuǎn)換為告訴的微細水射流。
這種水射流的速度一般都在一倍馬赫數(shù)（1M=340m/s）以上，具有巨大的打擊能量。這種具有高能量、高速度的水流正向或切向沖擊物體表面，進而完成隧道的清潔維護工作。與人工清洗及滾刷式清洗方法相比，這種清洗方法具有不需化學藥劑、清洗效率高的優(yōu)點。但是高壓水射流清洗技術有一些不可避免的缺點，如由于水射流的打擊能量高、沖擊速度大的特點，易破壞清洗對象；清洗時所需的工作壓力很高，易發(fā)生意外事故；以水為介質(zhì)不僅會消耗大量的水資源，也增加了隧道的濕度，易對機電設備造成損害。
綜上所述，目前所采用的隧道清洗方法具有能耗高、污染大、安全系數(shù)低等缺點。因此，高效、安全、環(huán)保、無水的隧道清洗技術是隧道清洗技術的發(fā)展方向。
2、干冰清洗隧道的可行性分析
目前，干冰清洗的研究范圍比較廣泛，對于將干冰清洗用于隧道清洗方面的研究較少，將干冰清洗技術應用于隧道清洗工程實例的更少。本文主要以試驗分析的方法研究干冰清洗隧道的機理與可行性。
2.1干冰清洗原理
干冰是溫度為-78.5℃固態(tài)的二氧化碳。干冰清洗技術一般是使用 干冰制造機（干冰機、 制冰機、干冰造粒機、 干冰制粒機、干冰粒制機）制成一定規(guī)格的干冰顆粒，然后利用 干冰清洗機（干冰噴射器、 干冰噴射機、干冰噴射清洗機、 干冰洗模機、干冰 模具清洗機）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锉砻妫酶杀w粒本身具有的低溫和高速運動產(chǎn)生的沖量使得污穢物龜裂。而在常溫常壓下（20℃，,0101MPa），干冰具有吸熱可直接升華為氣體且由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時體積將膨脹891倍的特性，其體積的迅速膨脹使破碎的污垢從物體表面被剝離。
1、低溫龜裂：當干冰顆粒接觸隧道表面（混凝土）時吸熱升華，使得污垢溫度急劇降低，由于混凝土與污穢物的熱膨脹系數(shù)不同，兩者間的溫差破壞了兩種物質(zhì)之間的結合，影響粘附污垢的機械性能，使污垢冷凍至脆化及爆裂。
2、能量轉(zhuǎn)移：干冰顆粒高速撞擊混凝土表面，撞擊功能散逸，干冰顆粒與清洗表面的污垢發(fā)生了快速的能量和動能轉(zhuǎn)移。
3、干冰微爆：干冰碎粒進入污垢裂隙，迅速升華體積瞬間膨脹至800倍左右，造成微爆炸，從而使污垢剝離混凝土表面。干冰顆粒的沖擊只發(fā)生在污垢與基體結合的表面，對混凝土無損傷。
2.2干冰清洗試驗設備
所用的設備為自制的干冰清洗機，是將傳統(tǒng) 干冰制造機（干冰機、制冰機、干冰造粒機、干冰制粒機、干冰粒制機）與干冰清洗機（干冰噴射器、干冰噴射機、干冰噴射清洗機、干冰洗模機、干冰模具清洗機）功能合成使用，主要由干冰生成部、干冰導入部及清洗噴嘴部三部分組成。干冰生成部的設計是利用節(jié)流膨脹的原理。高壓過冷的液態(tài)二氧化碳通過節(jié)流膨脹小孔噴出，急速降壓膨脹，一部分液態(tài)二氧化碳吸收熱量氣化，而另一部分液態(tài)二氧化碳則由于放熱，快速冷凝為固體的干冰，從而在出口處形成高速的氣固兩相流。試驗過程中可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流膨脹閥孔徑的大小來控制干冰的生成量。
干冰導入部的設計室利用文丘里管負壓原理。打開控制壓縮空氣部的閥門，使壓縮空氣流入干冰導入部。然后打開干冰生成部的控制閥生成干冰，而高速流動的壓縮空氣會在干冰導入部中產(chǎn)生負壓，將干冰吸入清洗流路中，充分混合后經(jīng)清洗噴嘴噴出。
