（机械设计及理论专业论文）混凝土水铣破碎的数值模拟与实验研究.pdf

摘要 在载荷、风化、温差等因素的影响下，道路、桥梁、隧道、大坝及各类建筑 的混凝土结构表层，通常出现强度降低、裂纹、塌落等现象，需要保持原有的框 架和基层，清除损坏表层重新修复。水铣是近年来国际上快速发展起来的一种高 压水射流混凝土破碎技术。相对传统机械破碎方式，水铣破碎具有高效、安全、 环保等显著优势，但国内外对其作用机理和性能规律研究较少。 从理论分析、数值模拟、实验分析等方面，对混凝土水铣作用机理和性能规 律进行了较为系统地研究。 ( 1 ) 应用岩石破碎学、断裂损伤、细观损伤、混凝土结构学等理论，结合混 凝土水铣作用的特点，从射流冲击破碎和水楔破碎作用两个方面对混凝土水铣作 用机理，进行了分析与研究。结果表明，水楔破碎起主要作用，当水流静压作用 下产生的应力因子大于混凝土的断裂韧度，混凝土表面的宏观裂纹即发生失稳扩 张，扩张的裂纹贯通后，混凝土被成块剥落下来。 ( 2 ) 应用a n s y s 软件，建立了宏观开裂和细观损伤有限元分析模型，对宏观 裂纹的开裂过程和射流冲击破碎混凝土的动态作用进行数值模拟研究。结果表明， 压力是影响混凝土水铣破碎的主要因素，只有泵压超过3 2 4 m p a ，混凝土才能被破 碎，破碎深度随着压力的增大而迅速增大，与作用机理分析结果吻合。 ( 3 ) 利用高压水射流实验台，进行了混凝土水铣实验研究。结果表明，横移 速度、靶距、泵压、给进次数等水力参数对混凝土破碎效果都有影响，泵压对其 影响效果最显著，当泵压超过门限压力后，破碎深度h 随着泵压p o 的升高而呈明显 的线性升高的关系。 研究结果揭示了混凝土水铣中的射流冲击和水楔效应两种主要作用机理，明 确泵压、流量主要影响因素的作用，建立了混凝土水铣设备设计的初步应用理论 基础。 关键词：混凝土；破碎；水射流；数值模拟；实验研究 a b s t r a c t a f f e c t e db y1 0 a d , w e a t h e r , t e m p e r a t u r ea n do t h e rf a c t o r s ，t h es u r f a c eo fc o n c r e t e s t r u c t u r e ss u c ha sm a d ，b r i d g e ，t u n n e l ，d a ma n do t h e rt y p e so fb u i l d i n g s ，u s u a l l yt a k eo n l o w e ri n t e n s i t y , c r a c k , c o l l a p s e ，e r e i tn e e d st om a i n t a i nt h eo r i g i n a lf r a m e w o r ka n d g r a s s r o o t sa n de l i m i n a t e ，r e p a i rt h ed a m a g es u r f a c e h y d r o d e m o l i t i o ni sa n e wc o n c r e t e c l e a nt e c h n i q u eu s i n gh i g hp r e s s u r ew a t e rj e t , w h i c hi sr a p i d l yd e v e l o p e di n t e r n a t i o n a l l y i nr e c e n ty e a r s c o m p a r e d 谢t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fm e c h a n i c a lt e c h n i q u e s ， h y d r o d e m o l i t i o nh a sm a n ys i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s o fh j 曲 e f f i c i e n c y ,s a f e t y a n d e n v i r o n m e n tf r i e n d l y o t h e r w i s e ，t h e r ea r ef e ws t u d i e so ni t sa c t i o nm e c h a n i s ma n d p e r f o r m a n c e si nc h i n aa n da b r o a d t h em e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c e so fc o n c r e t eh y d r o d e m o l i t i o nh a v eb e e ns t u d i e d s y s t e ms y s t e