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摘要：随着隧道数量的增加，隧道中的清洁问题也逐渐引起人们的重视。本文研究了一门新型的隧道清洗方法-干冰清洗，提出了一种基于二氧化碳与干冰的相态转换原理及干冰清洗特点建立的隧道干冰清洗理论模型，对干冰清洗混凝土的可行性进行了试验研究。清洁度试验的结果表明，试验设备能用于混凝土清洗试验，干冰清洗效果明显，对混凝土表面无损伤。干冰清洗与其它清洗技术相比，具有安全、高效等优势。分析表明，干冰清洗技术优于其它的清洗技术，适用于隧道清洗。
引言
随着经济高速发展，各地区之间交流及贸易往来显得尤为重要，交通的发展是我们不可忽视的一个重要问题。我国是一个多山的国家，山地面积占国土的2/3以上，隧道的建设在交通发展中占有不可或缺的地位。有资料显示，五十年代，我国仅有公路隧道30多座，总长约2500m。“八五”到“九五”期间，我国公路隧道的建设得到迅速的发展。“九五”期间新建隧道504座，27.8万米，如梁山隧道（3100m×2）、缙云山隧道（2450m×2）、大溪岭隧道（4116m×2）、二郎山隧道（4200×2）等。
随着隧道数量的增加，其所带来的问题也逐渐引起人们的重视。隧道的空气流通性比较差，汽车尾气和扬尘及人们抛扔各种垃圾很难得到有效的排出和降解，而汽车尾气中的炭黑、机油与扬尘混合形成的混合物将沉积在隧道墙壁的表面以及机电设备上，最终将形成难以清除的污垢。这些污垢会明显降低隧道内空气质量，减弱隧道的照明效果，从而危害隧道内的行车安全。车内的空气来自车运行时活塞效应带来的隧道中的风，所以假如隧道灰尘过大的话，车上空气会比较浑浊，不利于人体健康。隧道式高速公路的咽喉，隧道的通行效率严重制约着高速公路的使用效率。因此，为了改善隧道运营的环境，提高隧道行车安全，就必须对隧道进行定期的清洗维护。目前主要的隧道清洗方法有人工清洗法、滚刷式化学药剂清洗法、高压水射清洗法，而干冰清洗是一门新兴的清洗技术。许多专家研究运用干冰清洗技术来清洗各种不同的物体，如张毅平等研究了干冰喷射清洗油槽车的可行性；杨宝学研究了将干冰清洗应用于注汽锅炉等，并且都得出了干冰清洗要优于其它清洗技术的结论。
1、隧道清洗技术
目前主要采用的隧道清洗方案有人工清洗法、滚刷式化学药剂清洗法、高压水射流清洗法。
人工清洗法由清洗人员用化学药剂对隧道土建结构、机电设备等进行清洗。这种清洗方法不仅劳动强度大、清洗效率很低、清洗质量差、环境污染大，而且化学药剂对清洗人员的身体健康有较大的危害。
滚刷式清洗方法主要是用机器代替人工采用化学药剂对隧道进行清洁。这种方法虽然能够有效提高清洗效率，但是由于清洗死角的存在，清洗质量较差，同时化学清洗剂清洗排污废水会对环境造成污染。
高压水射流清洗技术是近年来发展起来的清洗技术，它通过高压水发生装置将水加压至数十个到上千个大气压，然后通过具有细小孔径的喷射装置将水转换为告诉的微细水射流。
这种水射流的速度一般都在一倍马赫数（1M=340m/s）以上，具有巨大的打击能量。这种具有高能量、高速度的水流正向或切向冲击物体表面，进而完成隧道的清洁维护工作。与人工清洗及滚刷式清洗方法相比，这种清洗方法具有不需化学药剂、清洗效率高的优点。但是高压水射流清洗技术有一些不可避免的缺点，如由于水射流的打击能量高、冲击速度大的特点，易破坏清洗对象；清洗时所需的工作压力很高，易发生意外事故；以水为介质不仅会消耗大量的水资源，也增加了隧道的湿度，易对机电设备造成损害。
综上所述，目前所采用的隧道清洗方法具有能耗高、污染大、安全系数低等缺点。因此，高效、安全、环保、无水的隧道清洗技术是隧道清洗技术的发展方向。
2、干冰清洗隧道的可行性分析
目前，干冰清洗的研究范围比较广泛，对于将干冰清洗用于隧道清洗方面的研究较少，将干冰清洗技术应用于隧道清洗工程实例的更少。本文主要以试验分析的方法研究干冰清洗隧道的机理与可行性。
2.1干冰清洗原理
干冰是温度为-78.5℃固态的二氧化碳。干冰清洗技术一般是使用 干冰制造机（干冰机、 制冰机、干冰造粒机、 干冰制粒机、干冰粒制机）制成一定规格的干冰颗粒，然后利用 干冰清洗机（干冰喷射器、 干冰喷射机、干冰喷射清洗机、 干冰洗模机、干冰 模具清洗机）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表面，利用干冰颗粒本身具有的低温和高速运动产生的冲量使得污秽物龟裂。而在常温常压下（20℃，,0101MPa），干冰具有吸热可直接升华为气体且由固态变为气态时体积将膨胀891倍的特性，其体积的迅速膨胀使破碎的污垢从物体表面被剥离。
