假如水刀的水中加入石英会有什么效果

从学习强国上看到一条消息，说是中国在盾构机领域的核心技术，盾构机大型轴承研究上取得了突破性进展，６米级常规盾构３米直径主轴承、减速机制造成功，已经通过了１００００小时寿命检测，并且通过了专家组的评审。同时国内最大直径敞开式硬岩掘进机下线使用。这些消息都是非常鼓舞人心的。而同类的信息也表明盾构机也是有缺点的，在地铁隧洞掘进中盾构机最为常见的问题是盾构机头部粘连大量泥土，导致盾构机无法正常工作，这个问题经常出现，在十多年前南水北调中线穿黄工程中出现过，在广东省汕头市海湾隧道也出现过（2018年4月17日，广东省汕头市海湾隧道东线盾构机正式掘进；历经760个日夜艰苦奋战，2020年5月16日，海湾隧道东线顺利贯通。）说明过去的盾构机并不适合在泥土基质中使用，相反水刀这一新兴的开凿技术如果应用在隧洞开凿中也许会更加适合于泥土基质。

“水刀”技术最近几年获得了突飞猛进式发展，目前已经应用在金属切割、玻璃切割、陶瓷石材加工、软性材料的清水切割、低熔点及易燃、易爆材料的切割（如炸药、炮弹等）、超高压水清洗等等方面，在建材、航空、船舶、制造业、加工业等等方面得到了广泛的应用。水刀，即以水为刀，本名高压水射流切割技术，这项技术最早起源于美国。但是在２０１１年以前还没有得到广泛应用，直到2011年，由于水射流专家纪新刚创造性的另辟蹊径，将水刀做成了小型化、安全化，使水刀改变了不能在危险领域使用的局面。从而打开了水刀应用的市场。水刀的应用依赖于水的压力技术的进步，目前的水刀最大压力已经做到了420MPa，远远高于液化甲烷需要的压力。以压力来对水刀分类分为高压型和低压型，一般以100MPa为界限，100MPa以上为高压型，100MPa以下为低压型，而200MPa以上为超高压型。与激光切割比较，与等离子切割比较，水切割投资小，运行成本低，切割材料范围广，效率高，操作维修方便。无热变形，切割面质量好，基本不用再进行二次加工等等特点。

现在我们来看看为什么水刀会有很大的威力，它能够切割钢材、石材、陶瓷等等非常坚硬的东西？超高压水射流清洗技术是这几年在国际上发展起来的一门高科技技术，该技术主要利用高速水射流的动能来剥离表面顽垢，它是以水为介质，通过柴油机组或电机组驱动大流量增压器，将水加压至94000PSI（648Mpa）的压力，再通过呈圆周排列的多个宝石喷嘴喷射而出，喷嘴由油压或者气压驱动旋转，形成多束、多角度、强度各异的超高压旋转水射流。钢材的抗压强度一般在２３５兆帕以下，其屈屈服极限为２３５兆帕，低碳钢的屈服极限为207MPa。水刀可以达到４２０兆帕。有机玻璃的抗拉强度55~77mpa，抗压强度 130mpa。岩石的抗压强度一般在１０．６——５６兆帕之间。石英岩硅质岩的抗压强度可以达到３３８兆帕。但是，目前水刀的压力已经超过了大多数硬质材料的抗压强度。所以，水刀已经在各个领域得到了广泛应用。

水刀之所以厉害，不仅仅是因为它的超高压强，而且是因为水刀里面带有“刀子”，水刀中的水用在清洗中不需要添加剂，但是应用在切割中，往往会在水中添加超强度的固体物质，以增加切割效率。这些物质一般是钢砂、金刚砂（碳化硅）、石英砂。