m a t i c a l l yt h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i n g a n d e x p e r i m e n t a la n a l y s i s ( 1 ) c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n c r e t eh y d r o d e m o l i t i o n , t h ec o n c r e t e h y d r o d e m o l i t i n gm e c h a n i s mw a sp u tf o r w a r d e df r o mt h ea s p e c t so fw a t e r j e ti m p a c t c r u s h i n ga n dw a t e rw e d g eb r o k i n g ，u s i n gr o c kc r u s h i n g ，f r a c t u r ei n j u r y , m i c r o s c o p i c d a m a g ea n dc o n c r e t es t r u c t u r et h e o r i e s i ts h o w st h a tt h ew a t e rw e d g ea c t i o np l a y e da m a i nr o l ei nt h eb r o k i n gp r o c e s s ，w h e nt h es t r e s sf a c t o ro ft h ew a t e rs t a t i cp r e s s u r ei s g r e a t e rt h a nt h a to ft h ef r a c t u r et o u g h n e s so fc o n c r e t e ，t h em a c r o s c o p i cc r a c ko nt h e c o n c r e t es u r f a c ew i l lb r i n go u tt h ei n s t a b i l i t ye x p a n s i o n , a f t e re x p a n s i o ng o e st h r o u g h t h ec r a c k s ，a n dt h ec o n c r e t ei sp e e l e do f f m a s s i v e l y ( 2 ) t h em a c r o s c o p i cc r a c ka n dm i c r o s c o p i cd a m a g ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l a r ee s t a b l i s h e da p p l y i n ga n s y ss o f t w a r e t h ec r a c k i n gp r o c e s so fm a c r o - c r a c k sa n d t h ej e td y n a m i ci m p a c to fc o n c r e t eh y d r o d e m o l i t i o na r en u m e r i c a l l ys t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h eb r o k e ne f f e c t sa l em a i n l yi n f l u e n c e db yt h ew a t e r j e tp u m pp r e s s u r e m o r e o v e r , o n l yw h e nt h ep u m pp r e s s u r ee x c e e d s3 2 4 m p a , t h ec o n c r e t ec a nb eb r o k e n , a n dt h e c r u s h i n gd e p t hi n c r e a s e sr a p i d l y 蠲t h ep u m pp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，w h i c hm a t c h 、析t l lt h e m e c h a n i s ma n a l y z i n gr e s u l t s ( 3 ) t h ec o n c r e t eh y d r o d e m o l i t i o np e r f o r m a n c e sw e r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e