1、低温龟裂：当干冰颗粒接触隧道表面（混凝土）时吸热升华，使得污垢温度急剧降低，由于混凝土与污秽物的热膨胀系数不同，两者间的温差破坏了两种物质之间的结合，影响粘附污垢的机械性能，使污垢冷冻至脆化及爆裂。
2、能量转移：干冰颗粒高速撞击混凝土表面，撞击功能散逸，干冰颗粒与清洗表面的污垢发生了快速的能量和动能转移。
3、干冰微爆：干冰碎粒进入污垢裂隙，迅速升华体积瞬间膨胀至800倍左右，造成微爆炸，从而使污垢剥离混凝土表面。干冰颗粒的冲击只发生在污垢与基体结合的表面，对混凝土无损伤。
2.2干冰清洗试验设备
所用的设备为自制的干冰清洗机，是将传统 干冰制造机（干冰机、制冰机、干冰造粒机、干冰制粒机、干冰粒制机）与干冰清洗机（干冰喷射器、干冰喷射机、干冰喷射清洗机、干冰洗模机、干冰模具清洗机）功能合成使用，主要由干冰生成部、干冰导入部及清洗喷嘴部三部分组成。干冰生成部的设计是利用节流膨胀的原理。高压过冷的液态二氧化碳通过节流膨胀小孔喷出，急速降压膨胀，一部分液态二氧化碳吸收热量气化，而另一部分液态二氧化碳则由于放热，快速冷凝为固体的干冰，从而在出口处形成高速的气固两相流。试验过程中可以通过调节节流膨胀阀孔径的大小来控制干冰的生成量。
干冰导入部的设计室利用文丘里管负压原理。打开控制压缩空气部的阀门，使压缩空气流入干冰导入部。然后打开干冰生成部的控制阀生成干冰，而高速流动的压缩空气会在干冰导入部中产生负压，将干冰吸入清洗流路中，充分混合后经清洗喷嘴喷出。
清洗喷嘴部的设计室采用拉伐尔喷管原理。由于压缩空气与干冰的混合气固两相流在该部加速至超音速，从而能够产生一定的冲击力，使混合气体与混凝土表面污垢充分接触，达到对混凝土表面进行清洗的目的。干冰清洗要求喷管出口处流体速度不低于1.5倍马赫，则对应的压力比（喷管进出口压力比）不低于1.49倍。因喷管中流动过程是接近稳定的，即可假定流体的参数只沿喷管的轴向发生变化，满足稳定流动的基本方程式。
2.3清洁度试验
在清洗过程中，高速喷出的干冰颗粒与污垢颗粒碰撞时，干冰颗粒的动量转移给污垢颗粒，使污垢能够克服与物体表面的黏结力，从而使固体颗粒脱离物体表面。而干冰气化吸热使污垢温度降低，低温污垢的脆性使其彻底被清除。试验采用目测光学法进行检验，即先目测清洗后的试件，然后再将光学显微镜安装在高像素照相机上对试件进行拍照。通过将清洗前后的试件进行比较，得出干冰清洗的清洁度。
试验所采用的设备为上述自制试验机，其中清洗喷嘴部与干冰导入部由金属软管连接，可以改变清洗的角度。试验机的主要参数：进口空气压力（0.7MPa），空气温度（298.15K），排气量（1m3/min），喷嘴出口温度（195.15K），出口压力（0.122MPa），流体出口速度1.6倍马赫。本文主要对干冰清洗可行性进行研究，采用清洗部分距离喷嘴约20cm，角度在75º至85º之间的试验参数进行试验。
试验所采用的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，并在同等条件下养护28天的100mm×100mm×100mm的正方体。
试验过程：1）用彩笔划定试件上20mm×20mm的区域，然后将试件用相机拍照，方便与清洗后的试件进行对比。2）确认干冰清洗试验机各部连接完好，打开空气压缩机，当其空转一段时间后关闭空压机上的排气阀。当空气压缩机内空气压力达到0.7MPa后，开启空气进气阀门；3）待空气沿喷嘴喷出稳定后打开液态二氧化碳气瓶阀门和液态二氧化碳流路阀门；4）干冰清洗喷嘴出口处明显看到干冰颗粒喷出后，将喷嘴移到距离试件被清洗面约20cm处，角度在75º至85º之间；5）将清洗后的试件用相机拍照，便于观察。并用纸巾擦拭混凝土，进一步了解干冰的清洗效果。6）清洗试验完成后先关闭液态二氧化碳气瓶阀门，再关闭干冰试验机液态二氧化碳进气阀门，约2分钟后关闭空气压缩机电源，待空压机内气压恢复常压后关闭干冰清洗机进气阀门；打开空压机排水阀门排除水后关闭；试验结束。