水刀中添加进金刚砂以后的切割会对物体造成一定变形伤害，叫有损切割，而单纯地使用水，不添加任何其他东西的切割叫无损切割。无损切割适合于精细、高精度切割，水刀的出水直径非常小。而有损切割适合于比较粗糙的切割，精度要求不高，甚至以破损为主要目的的切割，例如开凿隧洞，切割岩石。在添加金刚砂（碳化硅）、石英砂的水刀中，金刚砂的压力也是超高压的，但是它作用在岩石上以后效果更好，一方面是因为其密度大，硬度大，另一方面其冲量更大，产生的力也更大。和伴随的水柱比较，金刚砂比水的质量大（密度大、体积大），所以其动量更大，相应的冲量更大。碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2英砂，比石英砂硬度高。所以相同流速下，其冲量和产生的压力是水柱的三倍多，但是金刚砂是人工产物，比较珍贵，并不适合做水刀添加剂。石英砂的比重2.65，硬度为７，把石英砂添加到水刀的水中效果也非常好，其冲量是同速度水柱的２．６倍。而且由于石英砂是天然物质，自然界广泛存在，流失以后不需要回收，不造成环境污染，所以石英砂是良好的水刀添加剂。有了水刀添加剂以后，水刀的“刀口”直径可以扩大，可以应用在隧洞开采上。对于硬度在１００兆帕以下的岩石可以使用大一点的口径，对于硬度较大的岩石则采用小一点的口径，这样其切割岩石和破碎岩石的效果就会不一样。大口径岩石必然破碎效率高，单位时间破碎岩石量大；但是遇见超硬度岩石则无法破碎，只能减小口径集中切割破碎。那么有时候需要大口径，有时候需要小口径，难道需要现场更换刀具？我想应该在水刀上安装自动感应自动改变口径大小的智能装置。只要有感应器，自控芯片就能够实现。

但是，目前看，水刀技术在隧洞开采上才刚刚起步，前景一片光明。去年，中国第一个安装水刀的大型盾构机下线，应用于福建的引水工程中。水刀的应用可以改变以前的盾构机结构，使得敞开式掘进机得到更加广泛的发展。而水刀应用于隧洞，可以有效避免机器粘连，土壤填缝问题，水刀可以有效清除粘贴在刀盘上的泥土。也可以冲洗细石，增加大块岩石的滚动能力。

水刀应用在凿岩机上，由于它能够自主改变方向，形成多维度的切割缝，所以岩石更容易破碎，水刀的流水可以冲刷大块岩石中间缝隙的细小岩石，所以大块岩石的缝隙增加，更加容易出渣。也为分裂棒的使用提供了空间，分裂棒可以比较方便地插入岩石缝隙进行分裂震动。

水刀的水冲刷破碎岩石以后被运输出去，剩余的岩石是没有完全破碎的，但是已经有了缝隙，这时候使用刮刀、滚刀的效果必然会很好，因为岩石的整体性已经不存在，受力不再平衡，岩石的脆性就会起作用，在刮刀、滚刀的作用下就容易和母岩分离，从而提高凿岩效率。

水刀的水冲刷破碎岩石以后会形成一股洪流，洪水中夹杂许多细小石头和土壤，这些东西可以使用抽水机排出出渣口，对于排渣成本的降低很有效。这些碎小渣滓的排出给大岩石留出了较大的空间，这样盾构机的运行的时候阻力大大减少，无效转动会大大减少，从而能够提高开凿效率。不会再发生泥土粘连盾构机头的现象。

现在我们来看看，为什么水刀中夹杂石英砂以后，开凿效率会提高很多的原因。水刀自身的高压是它能够削铁如泥的基础，但是除过自身压力以外，它需要把自身的压力转化为切削和破碎的动力，需要向被切割对象转换动力，这种转换与被切割对象的性质、受力面、受力大小都有关系，还与水刀中水的流速有关系。现在我们来计算一下水刀中水流出后的动力。假如水刀的水压是３００兆帕，水流速度不仅与压力有关系，也与水管长度有关系，狭窄环境之下水管长度一般不会超过２０厘米，此时假如出口直径为０．６厘米，则水刀压力为１６９．６牛。此时的压力Ｆ是压强Ｐ乘以面积Ｓ，Ｆ＝Ｐ＊Ｓ＝Ｍ＊ａ，Ｍ＝Ｓ＊Ｖ，Ｖ＝ａ＊Ｔ，Ｌ＝０．５＊ａ＊Ｔ＊Ｔ，已知Ｌ等于２０厘米，Ｐ等于３００兆帕，Ｓ等于０．２８２６平方厘米，根据以上公式计算得出，水流的加速度为６２００００米每秒。此时的作用时间为０．００２５３秒，所以出口的水柱速度为１５６８米每秒。