清洗噴嘴部的設計室采用拉伐爾噴管原理。由于壓縮空氣與干冰的混合氣固兩相流在該部加速至超音速，從而能夠產(chǎn)生一定的沖擊力，使混合氣體與混凝土表面污垢充分接觸，達到對混凝土表面進行清洗的目的。干冰清洗要求噴管出口處流體速度不低于1.5倍馬赫，則對應的壓力比（噴管進出口壓力比）不低于1.49倍。因噴管中流動過程是接近穩(wěn)定的，即可假定流體的參數(shù)只沿噴管的軸向發(fā)生變化，滿足穩(wěn)定流動的基本方程式。
2.3清潔度試驗
在清洗過程中，高速噴出的干冰顆粒與污垢顆粒碰撞時，干冰顆粒的動量轉(zhuǎn)移給污垢顆粒，使污垢能夠克服與物體表面的黏結力，從而使固體顆粒脫離物體表面。而干冰氣化吸熱使污垢溫度降低，低溫污垢的脆性使其徹底被清除。試驗采用目測光學法進行檢驗，即先目測清洗后的試件，然后再將光學顯微鏡安裝在高像素照相機上對試件進行拍照。通過將清洗前后的試件進行比較，得出干冰清洗的清潔度。
試驗所采用的設備為上述自制試驗機，其中清洗噴嘴部與干冰導入部由金屬軟管連接，可以改變清洗的角度。試驗機的主要參數(shù)：進口空氣壓力（0.7MPa），空氣溫度（298.15K），排氣量（1m3/min），噴嘴出口溫度（195.15K），出口壓力（0.122MPa），流體出口速度1.6倍馬赫。本文主要對干冰清洗可行性進行研究，采用清洗部分距離噴嘴約20cm，角度在75º至85º之間的試驗參數(shù)進行試驗。
試驗所采用的試件取樣于重慶市渝中區(qū)五一路地下停車庫環(huán)道隧道二襯，并在同等條件下養(yǎng)護28天的100mm×100mm×100mm的正方體。
試驗過程：1）用彩筆劃定試件上20mm×20mm的區(qū)域，然后將試件用相機拍照，方便與清洗后的試件進行對比。2）確認干冰清洗試驗機各部連接完好，打開空氣壓縮機，當其空轉(zhuǎn)一段時間后關閉空壓機上的排氣閥。當空氣壓縮機內(nèi)空氣壓力達到0.7MPa后，開啟空氣進氣閥門；3）待空氣沿噴嘴噴出穩(wěn)定后打開液態(tài)二氧化碳氣瓶閥門和液態(tài)二氧化碳流路閥門；4）干冰清洗噴嘴出口處明顯看到干冰顆粒噴出后，將噴嘴移到距離試件被清洗面約20cm處，角度在75º至85º之間；5）將清洗后的試件用相機拍照，便于觀察。并用紙巾擦拭混凝土，進一步了解干冰的清洗效果。6）清洗試驗完成后先關閉液態(tài)二氧化碳氣瓶閥門，再關閉干冰試驗機液態(tài)二氧化碳進氣閥門，約2分鐘后關閉空氣壓縮機電源，待空壓機內(nèi)氣壓恢復常壓后關閉干冰清洗機進氣閥門；打開空壓機排水閥門排除水后關閉；試驗結束。
可以得出：干冰清洗效果較為明顯，擦拭過混凝土的紙巾較為干凈，則說明其能夠徹底清洗混凝土表面的污垢。試驗前后試件表面的孔隙，基本沒有發(fā)育，則說明干冰清洗對混凝土表面無損傷。
3干冰清洗的優(yōu)勢及面臨的問題
3.1干冰清洗的優(yōu)勢
干冰清洗與其它清洗技術相比，具有安全性高、快速高效、清洗效果好等優(yōu)勢。
1）安全性高
干冰清洗對基體表面的損傷小，適合于清洗表面硬度低或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量要求高的物件。因此干冰清洗是模具清洗、工業(yè)清洗首選清洗方式。由于干冰清洗是以二氧化碳為清洗介質(zhì)，在清洗過程中，不會損壞機電設備，不會影響機電設備的正常運行。而對于其它清洗方法而言，需要用水作為清洗介質(zhì)，機電設備不能正常運行；高沖擊力還可能造成清洗物的損壞。
2）快速高效
干冰清洗時通過壓縮空氣的流動帶動干冰顆粒撞擊混凝土表面污垢，干冰迅速氣化，其體積的膨脹可使污垢迅速從混凝土表面剝離。同時，固體顆粒能夠?qū)ξ酃笇赢a(chǎn)生更大的沖擊力，有利于污垢的剝離。
3）清洗效果好
干冰清洗技術對清洗油污、灰塵和積碳等污染物效果明顯。由于干冰顆粒與污垢接觸后氣化為氣體，使其能夠進入混凝土表面的孔隙中，清洗孔隙中的污垢。并且由于干冰氣化而與污垢發(fā)生的熱交換使污垢的溫度較低，低溫下的污垢具有脆性，不會附著在臨近的位置上。而二氧化碳的密度大于空氣的密度，氣化后的干冰下沉會阻止污垢的亂飛。這樣使干冰清洗能夠達到徹底去除污垢的目的。而對于人工清洗與滾刷式清洗而言，在消耗大量的人力物力的同時，死角也不能被清洗干凈。