du s i n g t h eh i g hp r e s s u r ew a t e r j e tt e s t i n gt a b l e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee f f e c to fc o n c r e t e b r o k e na r ei n f l u e n c e dm a i n l yb yt h ew o r k i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha st h eh o r i z o n t a ls p e e d , r a n g e ，p u m pp r e s s u r e , f e e d i n gf r e q u e n c y i na l lp a r a m e t e r s ，t h ep u m pp r e s s u r ei st h e m o s ts i g n i f i c a n te f f e c tf a c t o r , w h e np u m pp r e s s u r ee x c e s s e st h r e s h o l dp r e s s u r e ，c r u s h i n g d e p t hi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go f p u m pp r e s s u r en e a r l yl i n e a r l y t w om a i nm e c h a n i s m so fj e ti m p i n g e m e n ta n dw a t e rw e d g ee f f e c ti nc o n c r e t e h y d r o d e m o l i t i n gp r o c e s sa r cr e v e a l e d , a n dt h ee f f e c t sp e r f o r m a n c e so ft h ep u m p p r e s s u r ea n df l o wr a t e sh a v e b e e np u tf o r w a r d e d t h er e s u l t se s t a b l i s h t h eb a s i c d e s i g n i n gt h e o r yo ft h ec o n c r e t eh y d r o d e m o l i t i o ne q u i p m e n t k e y w o r d s ：c o n c r e t e ；b r o k e n ；w a t e r j e t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 第一章绪论 1 1 1 选题背景 第一章绪论 截止2 0 1 1 年，全国公路网总里程已突破4 0 0 万公里，其中混凝土路面1 3 7 5 5 万公里，由于承载较大、使用年限较长，大多已出现各种病害。我国现有公路桥 梁6 5 8 万座，其中约8 5 为配筋混凝土桥，桥梁总体技术状况不容乐观，危桥数 量居高不下。根据发达国家的经验，桥梁投入使用的2 0 - 3 0 年后为病害集中暴露 期，而我国2 0 世纪9 0 年代及以前修建的桥梁约占4 0 。据交通运输部预测，到 2 0 2 0 年，全国公路客运量将达到目前的3 倍左右，货运量将达到目前的2 倍左右， 主要公路通道日均交通量将接近6 万辆，是目前的4 倍左右。公路交通将向建设、 养护、管理并举转变f l 叼。由于载荷、风化- 腐蚀、温差效应等因素的影响，机场、 码头、桩柱、隧道、大坝及各种建筑结构表面混凝土强度急剧弱化并出现了不同 程度的损伤。为支撑经济的长期快速发展，保障混凝土构件的安全性，我国亟需 在原有建筑结构基础上，对表面损坏、破裂的混凝土体进行清除破碎，以便重新 浇筑、修复、翻新或拓展。 目前，我国混凝土破碎多采用传统机械破碎方式，如振动锤、风镐、干式喷 砂、爆破等，见表1 1 混凝土破碎方式p j 。 表1 1 混凝土破碎方式 t a b l e1 1c o n c r e t es t u c t u r ed e m o l i t i o nm e t h o d s 由表1 1 可知，采用传统的机械方式破碎混凝土易产生新的裂纹，甚至会破坏 钢筋结构，造成成本高、工作量大的缺点。并且传统混凝土破碎方式在破碎混凝 土过程中具有砂尘大、震动大、噪声高等缺点，不适宜在人口密集、交通拥挤的 2 第一章绪论 城市施工。因此，开发快速、高效、环保、低成本的混凝土破碎技术和设备，已 成为我国混凝土建筑物修复、维护和防护的当务之急。 水铣是近十多年国际上出现的一种利用高压水射流来清除混凝土界面的新型 技术。