超声波水洗系统在高速公路工程的应用分析

超声波水洗系统在高速公路工程的应用分析

周杨，陈善强

广西南宁广西邕洲高速公路有限公司  广西省南宁市 530000

摘要：随着高速公路网进一步建设完善，高速公路的完全、舒适越来越引起人民的关注。混凝土在路基、桥涵、隧道等重要结构物中的作用是不可替代的，直接影响着高速公路的安全，其内在质量直接取决于其原材料。

   关键词：公路；超声波水洗；

0.引言

随着我国交通强国建设，百年品质工程建设，绿色、低碳、环保、可持续的工程建设的先进理念，人民不仅仅满足于混凝土“结实耐用”，更对其外观有着进一步要求。而在混凝土的内质外美易受原材料质量等多因素的影响，特别容易突现出气泡、色差、蜂窝麻面、黑斑等各种各样的表面缺陷，其中粗集料含泥粉、石粉的波动性大，导致混凝土性能极不稳定，极易导致上述病害的产生。而常规的水洗设备处理碎石，含泥量可稳定控制在1%以下，但难以达到0.1%以下的水平。因此为实现粗集料表面高度清洁，使粗集料含泥量基本为零，南宁沙井至吴圩公路在常规的水洗设备基础改造成超声波水洗系统，本文就其应用作简单分析。

1.超声水洗系统简介

超声波水洗系统是在原有的水洗设备上增加8个超声波发生器、筛分过滤及排污系统（实现余泥快速分离的目的）改造成超声波水洗设备，是利用超声激化微气泡技术，对集料表面裹附粉尘进行精洗，超声功率强劲，清洗工艺简捷高效，能更深入地清洗碎石的杂质，从而使集料含泥量基本为零的一套水洗系统。

2.特点

目前现有的粗集料清洗主要为机械振捣与水洗结合，存在如下几点缺点：一是现有粗集料清洗设备清洗方式一般为水浇灌式，仅能洗掉粗细集料表面的杂质，而对于附着在缝隙间或凹面处的杂质无法清理，导致清洗效果一般；二是现有的清洗设备一般为常压注水，不论是清洗能力还是效率方面都不尽人意；三是清洗后的废水都是直接排到，不能循环使用，对周边环境影响大，环保压力大。

而超声波水洗设备为械式振动水洗（粗洗）和超声波水洗（精洗）两步相结合，并利用物理渗流的技术净化清洗水，达到水源的循环利用，符合节能、环保的品质公路建设理念，其主要特点如下：

2.1 针对集料表面粘附大量泥粉或石粉，以拌和用洁净水作为超声波清洗介质，通过上料皮带输送至设有压力水冲洗装置和机械式偏心振动的粗洗单元，根据粗集料粒径尺寸、上料量的大小，调整粗洗偏心振动单元频率及振幅，加减物料速度，实现第一步的粗洗。粗洗的关键作用为清除粘附力的粘附粉料、小于4.75mm超粒径细料和软弱的大颗粒土块杂质；粗洗中的水压力清洗主要清除粘附性低的石屑杂粉，通过水分子渗透性和粉料的空隙吸水性，达到润湿在集料附着泥粉的作用；机械式偏心振捣筛的通过偏心振捣功（变换振幅）击破和击碎附着在集料表面石屑粉，再而经过水冲洗动力和4mm钢筛孔分离石屑粉。粗洗的必要性体现在分级集料可为下一步的精洗，减小阻力，节省功力。

2.2 粗洗后的集料通过输送皮带送至超声波清洗水槽（15°倾斜钢滚筒筛）在超声波振板（安装一定数量的超声波发射器）筛板下进行精洗；超声波精洗技术是基于超声波波长短能量高冲击力大激发特点，高能波赋能介质水具有同等冲击能，并激发水产生微纳米气泡，气泡核在负压区瞬间形成及生长，可以瞬时产生约十个大气压的高压能量，可穿透集料与粘附料的层间界面，在界面层通过持续产生的瞬时高压气泡能类似连续不断的小爆炸不间断的冲击集料的缝隙及凹处，进而实现高度清洁集料。集料通过15°倾角振动滚筒筛，实现细粉与粗集料快速分离。还可根据集料的洁净程度，调整超声波发生器波长及频率，实现洁净程度效能和效率的有效匹配。为了调整粗洗和精洗的震动、超声等参数，整个洗涤系统设有可视化的操作界面，设置清洗参数。可根据出料的洁净程度，随时调整。

2.3为节约用水，超洗精洗系统配有污水净化系统。净化系统设有筛泸截留装置，生产污水进过环形的径流沟将大于0.075mm的颗粒通过自身重力分离沉淀，小于0.075mm以下颗粒通过沉淀池将水、粉分离。逐级过滤系统、污水沉淀池和循环水储存池，便于水资源的循环利用，避免了污水资源随意排放，实现水资源重复利用。

2.4为便于粗略统计洗料的吨数及日产能，超洗系统配置有物料计量装置，根据受料斗的初步估算。为了便于粗集料用装载机上料粗洗，受料斗设计为上宽下窄倒梯形及2-3方斗容量。