可以得出：干冰清洗效果较为明显，擦拭过混凝土的纸巾较为干净，则说明其能够彻底清洗混凝土表面的污垢。试验前后试件表面的孔隙，基本没有发育，则说明干冰清洗对混凝土表面无损伤。
3干冰清洗的优势及面临的问题
3.1干冰清洗的优势
干冰清洗与其它清洗技术相比，具有安全性高、快速高效、清洗效果好等优势。
1）安全性高
干冰清洗对基体表面的损伤小，适合于清洗表面硬度低或对表面质量要求高的物件。因此干冰清洗是模具清洗、工业清洗首选清洗方式。由于干冰清洗是以二氧化碳为清洗介质，在清洗过程中，不会损坏机电设备，不会影响机电设备的正常运行。而对于其它清洗方法而言，需要用水作为清洗介质，机电设备不能正常运行；高冲击力还可能造成清洗物的损坏。
2）快速高效
干冰清洗时通过压缩空气的流动带动干冰颗粒撞击混凝土表面污垢，干冰迅速气化，其体积的膨胀可使污垢迅速从混凝土表面剥离。同时，固体颗粒能够对污垢层产生更大的冲击力，有利于污垢的剥离。
3）清洗效果好
干冰清洗技术对清洗油污、灰尘和积碳等污染物效果明显。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。而对于人工清洗与滚刷式清洗而言，在消耗大量的人力物力的同时，死角也不能被清洗干净。
4）节能环保
能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础，安全可靠的能源供应和高效、清洁的利用能源是实现社会经济持续发展的基本保障。干冰是固态的二氧化碳，二氧化碳是可再生资源。而干冰清洗产生的废物也是二氧化碳，其对环境、人体、机械无害。相对而言，其它清洗方法原料为淡水。我国的淡水资源缺乏，南北分布不均，以淡水为清洗介质会造成资源的浪费。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为原料的干冰清洗技术。
干冰清洗的优势使其成为清洗行业的“新宠”，尤其在汽车制造业清洗、橡胶模具清洗、食品医药行业清洗、电力行业清洗等需要特殊清洗的行业中都已得到运用。现在，干冰清洗在美国已经被各行业普遍接受。对于国内而言，其进入中国的时间较晚，发展还不成熟。但是随着中国经济技术的发展，干冰清洗技术会更加成熟，其能应用到越来越多的行业，也会被越来越多的人所采用。
3.2干冰清洗隧道面临的困难
干冰清洗技术作为一门新兴的清洗技术，从知识、试用、检验、采用到广泛推广，必然会经历一个长期的过程。目前，干冰清洗的应用主要集中在石化、轮胎等领域，也取得了较高的经济和社会效益。但是对于隧道清洗方面研究以及应用都较少，目前所遇到的困难也较多。
1）隧道顶部的清洗问题
目前所研究的清洁度问题主要是近距离的试验研究，刘溟等研究干冰清洗变电站绝缘子时，设置的清洗距离为20cm、30cm及40cm。而对于高度一般为4.8m的隧道而言，对其顶部进行清洗时，清洁度会因清洗距离而受到较大的影响。
2）大量干冰运输具有一定的危险性
干冰是温度为-78.5℃的固态二氧化碳，吸热后不经液化便直接气化，体积会急剧膨胀。因此，在干冰的运输过程中，要注意保持运输箱的冷冻，低温状态。并且长距离的运输也会加剧干冰运输的危险性。
3）试验研究较少
进行试验及实际操作时，能借鉴的干冰清洗隧道的技术及理论依据较少。如采用将液态二氧化碳转换为干冰的方法来节省成本时，各种不确定因素会影响二氧化碳与干冰之间的转换率，而实际操作时所能依据的理论支撑较少。
虽然目前将干冰清洗用于隧道清洗有较多的困难，但是，作为一种新型的、环保的、高效的、相比传统的清洗技术拥有诸多独到优势的干冰清洗技术必将是我国清洗行业的发展趋势。
4、结论
（1）根据二氧化碳与干冰的两相性质及干冰清洗的特性设计出一种适用于干冰清洗混凝土试验的试验设备。清洁度试验及干冰用量分析说明自制试验机能够用于试验研究，为后续的干冰清洗试验提供了设备支撑。
（2）通过清洁度试验说明干冰清洗对混凝土的清洗效果较为明显，且表面孔隙没有发育，说明对表面基本无损伤。
（3）相对其它清洗技术而言，干冰清洗是一门环保、高效、快速及对试件无损伤的清洗方法，将干冰清洗应用于隧道清洗，为隧道清洗的研究提供了一个新的发展方向。
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