其作用原理是：在高压水束的冲击、穿透和剪应力作用下，在混凝土表面 空隙和细微裂缝处形成水楔效应，急速扩大已有的混凝土裂纹，使已损坏或性能 较差的混凝土界面崩裂、剥离及冲运。 水铣机主机为一台超高压水泵，配有柴油机、供水系统、控制系统等，执行 机构如导向支撑装置和喷杆、喷枪、旋转喷头等，集成安装于遮拦箱内，以防清 除物料飞溅，水铣头能自动重复移动以达到清除不同厚度的要求，附加机构能使 它完成水平面、垂直面、顶面或曲面的水铣作业。典型的混凝土水铣设备如图1 1 。 一一一 、 一j 、了。一重，冀 _ ：磊 l 惑+ h ；屯 l 一为动力装置，2 一为执行机构，3 为控制系统 图1 1 典型混凝土水铣设备 f i g u r e1 1t y p i c a lc o n c r e t eh y d r o d e m o l i t i o ne q u i p m e n t 由于水铣技术利用了高压水射流，这一冷态高速能束柔性加：【新工艺，彻底 改变了传统机械破碎混凝土的作用方式，不仅完全克服了传统工艺的不足，而且 极大地提高了破碎质量和工作效率。相比机械式破碎技术，混凝土水铣具有以下 明显优势： ( 1 ) 高效率 混凝土水铣破碎比传统方法快2 0 5 0 倍，降低了使用成本并能保证工程快速 进展。据国外桥梁水铣施工应用报道，采用主机功率为4 0 0 k w 、最高射流压力 1 2 0 m p a 、流量18 0 l m i n 的水铣机，最大水铣宽度2 0 m m ，清除深度1 0 - 2 0 0 m m ， 其效率可达2 4 0m ，h ，基面凿毛效率可达2 0 0 m 3 d a ，常规方法无法与之相比【 】。 ( 2 ) 选择性 第一章绪论 3 由于传统的机械方法，会对混凝土造成新的伤害，在去除表面受损混凝土的 同时必须去除周边大量良好的混凝土。但是，水铣作用机理不同，而且水铣头是 快速连续运动的，水铣作业不会在混凝土表面产生冲击作用，所以对材料的作用 外力最小。目前，水铣设备更能智能化的控制水压、流量、喷头运动和攻角，使 之针对混凝土破损区域建立一个内部液体压力，其它部分的混凝土保持良好，且 混凝土损坏越严重效果越好。 ( 3 ) 高质量 水铣作用是一个快速、连续不断的过程。针对受损面进行拆除破碎，几乎不 会产生震动，相比传统方法对去除部分以外的混凝土的破坏影响小，而传统的方 法如手提钻、液压锤等在去除毁坏混凝土的同时，会使周边良好混凝土产生新裂 纹，更有甚者会对钢筋结构产生破坏，如图1 2 所示。 _ f 式喷砂液压锤水铣 警、 图1 2 不同破碎方式下混凝土的损伤率 f i g u r e1 2t h ec o n c r e t ed a m a g er a t e sb r o k e nb yd i f f e r e n tm e t h o d s 山图1 3 发现这条白色的裂纹是传统方式去除混凝土后造成的，其穿过混凝土 表面一直深入到混凝土骨料，严重的影响了混凝土的结构。 图1 3 传统破碎方式下混凝土的显微结构 f i g u r e1 3s e m i m a g ec o n c r e t eb yc o n v e n t i o n m e c h a n i c a lm e t h o d s 山图1 4 町知，水铣处理不会破坏混凝上的微观结构，不会影响其气孔结构， 也不产牛建筑物声波传递，对混凝土结构强度基本上没有损坏，还为浇盖新的混 4 第一章绪论 凝土层，提供了良好的接触面。 图1 4 水铣作用下混凝土的显微镜结构 f i g u r e1 4s e m i m a g ec o n c r e t eb yh y d r o d e m o l i t i o n 水铣后混凝土表面平缓，但是粗糙度高，很少有结合性差的地方，给后续重 新浇筑打下了良好基础，相比于传统方法水铣能提高更大更宽的新旧接合而，而 用其它方法处理结果则正好相反。实验表明，水铣翻新混凝土表面的结合率超过 5 0 ，喷砂方法界面抗拉强度符合要求的达3 8 ，振动冲击锤的为3 1 ，爆破的 仅为7 【1 。 水铣清除混凝土，节约了大量的人力，物力和时问。相比传统的清除方法， 水铣一次操作，不需对钢筋表面残存混凝土进行次清除，更重要的是不会造成 对钢筋结构的破坏，还能为钢筋表面去锈。另外，水铣针对性去除腐烂混凝土， 大大提高了清除成本和时间，而传统方法无法做到选择性去除，造成了材料上的 浪费。 ( 4 ) 安全环保 随着水铣同趋自动化，设备越来越多的采用机器人式水铣方法。在水铣机器 人上有可输入参数的的控制面板，这些参数控制了水铣的移动：另外，水铣还有 远程电脑p l c 控制系统，可以控制给水量和去除深度。相比传统方法和过去手持 式水铣方法对劳动力要求更低，防止了近距离水铣作用中产生的飞屑、噪音对操 作者的伤害，大大提高了操作的安全度。 由于水铣以清水为介质，不像传统机械拆除那样产生大量粉尘，污染大气环 境，损害人体健康；以水为介质，喷出的射流雾化后，还可降低作业区的空气粉 尘浓度：水铣采用独特的冷处理方法，作业时无振动、噪声小，工作强度低。