目前，干冰清洗的研究范圍比較廣泛，對(duì)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(shù)應(yīng)用于隧道清洗工程實(shí)例的更少。本文主要以試驗(yàn)分析的方法研究干冰清洗隧道的機(jī)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(shù)一般是使用干冰制造機(jī)（干冰機(jī)、制冰機(jī)、干冰造粒機(jī)、干冰制粒機(jī)、干冰粒制機(jī)）制成一定規(guī)格的干冰顆粒，然后利用干冰清洗機(jī)（干冰噴射器、干冰噴射機(jī)、干冰噴射清洗機(jī)、干冰洗模機(jī)、干冰模具清洗機(jī)）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(yùn)動(dòng)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(shí)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(dāng)干冰顆粒接觸隧道表面（混凝土）時(shí)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(jié)合，影響粘附污垢的機(jī)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(dòng)能轉(zhuǎn)移。
3、干冰微爆：干冰碎粒進(jìn)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(jié)合的表面，對(duì)混凝土無(wú)損傷。
2.2干冰清洗試驗(yàn)設(shè)備
所用的設(shè)備為自制的干冰清洗機(jī)，是將傳統(tǒng)干冰制造機(jī)（干冰機(jī)、制冰機(jī)、干冰造粒機(jī)、干冰制粒機(jī)、干冰粒制機(jī)）與干冰清洗機(jī)（干冰噴射器、干冰噴射機(jī)、干冰噴射清洗機(jī)、干冰洗模機(jī)、干冰模具清洗機(jī)）功能合成使用，主要由干冰生成部、干冰導(dǎo)入部及清洗噴嘴部三部分組成。干冰生成部的設(shè)計(jì)是利用節(jié)流膨脹的原理。高壓過(guò)冷的液態(tài)二氧化碳通過(guò)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(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流膨脹閥孔徑的大小來(lái)控制干冰的生成量。
干冰導(dǎo)入部的設(shè)計(jì)室利用文丘里管負(fù)壓原理。打開(kāi)控制壓縮空氣部的閥門，使壓縮空氣流入干冰導(dǎo)入部。然后打開(kāi)干冰生成部的控制閥生成干冰，而高速流動(dòng)的壓縮空氣會(huì)在干冰導(dǎo)入部中產(chǎn)生負(fù)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(shè)計(jì)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(dá)到對(duì)混凝土表面進(jìn)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(duì)應(yīng)的壓力比（噴管進(jìn)出口壓力比）不低于1.49倍。因噴管中流動(dòng)過(guò)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(dòng)的基本方程式。
2.3清潔度試驗(yàn)
在清洗過(guò)程中，高速噴出的干冰顆粒與污垢顆粒碰撞時(shí)，干冰顆粒的動(dòng)量轉(zhuǎn)移給污垢顆粒，使污垢能夠克服與物體表面的黏結(jié)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(yàn)采用目測(cè)光學(xué)法進(jìn)行檢驗(yàn)，即先目測(cè)清洗后的試件，然后再將光學(xué)顯微鏡安裝在高像素照相機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行拍照。通過(guò)將清洗前后的試件進(jìn)行比較，得出干冰清洗的清潔度。
試驗(yàn)所采用的設(shè)備為上述自制試驗(yàn)機(jī)，其中清洗噴嘴部與干冰導(dǎo)入部由金屬軟管連接，可以改變清洗的角度。試驗(yàn)機(jī)的主要參數(shù)：進(jìn)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(duì)干冰清洗可行性進(jìn)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(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。
試驗(yàn)所采用的試件取樣于重慶市渝中區(qū)五一路地下停車庫(kù)環(huán)道隧道二襯，并在同等條件下養(yǎng)護(hù)28天的100mm×100mm×100mm的正方體。
試驗(yàn)過(guò)程：1）用彩筆劃定試件上20mm×20mm的區(qū)域，然后將試件用相機(jī)拍照，方便與清洗后的試件進(jìn)行對(duì)比。2）確認(rèn)干冰清洗試驗(yàn)機(jī)各部連接完好，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)，當(dāng)其空轉(zhuǎn)一段時(shí)間后關(guān)閉空壓機(jī)上的排氣閥。當(dāng)空氣壓縮機(jī)內(nèi)空氣壓力達(dá)到0.7MPa后，開(kāi)啟空氣進(jìn)氣閥門；3）待空氣沿噴嘴噴出穩(wěn)定后打開(kāi)液態(tài)二氧化碳?xì)馄块y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(jī)拍照，便于觀察。并用紙巾擦拭混凝土，進(jìn)一步了解干冰的清洗效果。6）清洗試驗(yàn)完成后先關(guān)閉液態(tài)二氧化碳?xì)馄块y門，再關(guān)閉干冰試驗(yàn)機(jī)液態(tài)二氧化碳進(jìn)氣閥門，約2分鐘后關(guān)閉空氣壓縮機(jī)電源，待空壓機(jī)內(nèi)氣壓恢復(fù)常壓后關(guān)閉干冰清洗機(jī)進(jìn)氣閥門；打開(kāi)空壓機(jī)排水閥門排除水后關(guān)閉；試驗(yàn)結(jié)束。
可以得出：干冰清洗效果較為明顯，擦拭過(guò)混凝土的紙巾較為干凈，則說(shuō)明其能夠徹底清洗混凝土表面的污垢。試驗(yàn)前后試件表面的孔隙，基本沒(méi)有發(fā)育，則說(shuō)明干冰清洗對(duì)混凝土表面無(wú)損傷。
