高压水射流冲蚀混凝土破碎区演进特征及裂纹扩展规律研究

2019-12-31刘佳亮李坤元

振动与冲击 2019年24期

刘佳亮，李坤元，张娣

(1. 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074； 2. 重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074； 3. 重庆交通大学山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心，重庆 400074)

高压水射流破碎混凝土技术突破传统机械方式，利用高压水束冲击作用使已损坏或性能较差的混凝土界面崩裂、剥离及冲运，具有高效率、无污染、无磨损及选择性破除等众多优势，已经广泛应用于土木、建筑、矿业、交通及国防军工等众多领域[1-2]。近年来，随着工程建设要求日益提高，对射流破碎安全、质量提出了更高要求，尤其是针对复杂受力区或敏感结构，或在进行混凝土结构应急破拆时，必须精确控制破碎区影响范围，避免裂纹无序扩展，导致新的安全隐患。因此，为了进一步提高高压水射流破碎技术应用水平，需要对高压水射流作用下混凝土破碎区演进及裂纹扩展演化特征进行深入探究。

高压水射流冲击混凝土涉及大变形、高应变率及高压效应，是一个高度非线性的液固耦合物理力学过程[3-5]，理论分析和数值模拟难度极大，建模过程需要进行大量简化，得到的结果与射流破碎实际过程往往相差较大。由于混凝土不透明性，以及实验条件和场地受限等，很难实现对射流冲击下混凝土内部破碎过程及裂纹信息的捕捉，如通过计算机断层成像技术(Computed Tomography，CT)可以直观展示射流破碎混凝土后内部裂纹扩展和损伤演化终态，但无法对破碎动态过程进行检测；光弹性法与焦散线法可以记录高压水射流冲击混凝土破碎裂纹瞬时、动态发展历程，但仅限于材料表面破坏状态。另外，高压水射流破碎混凝土为流体与固体非线性碰撞动力耦合问题，射流破碎混凝土物理力学过程复杂多变，理论研究和数值建模难度较大，必须进行简化和假设，研究结果与实际破碎过程有一定差距。

目前，基于人工合成透明类工程材料，实现复杂物理模型可视化试验的方法，逐渐得到相关研究人员的重视和应用，在材料的冲击、压缩破坏及裂纹演化等研究中均得到成功应用[6-8]。曹兆虎等[9]利用正十二烷、十五号白油混合液和玻璃砂合成透明土，设计了沉桩模型试验系统，研究了切面变形前后的变形位移场。孙学谨等[10]基于室内土工试验，针对常用的两种透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)与混凝土材料之间接触面的摩擦力学特性开展研究，指出两种透明土材料可以较好地模拟天然砂土-混凝土材料接触面特性。李文涛[11]将透明土作为盾构壁后注浆模型试验的模型土材料，借助PIV技术用激光器照射透明土层成像技术等，开展了盾构隧道壁后注浆模型试验。林恒星等[12]研制了一种各项性质与真实岩体接近的透明类岩石材料，详细观察研究了类岩石试件内部的裂纹起裂扩展各阶段的形状及扩展规律。贾超等[13]提出了一种高脆性透明类岩石材料试件中洞室的成型和空间定位方法。朱珍德等[14]通过研制了透明岩石相似材料，研究了单轴压缩下岩石内部三维裂纹的扩展贯通机制。以上研究成果促进了透明类相似材料和模型试验进一步发展，同时也为高压水射流破碎、致裂混凝土问题的研究提供了有效途径。

鉴于此，本文尝试配制力学性质相近于透明类混凝土材料，并借助高速摄像技术对高压水射流冲击混凝土的瞬态进行全程捕捉和记录，进而开展不同时空下破碎混凝土发展历程，弹、塑性影响区分布状态，以及径向、轴向裂纹萌生及扩展特征等相关研究，以揭示高压水射流作用下混凝土破碎区演进特征及裂纹时空演化规律。研究结果对提升高压水射流破除混凝土的精确破碎和可控致裂能力，提高其在混凝土结构修复和事故应急破拆中的应用水平，具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 试验方法