随 着环保法规的完善和实施，水铣更适宜于城市道路、桥梁、隧道等交通设施的维 护施工。 ( 5 ) 适应性广 可根据不同的作业要求，设定适宜工作压力，实现混凝士结构表面的清洗、 第一章绪论 5 清除、凿毛、剥离、切割等不同作业，如混凝土路面、沥青路面及隧道内墙的清 洗和清除表面涂层( 斑马线、乳化漆、污迹等) ，机场跑道去胶，桥面铺装去浮浆， 混凝土破损路面清除，混凝土开槽、切割，混凝土增强钢筋除锈，也可用于建筑 结构或港口水下结构的表面清除。目前，在欧美国家的桥梁加宽拓展中水铣技术 已广泛应用，在不损坏桥梁结构和加强钢筋的前提下，水铣技术能在桥梁边沿获 得高质量和高强度的结合部，以便桥墩重新浇筑、修复，还能对钢筋除锈( 见图 1 5 ) 。 图1 5 水铣在桥梁方面的应用 f i g u r e1 5h y d r o d e m o l i t i o na p p l i c a t i o ni nr o a da n db r i d g e ( 6 ) 操作性好 编程机器人很容易操作。在操作面板上应用清晰简单的图像并与多种语言结 合，电脑自动控制和操作预先设定的程序，一旦被编程，水射流迅速、连续地贯 穿在要被去除的整个区域。操作工人可以轻易的通过远程操作箱微调使破碎达到 所需的深度。水铣易于实现自动化，在工程应用中通常采用紧凑型水铣机器人， 根据工作对象开发不同类型的工作执行机构，可自动对水平面、立面、柱面、桥 梁底面、弧面等处进行水铣处理。 综上所述，混凝土水铣是目前国际上最先进的混凝土破碎技术，具有高效、 环保等显著优势，在我国具有广阔的应用前景。但是由于我国水射流技术始于二 十世纪八十年代，起步较晚，并且我国水射流技术多用于水射流辅助采煤、水射 流辅助破岩、水射流切割和水射流清洗等方面。因此，我国水射流技术难以满足 水铣设备高压( 6 0 1 5 0 m p a ) 、大流量( 1 5 0 - - - 4 0 0 l m i n ) 的需剥】，高压水铣技术 的研究和应用方面在国内基本上还是空白。只有极少数企业、科研机构从国外引 进了高压水铣设备，但是国外进口设备价格非常高昂，难以在我国推广应用。针 对我固水铣技术研究现状和设备应用现状，对混凝土水铣作用机理和性能规律进 行研究，有助于我困对混凝土水铣破碎技术和设备的了解，可为我国h 后开发自 6 第一章绪论 主产权的水铣设备提供参考。 1 2 水铣技术的国内外研究与应用现状 1 2 1 水铣技术的国外研究与应用现状 1 9 7 9 年，意大利首次开发出水铣设备，1 9 8 0 年后美国将水铣技术成功应用于 桥梁修复中，1 9 9 0 年后水铣技术在欧美很多国家得到广泛应用。近1 0 年来，混凝 土水铣技术不断发展进步，已成为国际上最高效、最先进的混凝土凿毛与破碎技 术，水铣效应的研究和应用也成为英、美、德、瑞典、瑞士等欧美国家的热点。 瑞典的a q u a j a 、c o n j e t ，美国的z l b ，德国的w o m a 、f a l c h 和英国b u x t o nw a t e r 等公司都在生产混凝土水铣机器人。水铣机器人能够自动高效地完成水平面、垂 直面、顶面或曲面等水铣作业，如表1 2 h 7 j 所示。 表1 2 典型水铣设备结构特点 t a b l e1 2s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t y p i c a lh y d r o d e m o l i t i o ne q u i p m e n t 目前，水铣技术已广泛应用于道路、桥梁、隧道、机场、码头、桩柱、大坝 及各种建筑结构重新浇筑的混凝土清拆作业中。特别是在欧美国家的旧桥加固和 加宽拓展工程中，在不损坏桥梁现有结构和加强钢筋的前提下，通过水铣维护能 增加结合面粗糙度以便重新浇筑后获得高质量、高强度的结合部。此外，通过设 定不同的工作压力，水铣设备还可广泛应用于各种清洗、清除、凿毛、剥离、切 割等工程中，如道路桥梁、隧道的表面清洗，机场跑道去胶，桥面铺装去浮浆， 建筑结构或港口水工结构的表面清除。在亚洲些国家和地区，如南韩、日本， 水铣也逐渐被用于道路、桥梁和大型建筑的维护、翻新工程中；如台北某桥梁采 第一章绪论 7 用水铣技术清除约6 0 0 0 n 1 2 桥面、l o - - , 15 m m 厚的损坏混凝土表层以便重新浇筑。目 前，世界上水铣设备均采用高压纯水射流技术，功率一般为3 7 5 - - 6 0 0 k w ，压力从 6 0 m p a 到1 5 0 m p a ( 剥层和切割) 不等，流量为1 5 0 - - 4 0 0 l r n i n l 4 5 1 。国外高压水射 流破碎混凝土的典型实例如表1 3 m 。 表1 3 国外混凝土水铣典型工程实例 t a b l e1 3f o r e i g ne n g i n e e r i n ge x a m p l eo f t y p i c a lh y d r o d e m o l i t i o n 在水铣技术的研究方面：水射流冲蚀金属类均质材料的破坏机理，并不适用 于混凝土这样的非均质材料。