所以，高速度才是水刀切割的秘密所在。

现在我们再来看看，这么高的水柱作用在岩石上的效果。这里需要使用动量和冲量的恒等定律Ｍ＊ｖ＝Ｆ＊ｔ，这个定律既适合宏观世界，也适合微观世界。这个分为几种情况，当只有水柱的时候，当水柱中含有微小的圆球形添加物的时候。现在我们来看看，假如水柱中有一粒金刚砂，假如金刚砂不会因为碰撞而分裂，金刚砂的半径Ｒ为１毫米，金刚砂的密度б为３１００，根据质量等于体积Ｖ和密度的乘积，有公式Ｍ＝б＊Ｖ＝Ｒ＊Ｒ＊Ｒ＊б＊３．１４＊３／４，一粒金刚砂的质量Ｍ为０．００００１３千克，此时金刚砂的动量Ｍ

ｖ为Ｍ＊ｖ＝ｖ＊б＊Ｖ＝Ｒ＊Ｒ＊Ｒ＊б＊ｖ＊３．１４＊３／４＝０．０２０３８４，ｖ等于１５６８，б等于３１００，Ｒ等于０．０００５。所以其动量可以算出为０．０２０３８４。此时的冲量Ｆｔ这样计算：由于水流速度ｖ很大，它作用于岩石上的时间很短，作用时间决定于岩石硬度，此时其极限压强Ｐ是３００兆帕，金刚砂的横截面Ｓ＝３．１４＊Ｒ＊Ｒ只有０．００００００３１４平方米，所以同类面积岩石可以承受的压力Ｆ＝Ｐ＊Ｓ＝ｐ＊３．１４＊Ｒ＊ＲＰ是岩石强度，计算结果为为９４２００牛，所以根据Ｍ＊ｖ＝Ｆ＊ｔ，以上公式中仅仅ｔ不知道，Ｍ、ｖ、Ｆ都知道，计算出作用的时间ｔ为０．００００００２１６３９秒，这个作用时间乘以水柱速度就是切割深度Ｌ，Ｌ＝ｖ＊ｔ，此时切割深度为３．４毫米。把以上冲量公式和动量公式连接起来Ｍ＊ｖ＝ｖ＊б＊Ｖ＝Ｒ＊Ｒ＊Ｒ＊б＊ｖ＊３．１４＊３／４，Ｆ＊ｔ＝Ｐ＊Ｓ＊ｔ＝ｐ＊３．１４＊Ｒ＊Ｒ＊ｔ。两者连接化简得出结论，ｔ＝３＊Ｒ＊б＊ｖ／ｐ／４.就是说作用于岩石的时间和钢球的半径成正比，和钢球的密度成正比，和速度成正比和岩石的强度Ｐ正反比。所以，对于３００兆帕的硬岩石，含有金刚砂的水刀的切割深度为３．４毫米。同样，如果是石英砂，计算结果为如果不含金刚砂，则切割深度为多少呢？同样粒径的石英砂的切割深度仅仅只有２．９毫米。如果是纯粹的水柱，则切割深度仅仅为１毫米，切割效果有很大差别。金刚砂的密度为３．１，石英砂的密度为２．６５，水的密度为１.所以，水柱中含有金刚砂的情况下，切割岩石的效率要比纯粹的水高２．４倍。如果水刀冲出的是单纯的水柱，则其动量和冲量的计算方法和以上并不相同，此时假设从水枪口冲出的水的质量和碰撞在岩石上的水的质量完全相同，则这段水柱作用在岩石上的时间为ｔ，在ｔ时间内从水枪中流出的水的质量Ｍ，Ｍ和水的体积成正比和水的密度成正比，Ｍ＝б＊Ｖ，而流水的体积Ｖ和横断面积Ｓ成正比，和水在ｔ间隔内的长度成正比，Ｖ＝Ｌ*Ｓ，而Ｌ等于ｖ＊ｔ，Ｌ＝ｖ＊ｔ．此时水流速度ｖ已知。