关键参数对灌缝比影响的研究

周小飞，吴文海，于兰英

关键参数对灌缝比影响的研究

周小飞，吴文海，于兰英

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

针对开裂路面，常用的维护手段是对裂缝进行灌缝处理。为了研究灌缝过程中影响灌缝比的关键参数及其变化规律，采用Fluent软件进行仿真计算，模拟了整个灌缝处理过程，并分析了裂缝深宽比、喷射压力、流体粘度、喷嘴直径对灌缝比的影响。结果表明：灌缝比随裂缝深宽比增大近似线性降低；灌缝比随裂缝深度的增加而增加，在一定范围内，灌缝比的增速较快，但流体到达一定深度后，灌缝比基本不再随裂缝深度变化；灌缝比随喷射压力增加逐渐增大，且增速逐渐减小；随着流体粘度增加，灌缝比逐渐减小，其关系在一定粘度范围内近似线性变化，随着粘度继续增加，灌缝比变化的速度有变缓的趋势；灌缝比随喷嘴直径增加逐渐减小，且随着喷嘴直径增加，灌缝比变化增快。

射流；喷射灌缝；喷嘴直径；灌缝比

截至2018年底，我国公路里程突破480万千米，高速公路达14.26万千米[1]，我国公路交通已步入了以维护为主的时期。对于车辆通行以及环境对道路造成的损坏，及时有效地修补不仅能保障路面通行安全，还能延长道路的使用寿命、降低道路的维护成本。

对于道路表面产生的开裂，常规的养护方法是利用热沥青或灌缝胶对开裂处进行灌缝处理[2]。庞绮玲[3]通过实验研究了沥青路面裂缝修复材料成分对其性能的影响；高发亮[4]使用有限元方法对裂缝的受力进行分析，对不同类型裂缝给出了相应的裂缝维修方法；徐清华[5]使用CFD方法模拟了不同坑槽修复工艺，研究修复层深度、坑槽修复洒布粘层油、粘层油弹性模量对灌缝质量的影响；郭学东等[6]通过拉伸试验研究了温度和湿度对道路表面开裂修复粘附力的影响；延丽丽[7]采用有限元方法模拟计算了修复后坑槽结构的相关力学特性，分析了坑槽修复结构不同部位的应力随材料特性和结构尺寸的变化规律；孙柯[8]利用CFD数值模拟软件以及灌缝模拟试验研究了注浆压力、注浆口位置、裂缝尺寸对沥青路面裂缝冷灌缝浆液扩散的影响。

以上研究对路面破损修补材料、修补方法、修补质量、以及注浆扩散规律方面做出了各自的研究成果，对喷射灌缝中灌缝参数对灌缝比作用规律的研究较少。

本文通过CFD流体动力学方法对路面裂缝喷射灌缝过程进行了数值模拟，以流体在裂缝中所能到达的最大深度与裂缝深度的比值为标准，分析了裂缝的深宽比、喷射压力、流体粘度以及喷嘴直径对灌缝比的影响。

1 模型的建立

1.1 物理模型

喷射灌缝的模型主要包括圆锥形喷嘴和V形裂缝，如图1所示，喷嘴位于裂缝正上方，喷射灌缝时，流体沿裂缝向底部流动填充裂缝。灌缝比为灌缝深度与裂缝深度的比值。

1.2 数学模型

1.2.1 基本方程

粘性不可压缩流体的流动遵循－方程，其连续性方程为[9]：

式中：为液体密度，kg/m3；为时间，s；x为流体在方向的坐标位置，m；u为速度矢量在方向的投影，m/s。

动量方程为：

1.2.2 湍流模型

Realizable－模型适合的流动类型比较广泛，对腔道流动和边界层流动过程模拟结果比标准－模型的结果好。其湍动能及其耗散率的方程为：

式中：G、分别为由平均速度梯度和浮力引起的湍动能，m2/s2；Y为可压缩湍流脉动膨胀产生的修正项。

2 网格划分与边界条件

2.1 网格划分

利用SolidWorks软件建立喷射灌缝的三维模型，使用Meshing软件进行网格划分，由于喷嘴出口和裂缝底部宽度尺寸较小，因此对这两处进行了加密，所生成网格质量更好，使仿真结果更加精确。由于喷嘴和裂缝都为对称结构，取模型的四分之一流域进行仿真，能够有效提升仿真效率，所建立CFD模型及网格划分如图2所示。

c为喷头入口直径，c＝4 mm；d为喷嘴直径，d＝1 mm；l为喷头收缩段长度，l＝8 mm；m为裂缝宽度，m＝4 mm；h为裂缝深度，h＝60 mm；h/m为裂缝深宽比