德国w o m a 公司的m o m b e r 、k o v a e e v i e p 叫等人先后 对混凝土水铣进行了大量实验研究。他们认为水铣清除机理主要是，超高压水射 流的穿透作用激化并扩展了混凝上结构上预先存在的微裂纹，当裂纹在水铣处呈 交叉状分布时材料即被清除；另一方面，由于超高速水射流在材料表面上产生附 加应力，通过摩擦和空穴效应，在其表面产生很强的剪应力致使材料破坏。瑞典 的s i l f w e r b r a n d 实验研究了混凝土水铣界面的剪切应力特征，认为此值必须超过 3 m p a 。m o m b e r t s j 用电子扫描显微镜研究了高速纯水射流( 4 7 0 m s ) 作用混凝土的 表面特征，发现存在着多种形态的微裂纹，符合拟脆性断裂行为，可用非线性断 8第一章绪论 裂参数估计水铣性能。 目前，国外水铣技术和设备的发展应用已经相当成熟，压力范围可达 6 0 - 1 5 0 m p a ，流量范围可达1 0 0 , , - 4 0 0 l m i n ，可用于道路、桥梁、隧道、机场、码 头、桩柱、大坝及各种建筑结构的表面混凝土破碎作业中。但是国际上对高压纯 水作用于混凝土材料的水铣效应机理研究极少，目前还没有系统的研究，致使混 凝土水铣破碎机理尚不明晰。 1 2 2 水铣技术的国内研究与应用现状 水铣设备的泵压非常大( 一般为6 0 - - , 1 5 0 m p a ) ，国产水泵大多为0 1 1 0 m p a 的 中低压离心泵、齿轮泵等难以满足水铣工作要求。仅有极少数的泵厂能生产高压 泵或增压器，如天津通洁公司改造的往返泵增压泵，压力可达2 5 0 m p a ，中国泵阀 之乡的永嘉泵压可达1 0 0 m p a 以上，三菱集团的增压器压力可达5 0 0 m p a 。但是这 些泵组并不是针对水铣设备研发的，其安全性又得不到保障。从国外引进的水铣 设备价格非常高昂，因此，混凝土水铣破碎在国内的应用极少。 我国高压水射流技术始于八十年代中期，起步晚、规模小，并且大多是对水 射流辅助破岩、水射流辅助采煤、水射流切割和水射流清洗等领域的研究，对水 铣技术的研究几乎处于空白，仅有少数学者对其进行了研究。四川省水利厅的潘 超、姚勇采用显示动力学有限元软件程序对射流冲击破碎混凝土的破碎过程中流 体与固体之间的相互作用以及混凝土的破碎动态扩展过程进行了分析 9 1 。同济大学 李万莉、徐宝富等应用细观损伤力学理论对水射流侵蚀破碎水泥路面的微结构损 伤模型进行了仿真研究并总结出了破碎混凝土路面所需射流的各种参数。通过实 验验证了混凝土破坏模型和破坏准则的正确性，并得到了有效破碎混凝土路面的 射流参数和混凝土的临界破坏剧唧。重庆大学的卢义玉、冯欣艳等人对高压空化 水射流破碎混凝土进行了实验研究，并得出如下规律：射流的驱动泵压与冲蚀深 度成正比：围压越高冲蚀深度越低；水射流喷嘴与目标之间存在一个最佳靶距： 冲蚀时间具有明显的区域性，改变水力参数后冲蚀深度最终将趋于一个稳定值， 即增加不明显【1 1 l 。 综上，我国对混凝土水铣破碎技术的应用较少，对其技术的相关研究大多处 于假说阶段，并未形成系统的理论体系，并且大多研究忽略了水楔效应，这又限 制了水铣技术的应用及发展。 1 3 研究目的和意义 目前，高压水铣技术的研究和应用方面国内基本上还是空白。由于高压水铣 第一章绪论 9 设备对于大功率、大流量的高压射流主机的要求，我国的技术水平短期内还无法 达到，我国对于混凝土水铣设备的应用，主要依赖于进口国外高昂的水铣设备， 难以在我国推广应用。 我国对水射流技术的研究仍然局限于小流量射流破碎、切割岩石、混凝土的 机理和规律研究，对高压大流量水射流破碎混凝土的机理研究几乎没有。 针对我国对水铣技术和设备的迫切需求，本文对“高压大流量水铣效应 进 行系统的理论与实验研究，通过对断裂损伤力学、混凝土结构学、岩石破碎机理 的研究明确混凝土水铣的作用机理；利用a n s y s 有限元软件建立混凝土水铣的损 伤模型并分析水力参数对水铣破碎混凝土效果的影响，验证水铣机理。从而形成 初步的破碎理论，这是对水射流理论的进一步发展和丰富。在探清机理情况下， 通过实验掌握水铣的性能的基本规律，对日后开发自主产权的国产混凝土水铣设 备有一定的参考价值。 1 4 研究内容及思路 本文对混凝土水铣破碎的作用机理和规律进行了比较系统的分析研究，并利 用高压水射流实验台，分析研究了高压射流条件下各水力参数对破碎效果的影响， 主要研究内容如下： ( 1 ) 结合岩石破碎理论、细观损伤学、断裂损伤学和混凝土材料学等理论， 针对水铣直接作用于损伤的混凝土表面的独特破碎方式，对混凝土水铣破碎的过 程、机理进行分析研究，初步建立混凝土水铣破碎理论。 ( 2 ) 应用a n s y s 软件建立混凝土水铣破碎的数值分析模型，对水铣作用机 理进行验证；通过模拟不同泵压、流量等水力参数下混凝土破碎的过程和效果， 总结水力参数对混凝土破碎影响的规律。 ( 3 ) 利用水射流工作台对混凝土水铣破碎进行实验研究，进一步对水铣作用 机理进行验证并对靶距、横移速度、泵压、给迸次数等因素对混凝土破碎效果的 影响进行研究。 本文研究的思路，是在高压水破岩理论的基础上针对水铣作用的特点，研究 在高压水射流条件下混凝土水铣破碎的机理，并应用a n s y s 软件，建立混凝土水 铣破碎数值模型，分析水射流破碎性能与规律，通过实验加以验证，对混凝土水 铣破碎进行初步系统的分析。 1 0 第二章混凝十水铣破碎机理分析 第二章混凝土水铣破碎机理分析 2 1 混凝土水铣冲击作用机理 混凝土水铣破碎是水射流冲击破碎和水楔效应共同作用的结果：水射流冲击 混凝土，射流直接作用于混凝土表面，由于水铣的高压大流量特点，水射流瞬时 冲击力相当大，当冲击力超过混凝土的抗压极限，混凝土即被破碎。相对亟需破 碎混凝土表面水射流冲击作用面极小，作用效果不明显。水铣破碎主要是利用水 楔作用直接作用于损伤的混凝土表面，使混凝土表面宏观裂纹丌裂、扩展、汇合 直至大块脱落。 目前，水射流冲击破碎混凝土、岩石等类脆性材料的机理多以强度理论做为 破坏准则。强度理论认为，当受载构件的最大特征应力达到材料抗力时，构件便 发生破坏，强度理论既不能解释理论强度远高于实际强度的原因，又不能分析低 应力脆断的本质。并且传统的水射流破岩机理用简单连续介质来描述材料的本构 关系，臣i 】把构件看作可变形的无损伤、均匀、各向同性的材料，既不能识别类脆 性材料中微裂纹的形核、扩展、汇合过程，又不能描述裂纹尖端的应力集中现象。 细观变形规律 丽惩孺薅矿 刻损 删失 斛演 剃化 期方 祠程 上上上上上 图2 1 混凝土细观分析方法 f i g u r e 2 1c o n c r e t em e s o s c o p i ca n a l y s i sm e t h o d 第二章混凝土水铣破碎机理分析 1 1 因此，本文以破岩理论研究为基础，结合细观损伤力学理论，针对混凝土水 铣作用特点，从混凝土的细观结构出发，如微裂纹、微空隙、晶界等对水射流冲 击混凝土的细观结构变化的物理和力学过程进行研究。在混凝土中选取一个代表 性体积单元，记为体胞，它需要满足尺度的二重性：一方面，从宏观上讲其尺寸 足够小，可以看作一个质点，因此其宏观应力应变场可以看作均匀的；另一方面， 从细观角度上讲，其尺度足够大，包含足够多的细观结构信息，可以体现混凝土 的统计平均性锹1 2 1 。再通过体积平均化的方法从细观分析结果导出混凝土的宏观 损伤性能、损伤力学本构关系和损伤演化方程。图2 1 表示了混凝土细观损伤力学 的基本方法i i 引。 混凝土是由砂、石、水泥和水按一定比例拌和而成的复合材料，其中砂、石 统称骨料，骨料又可分为细骨料和粗骨料。细骨料和水泥浆又组成砂浆，将粗骨 料粘结起来。混凝土在凝结后，水泥浆中已水化部分、未水化的水泥颗粒以及空 气和水等所占的比重随龄期变化，未水化部分逐渐减小而水化部分逐渐增多。水， 化的水泥浆由针状或片状纤维组成。纤维不是实心的；而呈微细的管状，所以水 泥浆空隙率很高，约达3 0 。随着混凝土的凝结硬化、收缩、排水等原因，混凝 土内部会形成微孔洞、微裂纹、界面失效和失稳带四种细观损伤i l 刖。 从细观分析，由于混凝土集料和砂浆的界面上存在大量微裂纹，即所谓的“结 合裂纹 。在高应力下，粗骨料的界面裂纹突然加宽和延伸，大量进入水泥砂浆； 水泥砂浆中有裂纹也加快发展，并和相邻裂纹相连。连通裂纹大致平行于压力方 向，且向混凝土的作用表面方向扩展，将混凝土构件分割成了数个小柱体。若混 凝土中部分粗骨料强度较低，或有节理和缺陷，也可能有高压下发生骨料劈裂。 此时裂纹进入不稳定发展阶段，即使压力维持常值，裂纹也将继续扩展，导致混 凝土构件作于区域的崩碎。 因微裂纹形状和方位不确定，单一考虑某一微裂纹、空隙等缺陷是不现实的， 所以不应用数值方法模拟混凝土中某一微观裂纹效应，而是研究载荷和环境作用 下，由于细观结构损伤( 微裂纹) 引起的混凝土材料或结构的劣化过程，即所谓 的损伤，用材料的损伤变量来反映混凝土中微裂纹增长和相互作用，从而决定了 材料中的损伤积累。 简单来说，损伤变量是一个没有方向，数值相同的标量，它通过由于损伤而 丧失承载能力的面积与初始无损伤时原面积之比来反映混凝土的破损程度i l 即。 d ：尘丛 彳 ( 2 1 ) 第二章混凝土水铣破碎机理分析 式中，a _ 一无损伤状态时的横截面面积，m 2 ；a 损伤后的有效承载面积，m 2 ； 嗍伤变量。 d = 0 表示初始无损状态，0 d l 表示混凝土材料处于损伤到断裂的过渡状态， d = i 意味着混凝土材料已经产生宏观裂纹，甚至断裂、破坏。 p 0 图2 2 脉冲射流冲击混凝土的水锤波 f i g u r e2 2t h es h o c kw a v eo fp u l s e dj e t0 1 1c o n c r 吲【e 若水射流以脉冲的形式作用于靶体的水射流，能通过水锤效应给混凝土结构 施加高穿透力，冲击从一开始就使混凝土破碎并使裂纹迅速扩散。