2.5集料经超洗后外观质量大幅提升，洗净后集料零含粉量抽检合格率100%；通过混凝土工作性能试验测试，集料高度清洁提高了混凝土工作的稳定性，粗集料处于饱水状态，便于计算总体用水量；混凝土工作性能的稳定利于为清水混凝土制造技术提供稳定、可操作的基础保障。

2.6超声波清洗实现集料一次清洗彻底洁净的技术效果，尤其清洁集料开口空隙（小于0.5mm的空隙）的技术效果，是普通水洗无法达到的。

3.适用范围

可满足最小粒径大于4.75mm，最大粒径不大于53mm的连续级配集料或非连续级配集料。直径4.75㎜以下集料，不适合本设备清洗（若确需进行超声波清洗，则须对设备研究改造）。

4.工作原理

碎石先通过初步的压力水冲洗和带有偏心振动筛实现粗集料的粗洗，筛除大部分小于4.75mm细集料及小部分泥粉和石粉；粗洗的必要性体现在分级集料可为下一步的精洗，减小阻力，节省功力。

经过粗洗的粗集料表面附着的多为集料开口空隙和宏观构造余存的粉体，该部分粉体难以通过水洗和机械振捣的清除。精洗是通过多组超声波发生器产生的振荡能量来实现的。发生器可以产生高强度的电能（高于二十kHz的超音频电能），通过能量转换为机械振动能量，以超声波传感器的形式紧密地沿换能器纵向传入清洁液中,由于超声波长度很短,因而功率很大,同时使得在水中产生了很大的冲击能量和形成纳米泡沫,成千上万的的纳米小泡核在超声波纵向传输下不断产生、成长闭合，并因此瞬时产生约十个大气压的高压能量。这些瞬时高压能量类似连续不断的小爆炸不间断地冲击集料缝隙及凹处等，使之附着的杂质速度剥离，进而进入高能的快速、超洁净的清除集料表面泥石粉汅垢的效果。精洗能量更大，主要为空隙层面的清洗手段。

5.超声波水洗设备的组成及工艺流程

超声波水洗设备主要由上料系统 、振动筛洗系统、超洗系统、计量系统 、监控系统 、出料系统 、水路系统和电气控制系统组成，其中振动清洗系统主要由振动筛、水泵组成，振动筛由支架支承，依靠偏心电机输出的激振力传动给筛网，将清洗的石子振动推出；超洗系统是利用超声波对粗洗清洗不掉的集料附着的灰尘、粉体快速清洗干净；计量系统可以实时显示累积每小时、每天及每月的清洗量；监控系统实时监视设备周围及运转设备的情况，确保人员及设备安全。

图：设备示意图

其工艺流程如下图所示：

图：工艺流程图

6.项目应用情况

南宁沙井至吴圩公路在两个土建合同段和预制合同段的拌和站各自设置一套超声波水洗设备。设备安装在靠近料仓的地方，方便清洗；同时设置一个储料仓，用于储存清洗后的设备。

项目采用超声波水洗设备型号为SGQX-60，设备各项参数如下表：

超声波水洗设备参数表

同时设置3级沉定池，用于收集和循环利用废水，可以有效节省水资源和保护环境。

7.应用分析

与传统水洗设备的效益对比

7.1产能对比：超声笔水洗设备理论产量为60m3/h，传统水洗设备理论产量为80m3/h，对比传统工艺每小时生产效率降低25%。传统水洗产出碎石经检验含泥量为1%～2%，且水洗效果不均匀，成品合格率较不稳定；经过超声波水洗设备清洗的碎石经过检测含泥量基本为零，且水洗效果稳定。

7.2超声波水洗设备与传统水洗设备的成本对比如下表：

7.3经超声波水洗设备清洗的粗集料对混凝土内在质量小幅提升，也对混凝土的外观质量有着显著的提升。测试比对，发现经过超声波水洗设备清洗粗集料的混凝土不同强度等级的均有5%-10%的小幅提高，对于低标号混凝土更为明显。

8.结语

超声波清洗技术在机械零件及玻璃制造行业等广泛应用，但仅限于小规模、小部件，在土木工程上应用，是一个由小变大、由渐入深的过程，技术的创新涵盖技术机理、跨学科集成新生、产业转化应用技术等多方面，是实现粗集料材料指标满足标准的一个有力抓手。

超声波水洗的产能目前来说相对较低，理论最大产能为60m3/h,在满足大规模需求尤其是混凝土高峰时期的产能还是不足，还需要进一步研究提高其产能，因此目前需要提前清洗备料在料仓进行储存，并采取必要的措施防止污染。

参考文献：

[1]JTG/T-3610-2019，公路路基施工技术规范 [S].

[2]JTG F81/1-2017,公路工程质量检验评定标准（第一册 土建工程）.

[3]JTG E40-2007，公路土工试验规程[S].

周杨，男，工程师，主要从事高速公路建设工作

陈善强，男，工程师，主要从事高速公路建设工作

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