1.1 透明类混凝土材料制备

透明类混凝土材料首先应满足混凝土力学性质的相似性及足够的透明性，同时为了试验可操作性，所选材料还需兼备良好的稳定性和易制取性等。环氧树脂与固化剂反应生成三维交联网络结构，透明度高、固化后韧性小、耐冲击性较差，裂纹扩展属于典型的脆性扩展，与混凝土、岩石等脆性材料十分相似。因此，基于以上材料选取原则，采用环氧树脂作为主剂，并配合固化剂(主要成分包苯甲醇、聚醚胺、助剂)，作为制备透明类混凝土材料的基础成分。混凝土中骨料的存在使材料均匀性下降，力学性质变得不稳定，破碎过程随机性增强，在水力冲击下难以形成规律性的破碎区演进及裂纹扩展特征，因此本文在透明类混凝土材料制备过程中未考虑骨料，只模拟砂浆基体以反映混凝土的基本力学性能。考虑到冲击过程拍摄便利性及清晰度，试件尺寸定为：50 mm×50 mm×30 mm(长(L)×宽(W)×高(H))。通过多轮次配比及养护试验，最终确定环氧树脂与固化剂的体积配比为V环氧树脂∶V固化剂=0.64 ∶ 0.36，其中固化剂各主成分体积配比为V苯甲醇∶V聚醚胺∶V助剂=0.09 ∶ 0.24 ∶ 0.03，试件的养护周期为48 h。

1.2 试验设备

高压水射流冲击透明类混凝土裂纹扩展捕捉试验系统的主要设备包括，高压水射流设备、高速摄像机、补光灯、抽水泵。高压水射流设备为上海金箭水射流设备制造公司生产的JJ-I42*1313型悬臂式切割机，如图1(a)所示，该设备采用PC控制器/交流伺服系统，线性直线导轨保证切割精度，具体技术参数见表1。试验所用高压水压力320 MPa、冲击时间15.0 s、靶距10.0 mm、砂管直径0.76 mm、宝石喷嘴直径0.26 mm。

高速摄像机选用千眼狼5F04高速摄像机，如图1(b)所示，其全画幅拍摄速度为500帧/s，小画幅高达52 000帧/s，并可以实现精确到1/100 μs的采集时间控制，最高分辨率：2 320×1 720，像元尺寸：7 μm×7 μm，动态范围：60 dB或90 dB(高动态模式)。同时，为保障高速摄像所需要的拍摄亮度和光线的一致性，通过Godox SL-200W LED补光灯实现试验所需光照环境，如图1(c)所示，主要参数如下：100%光照(LUX)：12 000 (1 m)，100%光通量(LM)：20 000，显色指数：90～92，R9：70以上，调光范围：10%～100%。

表1 高压水力设备技术参数

图1 主要试验设备Fig.1 The main equipments

1.3 试验方案

首先，将墨汁与纯水混合配制足量的染色剂(墨汁遇水完全溶解，且无杂质不会堵塞高压设备)，并放入蓄水容器中，作为高压水射流设备的进口水源。为达到高压水射流设备进水口所需工作压力，通过扬程大于20 m的抽水泵进行加压后再与高压水射流设备进水口连接。在射流冲击透明类混凝土材料试验中，染色水在高压驱动下会沿着裂纹扩展之处流动，完成对裂缝的着色渲染，可方便高速摄像机对破碎区扩展过程的拍摄记录，以及后期通过图像处理技术识别、提取裂纹，为研究分析高压水射流冲击混凝土裂纹动态演化真实过程提供试验基础影像、数据及信息，如图2所示。

图2 高压水射流冲击透明类混凝土试验系统示意图Fig.2 The system diagram of the high pressure water jet impacting the transparent similar-concrete concrete test