3干冰清洗的優(yōu)勢(shì)及面臨的問(wèn)題
3.1干冰清洗的優(yōu)勢(shì)
干冰清洗與其它清洗技術(shù)相比，具有安全性高、快速高效、清洗效果好等優(yōu)勢(shì)。
1）安全性高
干冰清洗對(duì)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~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(guò)程中，不會(huì)損壞機(jī)電設(shè)備，不會(huì)影響機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行。而對(duì)于其它清洗方法而言，需要用水作為清洗介質(zhì)，機(jī)電設(shè)備不能正常運(yùn)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(shí)通過(guò)壓縮空氣的流動(dòng)帶動(dòng)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?gòu)幕炷帘砻鎰冸x。同時(shí)，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(shù)對(duì)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(jìn)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(huì)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?xí)柚刮酃傅膩y飛。這樣使干冰清洗能夠達(dá)到徹底去除污垢的目的。而對(duì)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(shí)，死角也不能被清洗干凈。
4）節(jié)能環(huán)保
能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力，是現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎(chǔ)，安全可靠的能源供應(yīng)和高效、清潔的利用能源是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(duì)環(huán)境、人體、機(jī)械無(wú)害。相對(duì)而言，其它清洗方法原料為淡水。我國(guó)的淡水資源缺乏，南北分布不均，以淡水為清洗介質(zhì)會(huì)造成資源的浪費(fèi)。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(shù)。
干冰清洗的優(yōu)勢(shì)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(yùn)用。現(xiàn)在，干冰清洗在美國(guó)已經(jīng)被各行業(yè)普遍接受。對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，其進(jìn)入中國(guó)的時(shí)間較晚，發(fā)展還不成熟。但是隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，干冰清洗技術(shù)會(huì)更加成熟，其能應(yīng)用到越來(lái)越多的行業(yè)，也會(huì)被越來(lái)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(shù)作為一門新興的清洗技術(shù)，從知識(shí)、試用、檢驗(yàn)、采用到廣泛推廣，必然會(huì)經(jīng)歷一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。目前，干冰清洗的應(yīng)用主要集中在石化、輪胎等領(lǐng)域，也取得了較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是對(duì)于隧道清洗方面研究以及應(yīng)用都較少，目前所遇到的困難也較多。
1）隧道頂部的清洗問(wèn)題
目前所研究的清潔度問(wèn)題主要是近距離的試驗(yàn)研究，劉溟等研究干冰清洗變電站絕緣子時(shí)，設(shè)置的清洗距離為20cm、30cm及40cm。而對(duì)于高度一般為4.8m的隧道而言，對(duì)其頂部進(jìn)行清洗時(shí)，清潔度會(huì)因清洗距離而受到較大的影響。
2）大量干冰運(yùn)輸具有一定的危險(xiǎn)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(huì)急劇膨脹。因此，在干冰的運(yùn)輸過(guò)程中，要注意保持運(yùn)輸箱的冷凍，低溫狀態(tài)。并且長(zhǎng)距離的運(yùn)輸也會(huì)加劇干冰運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)性。
3）試驗(yàn)研究較少
進(jìn)行試驗(yàn)及實(shí)際操作時(shí)，能借鑒的干冰清洗隧道的技術(shù)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(lái)節(jié)省成本時(shí)，各種不確定因素會(huì)影響二氧化碳與干冰之間的轉(zhuǎn)換率，而實(shí)際操作時(shí)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(shù)擁有諸多獨(dú)到優(yōu)勢(shì)的干冰清洗技術(shù)必將是我國(guó)清洗行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
4、結(jié)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(shè)計(jì)出一種適用于干冰清洗混凝土試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備。清潔度試驗(yàn)及干冰用量分析說(shuō)明自制試驗(yàn)機(jī)能夠用于試驗(yàn)研究，為后續(xù)的干冰清洗試驗(yàn)提供了設(shè)備支撐。
（2）通過(guò)清潔度試驗(yàn)說(shuō)明干冰清洗對(duì)混凝土的清洗效果較為明顯，且表面孔隙沒(méi)有發(fā)育，說(shuō)明對(duì)表面基本無(wú)損傷。
（3）相對(duì)其它清洗技術(shù)而言，干冰清洗是一門環(huán)保、高效、快速及對(duì)試件無(wú)損傷的清洗方法，將干冰清洗應(yīng)用于隧道清洗，為隧道清洗的研究提供了一個(gè)新的發(fā)展方向。