因此Ｍｖ＝б＊Ｖ＊ｖ＝б＊ｖ＊Ｌ*Ｓ＝б＊ｖ＊ｖ＊ｔ*Ｓ，冲量公式则为Ｆｔ＝Ｐ＊Ｓ＊ｔ，两者相等Ｍｖ＝б＊ｖ＊ｖ＊ｔ*Ｓ＝Ｆｔ＝Ｐ＊Ｓ＊ｔ，化简为б＊ｖ＊ｖ＝Ｐ，在这个公式中可以看出，水的密度б是一定的，Ｐ是岩石的硬度，是一个定值，那么水流的速度达到了一定的值就能够破裂岩石。而与水的形状没有关系，与水柱的截面积没有关系。但是与水是否持续冲流有关系，也就是说是否是连续流柱。此时可以计算出水柱要破裂岩石，最小的流速是３００兆帕的开方，最小速度要达到５５０米每秒。从上式子可以看出连续流柱的破碎能力根据岩石的硬度而定，与流体的密度成反比，与流体的速度成二次指数关系。这一点和其它形状的并不一样。以上分析是在水枪和岩石垂直的情况下的推导，如果不是垂直的，那么需要另外推导，这时候就必须考虑接触面积了。此时的切割深度如何呢？切割深度大概可以用相同压力下水柱在岩石中前进的距离来计算。由于Ｆ＝Ｍ＊ａ，Ｆ＝Ｐ＊ｓ，Ｍ＝б＊Ｓ＊Ｌ，则Ｐ＝б＊Ｌ＊ａ，Ｌ＝０．５＊ａ＊ｔ＊ｔ则，推导出Ｐ＝０．５＊ａ＊ａ＊ｔ＊ｔ＊б，而切割中水流的加速度ａ与ｔ的乘积就是速度ｖ，所以公式变为２＊Ｐ／б＝ｖ＊ｖ。所以ｖ不仅与岩石强度有关，还与介质的密度有关。当水柱开始接触岩石的时候，此时初始ｖ已知，为１５６８米每秒，可以反向推导出此时的压力Ｐ，ｐ值为１２２９兆帕；而当速度降为到没有切割效果时候的时对应的Ｐ是岩石的硬度３００兆帕，此时水流速度为０，ａｔ＝△ｖ，而Ｆｔ＝Ｍａ，则△Ｆｔ＝Ｍ△ｖ，△Ｆｔ＝Ｍ△ｖ＝Ｍａｔ，所以△Ｆ＝Ｍａ，已知△Ｆ＝９２９Ｓ兆帕，Ｍ＝б＊Ｓ＊Ｌ，所以９２９＝б＊Ｌ，Ｌ＝０．５＊ａ＊ｔ＊ｔ，ａｔ＝△ｖ，所以９２９＝б＊０．５＊△ｖ＊ｔ，△ｖ＝１５６８－５５０＝１０１８，所以ｔ＝９２９／１０１８／１０００／０．５＝０．００１８秒。由于作用于岩石上的时间算出为０．００１８秒，这时候就能够算出开凿岩石的深度Ｌ＝０．５＊△ｖ＊ｔ＝０．９３毫米。也就是说完全的水柱，初速度为１５６８，则对于硬度为３００兆帕的岩石，开凿深度为０．９３毫米，这个和球形计算方法得出的结论相差０．０７毫米。在误差范围之内（以上算法如有不妥，敬请指正）。

通过以上复杂的计算，可以看出，在水刀中加入金刚砂的效果比不加入任何东西效果好得多。而金刚砂实际上是碳化硅（SiC），是一种人工合成的物质，如果使用在开凿岩石中非常昂贵，所以应该用石英砂代替金刚砂，加入水刀中使用。而石英砂是一种自然界普遍存在的物质，非常廉价，也容易得到，并且石英砂不污染环境。

这样，在设计开敞式掘进机的时候，可以把水刀、分裂棒配合使用，也可以加进滚刀刮刀，和护卫装置，组成一个集成化的开凿机器，达到高效地开凿隧洞的效果。