2 破碎区演进特征

2.1 水锤压缩区扩展

图3是高速摄像机捕捉的高压水射流冲击透明类混凝土材料典型时刻的图像。图3(a)为射流与透明混凝土未接触时，透明混凝土材料内部状态，可以看到除存在局部缺陷(如气孔等)外，整体上具有较好的均匀性，可作为后续时刻射流冲击下透明类混凝土材料发生动态剧变的参考对比图。从图3(b)可以看出，透明类混凝土材料内部出现到明显的压缩区Se，该区域以液固冲击中心O为原点，呈近似标准的半球形态(径向扩展距离μ略大于轴向扩展距离δ)。在射流中心下方，距离试件表面λ的范围内出现明显染色区域，即高速射流接触静止固体表面瞬间，已有高压水进入试件内部，表明已在液固接触核心区形成破碎态。

透明类混凝土材料的初始破碎是由高速流体水流状态(流速)突然变化会产生的瞬时压力，即水锤压力导致的，根据惠更斯原理得到冲击包络线形状，射流中心轴上的水锤压力由式(1)给出

(1)

式中：Pwh为水锤压力；ν为射流的冲击速度；ρw，cw分别为水的密度与冲击波在水介质中的传播速度；ρs，cs分别为混凝土的密度与冲击波在混凝土中的传播速度[15]。

根据Obara等的研究，水锤压力Pwh可视为瞬时冲击波，会导致接触面出现受压密集压缩固体区域，而后以应力波的形式在固体内部传播，如图4所示。与燃爆致裂岩石初期过程极为相似。因此，本文借鉴文献[16]分析混凝土在高速射流作用下破碎区和初始裂隙区的形成机理，将其看成平面应变问题，混凝土中任一点的应力强度为

图3 水锤压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展(第Ⅰ阶段)Fig.3 Evolution of the broken hole and crack propagation in water the hammer compression zone (stage Ⅰ)

(2)

(3)

σθ=-bσr

(4)

σz=μd(σr+σθ)

(5)

图4 水锤压力致裂机理示意图Fig.4 Schematic diagram of the water hammer pressure fracture mechanism

当σi≥σcd，σcd为混凝土的动态抗压强度，表明水锤压力作用下混凝土形成了初始冲蚀破裂区，当σi≥σtd，σtd为混凝土的动态抗拉强度，表明水锤压力激发的应力波效应在混凝土内部形成了初始裂隙。式(4)即为水锤压力作用下混凝土裂纹启裂的临界判据。

如图3(c)和图3(d)所示，在射流对材料持续冲蚀作用下，可以看到冲蚀孔洞维度呈现全方位增加，并呈近似“花瓣”状形态向自由面扩展，同时在冲蚀孔洞阵前面出现了显著的致密条带区Sp。根据准静态压痕断裂力学，高速液滴接触材料时，会在表面/亚表面形成塑性压痕，形成压痕近域的塑性屈服区[17]。在射流持续撞击的交变载荷作用下，塑性屈服区会不断扩展，当塑性区拉应力超过材料的抗拉强度，便在应力集中部位，即在“花瓣”间的联结处(见图3(d))首先产生形成径向裂纹。水流在动压力作用下浸入裂纹，对裂纹空间产生张拉作用，形成宏观径向拉伸裂纹。

从图5(a)和图5(b)随着射流冲击载荷进一步作用，在塑性屈服区Sp近域形成了典型的径向裂纹①～④，且径向裂纹随时间不断拓宽、延伸。同时，由于水力冲击是一个高频动态过程，混凝土受到的压应力存在急剧的加、卸载，混凝土的卸载恢复会在压应力作用区形成强大的环向拉伸应力，在塑性屈服区Sp近域产生了近似与材料表面平行的环向裂纹。由于材料局部缺陷以及内部结构松散度、屈服强度的非均匀性，在塑性边界区域的环向裂纹呈随机分布，如图5(c)所示。径向、环向裂纹的相互交织、贯连，在塑性屈服区邻近范围内形成网状裂纹区Sc。由于射流冲击载荷方向性，冲蚀孔洞的轴向扩展速率明显大于径向扩展，冲蚀孔洞逐渐演化为 “V”型形状，如图5(d)。试件在射流冲击作用下的去除过程是塑性流动、破坏，以及脆性破碎协调作用结果[18]。