4）節(jié)能環(huán)保
能源是經(jīng)濟發(fā)展的原動力，是現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎，安全可靠的能源供應和高效、清潔的利用能源是實現(xiàn)社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基本保障。干冰是固態(tài)的二氧化碳，二氧化碳是可再生資源。而干冰清洗產(chǎn)生的廢物也是二氧化碳，其對環(huán)境、人體、機械無害。相對而言，其它清洗方法原料為淡水。我國的淡水資源缺乏，南北分布不均，以淡水為清洗介質(zhì)會造成資源的浪費。而且在北方寒冷的冬天，淡水易凝固，而仍然可以采用以二氧化碳為原料的干冰清洗技術。
干冰清洗的優(yōu)勢使其成為清洗行業(yè)的“新寵”，尤其在汽車制造業(yè)清洗、橡膠模具清洗、食品醫(yī)藥行業(yè)清洗、電力行業(yè)清洗等需要特殊清洗的行業(yè)中都已得到運用�，F(xiàn)在，干冰清洗在美國已經(jīng)被各行業(yè)普遍接受。對于國內(nèi)而言，其進入中國的時間較晚，發(fā)展還不成熟。但是隨著中國經(jīng)濟技術的發(fā)展，干冰清洗技術會更加成熟，其能應用到越來越多的行業(yè)，也會被越來越多的人所采用。
3.2干冰清洗隧道面臨的困難
干冰清洗技術作為一門新興的清洗技術，從知識、試用、檢驗、采用到廣泛推廣，必然會經(jīng)歷一個長期的過程。目前，干冰清洗的應用主要集中在石化、輪胎等領域，也取得了較高的經(jīng)濟和社會效益。但是對于隧道清洗方面研究以及應用都較少，目前所遇到的困難也較多。
1）隧道頂部的清洗問題
目前所研究的清潔度問題主要是近距離的試驗研究，劉溟等研究干冰清洗變電站絕緣子時，設置的清洗距離為20cm、30cm及40cm。而對于高度一般為4.8m的隧道而言，對其頂部進行清洗時，清潔度會因清洗距離而受到較大的影響。
2）大量干冰運輸具有一定的危險性
干冰是溫度為-78.5℃的固態(tài)二氧化碳，吸熱后不經(jīng)液化便直接氣化，體積會急劇膨脹。因此，在干冰的運輸過程中，要注意保持運輸箱的冷凍，低溫狀態(tài)。并且長距離的運輸也會加劇干冰運輸?shù)奈ｋU性。
3）試驗研究較少
進行試驗及實際操作時，能借鑒的干冰清洗隧道的技術及理論依據(jù)較少。如采用將液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)換為干冰的方法來節(jié)省成本時，各種不確定因素會影響二氧化碳與干冰之間的轉(zhuǎn)換率，而實際操作時所能依據(jù)的理論支撐較少。
雖然目前將干冰清洗用于隧道清洗有較多的困難，但是，作為一種新型的、環(huán)保的、高效的、相比傳統(tǒng)的清洗技術擁有諸多獨到優(yōu)勢的干冰清洗技術必將是我國清洗行業(yè)的發(fā)展趨勢。
4、結論
（1）根據(jù)二氧化碳與干冰的兩相性質(zhì)及干冰清洗的特性設計出一種適用于干冰清洗混凝土試驗的試驗設備。清潔度試驗及干冰用量分析說明自制試驗機能夠用于試驗研究，為后續(xù)的干冰清洗試驗提供了設備支撐。
（2）通過清潔度試驗說明干冰清洗對混凝土的清洗效果較為明顯，且表面孔隙沒有發(fā)育，說明對表面基本無損傷。
（3）相對其它清洗技術而言，干冰清洗是一門環(huán)保、高效、快速及對試件無損傷的清洗方法，將干冰清洗應用于隧道清洗，為隧道清洗的研究提供了一個新的發(fā)展方向。
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