图2 喷射灌缝1/4模型网格

2.2 边界条件

灌缝是喷嘴沿裂缝移动进行连续喷射的过程，为简化仿真过程，设置喷嘴静止对裂缝进行喷射。喷射灌缝过程为气液混合流动，因此选择VOF两相流模型，湍动计算模型选择Realistic－模型。采用压力基求解器，进行非稳态模拟，研究不同灌缝参数对灌缝比的影响，设置时间步长为可变步长，仿真时间设置为0.05 s。

将喷嘴进口设为压力入口边界；裂缝模型中的两个V形面及裂缝顶部的矩形面设为压力出口边界，大小为环境大气压力；对称面设为对称边界；其余面设为无滑移壁面边界；为真实反映喷射灌缝过程中两侧裂缝壁面对流体的阻碍作用，设两侧壁面对流体具有粘附作用。

具体边界条件的设置如表1所示。

表1 Fluent仿真边界条件设置

3 仿真结果与分析

路面裂缝的修补大多为灌缝处理，使用灌缝料对路面开裂处进行充分填充能有效减少雨水对道路造成的破坏，同时能够减小开裂处所受应力，防止路面开裂进一步延展。灌缝比是衡量灌缝质量的重要标准[10]，因此，将灌缝比作为评价灌缝质量的指标来研究灌缝参数对其的影响。

3.1 流场分析

由图3（a）可以看出，流体经喷嘴喷出，到达裂缝一定深度时与裂缝壁面接触。由图3（b）可以看出，流体喷射速度在喷嘴出口处达到最大值，向裂缝底部喷射过程中，流体与壁面的距离越来越近，裂缝表面对流体的粘附作用阻碍其流动，射流束靠近裂缝表面的流速小于中心的流速。当流体与壁面接触时，壁面对流体流动的阻碍作用增强、流体流速下降，逐渐向上堆积充满裂缝。

3.2 不同裂缝深宽比对灌缝比的影响

为研究裂缝深宽比对灌缝比的影响，在其他参数不变的情况下，分别在0.5 MPa、1 MPa、2 MPa压力下分析裂缝深宽比为10、12.5、15、17.5、20、22.5、25的情况，如图4所示。可以看出，随着裂缝深宽比的增大，即裂缝壁面间的夹角越来越小，灌缝深度也越来越深，灌缝比与裂缝深宽比之间近似线性关系。尽管灌缝深度越来越深，但灌缝深度占裂缝总深度的比值却逐渐降低。这是因为，随着深宽比增加，裂缝变得越来越狭长，裂缝壁面对流体流动的阻碍作用越来越大。因此，随着裂缝深宽比的增加，若要提高灌缝比，可增大灌缝压力。

图3 灌缝模型对称面仿真流场云图

图4 灌缝比与裂缝深宽比的关系

3.3 裂缝深度对灌缝比的影响

为研究裂缝深度与灌缝比的关系，在其他参数不变的情况下，分别在0.5 MPa、1 MPa、2 MPa压力下分析裂缝深度为30 mm、60 mm、90 mm、120 mm、150 mm、180 mm的情况，如图5所示。可以看出，对相同深宽比的不同深度裂缝进行喷射灌缝，灌缝比随着裂缝深度的增大逐渐升高，且随着裂缝深度的增大，灌缝比的增速逐渐降低。图中裂缝深度大于90 mm时，灌缝比基本不再升高。因此，此灌缝参数应匹配深度大于90 mm的裂缝，以获得较大的灌缝比。

对比三组不同压力下的曲线可以看出，裂缝深度小于90mm时，压力越高，灌缝比随裂缝深度的变化越小。

图5 灌缝比与裂缝深度的关系

3.4 喷射压力对灌缝比的影响

为研究射流压力对灌缝比的影响，在其他参数不变的情况下，分别在60 mm、80 mm、100 mm裂缝深度下分析喷射压力为0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa、3.5 MPa的情况，如图6所示。可以看出，当其他条件一定时，灌缝比随喷射压力增大逐渐增加，但随着压力的增加，灌缝比的增速逐渐变慢。即在一定范围内，增大喷射压力可以较明显地提升灌缝比，但随着喷射压力的增大，灌缝比提升的效果逐渐减弱。因此，在灌缝施工时，找到合适的喷射压力进行灌缝，既可以提升灌缝质量，又能减少不必要的功率浪费。

图6 灌缝比与喷射压力的关系

3.5 流体粘度对灌缝比的影响

为研究流体粘度对灌缝比的影响，在其他参数不变的情况下，分别在1 MPa、2 MPa、3 MPa压力下分析流体粘度为0.5 Pa·s、1 Pa·s、1.5 Pa·s、2 Pa·s、2.5 Pa·s、3 Pa·s、3.5 Pa·s、4 Pa·s的情况，如图7所示，可以看出，灌缝比随着流体粘度的增大而逐渐减小，灌缝比在流体粘度小于3 Pa·s时随粘度的变化近似线性关系，当流体粘度继续增大时，灌缝比变化的速度有变缓的趋势。