除外，从图5(d)中还可以看到一个明显的特征，即裂纹仅在压缩区Se内衍生传播，并在压缩区Se边界处终止，说明在射流初始水锤效应形成的压缩区Se内，材料屈服强度、韧性出现大幅下降，导致裂纹尖端无法发生钝化，高度应力集中促使裂纹快速扩展，因此水锤压缩区对裂纹极为敏感，最终在该区域形成纵横交织的网状裂纹区。并且，由于在压缩区Se存在明显的材料塑性流动或切削去除，冲蚀孔洞近域存在渐变过渡区，冲蚀区边界线极为不规则。

在此阶段，水锤效应首先在透明类混凝土材料内部产生明显的半球形压缩区，然后在应力波效应以及水楔作用协同作用下，产生了宏观的径向、环向裂纹，并相互交织、贯连形成网状裂纹区。冲蚀孔洞的轴向扩展速率明显大于径向扩展，冲蚀孔洞逐渐演化为 “V”型形状。

图5 水锤压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展(第Ⅱ阶段)Fig.5 Evolution of the broken hole and crack propagation in the water hammer compression zone (stage Ⅱ)

2.2 非压缩区扩展

从图6(a)中可以看到在射流后续撞击作用下，冲蚀孔洞沿轴向不断演进，最终突破压缩区Se边界，向试件纵深处继续拓展。通过与图5对比可以发现，冲蚀孔洞在压缩区Se外扩展时，孔洞近域Sh已不存在明显的塑性屈服区以及其周围衍生的裂纹网，可以判断在非压缩区材料去除已演变为完全脆性破碎模式。

同时，从图6(a)可以看到，在压缩区Se内冲蚀孔洞直径d呈现逐步减小变化趋势(d1>d2>d3)，但变化幅度较小，而从压缩区进入到非压缩区后，冲蚀孔洞出现明显“颈缩”现象(d1≈7.5d4)，主要是由于射流作用初期，能量密度较高，应力波效应明显，在压缩区Se内部产生大量微损伤、微裂纹，使材料的切削去除较为容易，材料的去除量较大；而随着轴向距离增加，射流所受的壁面摩擦及沿程损耗会急剧增加，射流能量密度会逐渐降低，射流破除区域仅限于液固接触及邻近范围内，高压水射流的材料去除效率大幅降低，因此在非压缩区冲蚀孔洞径向维度会明显减小。

从图6(b)可以看出，在试件周围出现了黑色团状水雾，可以推断此时在高压水射流冲击下透明类混凝土出现了贯通至材料表面的宏观裂纹，造成高压水的沿缝泄漏与迸射，形成雾气漂浮状态，且在主冲蚀孔洞左侧和右侧均出现了新的冲蚀路径，而主冲蚀孔洞深度在一定时间内未有显著增加。随着冲蚀深度增加，孔洞壁面不均匀性和复杂性更加明显，高压水射流在孔洞内高速流动时，会寻找存在缺陷或相对软弱的孔洞壁面释放能量，另辟新的材料去除路径，形成侧向传播裂纹，同时，该过程也会使高压水射流在冲蚀孔洞底部的能量密度进一步降低，造成主要冲蚀孔洞的轴向演进速度出现阶段性的停滞。

在此阶段，冲蚀孔洞从压缩区扩展到非压缩区，高压水射流的材料去除效率大幅降低，非压缩区冲蚀孔洞径向维度明显减小；在高压水射流持续冲击下透明类混凝土出现了贯通至试件表面的宏观裂纹；随着冲蚀深度增加，冲蚀孔洞另辟出侧向传播路径。

图6(d)是CD-200BX 工业 CT 机扫描下得到的射流冲击岩石冲蚀孔洞的铅垂面图[19]，通过对比可以发现真实射流冲蚀孔洞形态，如孔周轮廓及孔底结构等与以上冲击试验得到的破碎孔洞扩展形态较为接近，在一定程度上对本文的相似材料和模型试验进行了验证。

