有別于傳統(tǒng)機械方式，利用高壓水束沖擊作用使已損壞或性能較差的混凝土界面崩裂、剝離及沖運的高壓水射流破碎混凝土技術(shù)具有高效、*、無磨損及選擇性破除優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于土木工程、交通領(lǐng)域。隨著工程建設(shè)質(zhì)量要求不斷提高，針對復(fù)雜受力區(qū)域進行混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)急破拆時，須jing確控制破碎區(qū)裂紋的擴展，消除安全隱患，其中針對高壓水射流作用下混凝土破碎區(qū)演進及裂紋擴展演化特征機理研究成為關(guān)鍵。

       來自重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院的劉佳亮科研團隊借助相似的透明類混凝土材料，模型試驗及千眼狼高速圖像采集與測量技術(shù)，構(gòu)建了高壓水射流沖擊透明類混凝土沖蝕孔洞及裂紋擴展檢測系統(tǒng)（見圖1），以揭示高壓水射流作用下混凝土破碎區(qū)演進特征及裂紋時空演化的規(guī)律。

圖1 高壓水射流沖擊透明類混凝土試驗系統(tǒng)

【試驗過程】

       STEP1 先將墨汁與純水混合配制足量的染色劑，通過抽水泵（揚程＞20m）進行加壓后與高壓水射流設(shè)備進水口連接；

       STEP2 染色水在高壓驅(qū)動下會沿著裂紋擴展之處流動，完成對裂縫的著色；

       STEP3 利用千眼狼高速攝像機對破碎區(qū)擴展過程進行捕捉，并通過后期圖像處理技術(shù)進行特征識別，提取裂紋，圖像化、數(shù)據(jù)化再現(xiàn)裂紋動態(tài)演化的真實過程。

【試驗結(jié)果】

       對高壓水射流沖擊混凝土破碎區(qū)演進過程可分為三個典型階段，即I水錘壓縮區(qū)擴展階段、II非壓縮區(qū)擴展階段、III侵蝕貫通后擴展階段，三個階段的擴展形態(tài)、孔深、孔徑的擴展速率不同。

       圖2為第I階段水錘壓縮區(qū)破碎孔洞演進及裂紋擴展示意圖，從高速攝像機采集的圖像可以看出，沖蝕孔洞以近似“花瓣”狀形態(tài)向自由面擴展，并在沖蝕孔洞近域出現(xiàn)塑性屈服條形帶，孔洞周圍衍生出徑向裂紋、環(huán)向裂紋相互交織、貫連的網(wǎng)狀裂紋區(qū)，見圖3。

圖2  第I階段水錘壓縮區(qū)破碎孔洞演進及裂紋擴展初期

圖3  第I階段水錘壓縮區(qū)域破碎孔洞演進及裂紋擴展中后期

       第II階段非壓縮區(qū)擴展階段，材料去除演變?yōu)?脆性破碎模式，沖蝕孔洞近域已不存在明顯的塑性屈服區(qū)及裂紋網(wǎng)，軸向的演進速度出現(xiàn)階段性的停滯。如圖4所示：

圖4  第II階段非壓縮區(qū)破碎孔洞演進及裂紋擴展

       第III階段侵蝕貫通后擴展階段，圖5可以看出兩沖蝕孔洞融合后，形成一條大孔徑的主沖蝕孔洞，在高壓水流持續(xù)沖擊下，該孔洞直徑會繼續(xù)增大，且在其孔壁近域出現(xiàn)不連續(xù)、半球狀的微裂紋區(qū)域，后，當(dāng)擴展至初始貫通孔徑2倍左右時，主沖蝕孔洞將趨于穩(wěn)定，孔深不再發(fā)生變化。

圖5  第III階段侵蝕貫通后破碎區(qū)拓展

       上述研究結(jié)果可助力提升高壓水射流破除混凝土的jing確破碎和可控致裂能力，提高其在混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和事故應(yīng)急破拆中的應(yīng)用水平，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

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原文：

《振動與沖擊》2019年第38卷第24期，《高壓水射流沖蝕混凝土破碎區(qū)演進特征及裂紋擴展規(guī)律研究》