图7 粘度与灌缝比的关系

3.6 喷嘴直径对灌缝比的影响

为研究喷嘴直径对灌缝比的影响，在其他参数不变的情况下，分别在0.5 MPa、1 MPa、2 MPa压力下分析喷嘴直径为0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm的情况，如图8所示。可以看出，喷嘴直径决定了流体流速的大小，随着喷嘴直径增加，流体流速逐渐减小。灌缝比随着喷嘴直径的增大逐渐减小，且变化的速度越来越快。当喷射压力为2 MPa、喷嘴直径在0.5～1.5 mm的范围内变化时，对灌缝比的影响较小，灌缝比的最大变化范围仅为3%；当喷嘴直径在1.5～2.5 mm范围内变化时，喷嘴直径的变化会对灌缝比有较大的影响，灌缝比的最大变化范围为14%。

图8 灌缝比与喷嘴直径的关系

4 结论

（1）利用Fluent对灌缝处理过程进行模拟，直观描述了沥青由喷嘴射入裂缝的过程，并分析灌缝参数对灌缝比的影响及变化规律。

（2）灌缝比随裂缝深宽比的增大近似线性降低；对于相同深宽比的裂缝，灌缝比随裂缝深度的增加逐渐增加，在一定范围内，灌缝比的增速较快，但流体到达一定深度后，灌缝比基本不再随裂缝深度变化；灌缝比随喷射压力的增加逐渐增大，且增速逐渐减小；随着流体粘度的增加，灌缝比逐渐减小，其关系在一定粘度范围内近似线性变化，随着粘度的继续增加，灌缝比的变化速度有变缓的趋势；灌缝比随喷嘴直径的增加逐渐减小，且随着喷嘴直径的增加，灌缝比变化增快。研究结果对灌缝施工时的参数选择具有一定的指导意义。

[1]交通运输部. 2018年交通运输行业发展统计公报[N]. 中国交通报，2019-04-12（2）.

[2]张红春. 高速公路路面裂缝焊接技术研究[A]. 中国公路学会养护与管理分会第七届学术年会论文集[C]，2017：7.

[3]庞绮玲. 沥青混凝土路面裂缝修补技术研究[D]. 长沙：中南大学，2013.

[4]高发亮. 高速公路半刚性路面裂缝分析及养护技术研究[D]. 济南：山东大学，2010.

[5]徐清华. 沥青路面坑槽修补技术及其计算机仿真分析[D]. 西安：长安大学，2009.

[6]郭学东，方向阳，高春妹，等. 温度和湿度对沥青路面裂缝修补粘附力的影响研究[J]. 中外公路，2009，29（5）：83-87.

[7]延丽丽. 基于ANSYS的沥青路面坑槽修补结构仿真分析[D]. 西安：长安大学，2012.

[8]孙柯. 沥青路面裂缝冷灌缝浆液扩散规律与灌缝技术研究[D]. 济南：山东大学，2016.

[9]许汉萍，幸福堂，梅丹，等. 关于降尘车喷雾降尘覆盖面积优化仿真研究[J]. 计算机仿真，2019，36（4）：142-145.

[10]张红春，付建红，刘澜波，等. 高速公路路面裂缝全深度处治（裂缝焊接）成套技术[M]. 北京：人民交通出版社，2014.

Study on the Effect of Key Parameters on Crack Filling Ratio

ZHOU Xiaofei，WU Wenhai，YU Lanying

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

For the cracked pavement, the common maintenance method is to fill the cracks. In order to study the key parameters and their changing rules that affect the filling ratio in the process of filling seam, the FLUENT software is used to simulate the whole process of filling seam, and the effects of crack depth to width ratio, injection pressure, fluid viscosity and nozzle diameter on the filling seam ratio are analyzed. The results show that the filling ratio decreases approximately linearly with the increase of the ratio of depth to width of the crack; the filling ratio increases with the increase of the crack depth. In a certain range, the filling ratio increases rapidly, but when the fluid reaches a certain depth, the filling ratio no longer changes with the crack depth; the filling ratio increases with the increase of the injection pressure, and the growth rate decreases gradually; the filling ratio increases approximately linearly with the increase of the fluid viscosity in a certain viscosity range, and as the viscosity continues to increase, the change rate of the filling ratio slows down; as the nozzle diameter increases, the filling ratio decreases, and as the nozzle diameter increases, the filling ratio changes faster.

jet；jet grouting；nozzle diameter；crack filling ratio

U418.6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.008

1006－0316 (2020) 07－0047－05

2019－12－23

周小飞（1994－），男，安徽亳州人，硕士，主要研究方向为机电液一体化，E-mail：1208450326@qq.com；

吴文海（1979－），男，河北承德人，博士，讲师、硕士研究生导师，主要研究方向为机电液一体化和智能控制；

于兰英（1964－），女，四川成都人，硕士，副教授、硕士研究生导师，主要研究方向为机电液一体化。