图6 非压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展Fig.6 Evolution of the broken hole and crack propagation in non compression zone

2.3 侵彻贯通后扩展

从图7可以看到两冲蚀孔洞融合后，形成一条大孔径的主冲蚀孔洞，在高压水射流持续冲击下，该孔洞直径将继续增大，且在其孔壁近域出现不连续、半球状微裂纹区域。最后，当扩展至初始贯通孔径2倍左右时，主冲蚀孔洞将趋于稳定。

在此阶段，主、副冲蚀孔洞融合后，射流持续冲击使孔洞直径不断扩大，而冲蚀孔洞已经贯通，孔深将不再发生变化。

为了对上述射流冲击混凝土破碎区及裂纹扩展一般性规律进行验证，在相同工况参数，即高压水压力320 MPa、冲击时间15.0 s、靶距10.0 mm、砂管直径0.76 mm、宝石喷嘴直径0.26 mm条件下进行了重复试验，结果如图8(a)和图8(c)所示。可以看到混凝土在射流冲击作用下，同样首先形成了类似的球形压缩区Se；在后续射流持续冲击下，压缩区Se内也出现了相似的径向、环向裂纹相互交织、贯连的网状裂纹区Sc，冲蚀孔洞沿轴向在不断演进，最终突破压缩区Se边界，向非压缩区继续拓展，冲蚀孔洞从压缩区过渡到非压缩区的演化与上次试验基本一致；在高压水射流持续冲击下，冲蚀孔洞在非压缩区不断拓深，直至射流贯通试件，同时在其孔壁近域也出现了类似的不连续微裂纹区域。虽然两次试验现象中压缩区大小、裂纹形态、裂纹分布、冲蚀孔洞形状等均存在一定的差异，但混凝土在射流冲击下破碎区及裂纹扩展的阶段性过程和一般性的演化规律，基本保持一致。

图7 侵彻贯通后破碎区拓展Fig.7 Development of the broken hole after perforation

图8 水射流冲击混凝土过程Fig.8 The process of the water jet impacting concret

3 孔深孔径分析

通过以上分析可知，在射流冲击下混凝土破碎区演进过程分为三个典型阶段：水锤压缩区扩展、非压缩区扩展及侵彻贯通后扩展，不同阶段的孔深、孔径扩展速率相差较大，对孔深孔径进行全阶段量化统计，如图9所示。

第Ⅰ阶段：为孔深的快速增长期，水锤瞬时冲击作用在表面产生裂纹簇，水流进入破碎区域，并在水楔作用下产生的张拉应力加速裂纹扩展，促使冲蚀孔深快速增长至1.5 cm。第Ⅱ阶段：首先为孔深缓慢发展期，孔深由水锤压缩区过渡至非压缩区，射流去除模式的改变，以及射流能量密度降低，使冲蚀孔深经历一段约2 s的缓速增长期，而后为加速破坏融合阶段，当孔深缓慢发展至1.8 cm时，由于孔洞壁面缺陷或相对软弱面的存在等原因，冲蚀孔洞出现了分岔现象，主孔深快速扩展至3.5 cm后出现停滞，副孔深以较慢速率线性增加至同样纵深时，能量再次积聚，主、副孔洞融合在一起，射流强烈的压剪作用会快速破坏冲蚀面下部基体，瞬间贯通试件，孔深骤升至最大值。第Ⅲ阶段：射流贯通试件底部后，冲蚀孔深不再变化。

由于回溯射流与后续射流会在孔洞内形成强烈剪切与扰动作用，以及水力冲击诱发的应力波在混凝土内传播，经过边界反射后可形成PP、PS、SP、SS叠加波，使混凝土内部应力状态十分复杂，伴随着能量的不断积累和释放，除了在压缩区进入到非压缩区时，出现明显“颈缩”现象，冲蚀孔径出现了明显降低，其总体上呈现出典型的振荡性扩展特征。