与普通的连续 水射流相比，其在混凝土表面产生的冲击力大大超过了一般连续射流的滞止压力， 从而非常显著地提高了水射流的破碎能力。 射流脉冲峰值压力与水锤波的传播和发展密切相关，脉冲射流冲击混凝土的 过程中水锤压力波的动态变化曲线如图2 2 所示。由图可见，脉冲峰值压力p h 大 大高出其后续的滞止压力p ，水锤压力p h 在冲击靶面时才出现，其计算公式为m p h ：_ ? 孚_ ( 2 2 ) 踟2 瓦赢 他2 ) 式中，p 广混凝土密度，k g m 3 ；瑚的密度，k g m 3 ；删流冲击速度，m s ；a 广 混凝土中声音传播速度，m s 。 水铣利用水射流的冲击作用破碎过程中，冲击力随时间的变化如图2 2 所示， 忽略冲击力作用初始阶段的“阶跃性 ，可将冲击力看作是在混凝土表面垂直作用 的分布均匀的压力p ，如图2 3 所示。 第二章混凝十水铣破碎机理分析 1 3 一_ _ 一 p 图2 3 冲击力破碎混凝示意图 f i g u r e 2 3s k e t c ho fi m p a c tf o r c eb r o k e nc o n c r e t e 本文结合混凝土强度力学的应力一应变曲线( 图2 4 ) 、混凝土细观损伤和水射 流的冲击特点，分析混凝土的损伤本构关系、损伤演化方程和破坏机理m 1 6 1 。 巴瞄 o 图2 4 混凝土压力体积应变曲线 f i g u r e2 4t h ec u r v eo fp r e s s u r e v o l u m e t r i cs t r a i n ( 1 ) 弹性阶段( p 己岫) p = 缸 ( 2 3 ) 式中，l 卜混凝土弹性体积模量，七= 圪埘；一单元的体积应变，= p l p o ( 只岫、为单轴压缩实验的压缩体积压力和压碎体积应变；p 和风分别表示 1 4 第二章混凝土水铣破碎机理分析 单元的密度和初始密度) 。 o a 阶段近似为直线是混凝土的变形阶段，主要是骨料和水泥结晶体的弹性变 形。虽然有些微裂纹的尖端因应力集中而略有发展，也有些微裂纹和间隙因受压 而闭合，但对混凝土的宏观变形性能无明显影响。即使载荷持续较长时间，微裂 纹也不致有大发展，残余变形很小。此时微裂纹处于相对稳定期。 ( 2 ) 过渡阶段( 圪1 髓h 鳓为最大体积应变是混凝土卸载之前的体积 应变。 此时，若卸载曲线将进入下降段。随着力的下降，骨料弹性变形开始回复， 凝胶体的滞性流动减小，而裂纹继续迅速传播发展，使形变继续加大。由于坚硬 骨料颗粒的存在，在裂纹面上产生剪摩阻力，以及非连续接触面间的非弹性变化 等原因，混凝土构件并未完全破碎，仍具有一定的承载能力。 ( 3 ) 压实阶段( p ) 当压力达到时，混凝土完全压碎。 一一 一t 尸= k t l t + k 2 + 足3 ( 2 6 ) 式中，石一修正体积变量，五= 警 x 。，k ：，k ，一混凝土的材料常数。 1 - i - 压力超过b 点以后，应力应变关系明显趋于直线，表明混凝土的压力增量不 大，而塑性变形却相当大。曲线上的峰值压力( c 点) 即混凝土的抗压强度以， 这恰恰符合了强度理论的最大主应力破碎准则，当压力超过混凝土的抗压强度， 第二章混凝土水铣破碎机理分析 即混凝土的破碎门限，混凝土材料就会被破坏。水射流不断向四周扩散，距离作 用中心越远的区域压力越小，所以压力中心力最大，破碎深度也最大。持续加载， 混凝土破碎深度不断加大，破碎面积也不断增大，最终会形成“v 一形凹坑。 o l 压子午面嗽 拉子颁h 氧 图2 5 混凝土损伤破坏曲面 f i g u r e 2 5d a m a g es u r f a c e o fc o n c r e t e 在应变空间中，仿照塑性屈服面的想法，设立损伤破坏曲面，如图2 5 所示。 根据等效塑性应变和塑性体积应变的积累来描述损伤，其损伤演变方程1 “1 引 。= 笔等 ( 2 7 ) 式中，印一等效塑性应变增量；纬一塑性体积应变增量；+ 衫一在压力p 下总的塑性应变( p 为单元真实静水压力) 。 + 彳= 日p 。+ r 严 式中，p ：p 正是标准化的静水压力( 丘是材料的静态抗压强度) ； 混凝土的常数，t = r z ( t 为混凝土的抗拉强度) 。 ( 2 8 ) q ，砬为 1 6 第二章混凝十水铣破碎机理分析 圈重萋圈 综上所述，混凝土水铣冲击破碎机理可以概括为：随着冲击力的增大，沿粗 骨料界面和浆体内部的微裂纹逐渐延伸和扩展，导致砂浆的损伤不断积累；裂纹 贯通后，混凝土的连续性遭到破坏，逐渐丧失其承载能力，形成小范围的破碎坑， 如图2 6 。 混凝j i 二这一微观破坏过程可通过外国学者a w m o m b e r 对混凝土水铣破碎实 验拍摄的电子显微镜切片而得到证实，如图2 7 。 ( a ) ! o m m 时电子显微镜f 的裂纹 ( b ) 1 0 0 m m 时电子显微镜卜的裂纹 图2 7 电子显微镜下微裂纹扩展过程1 8 l f i g u r e 2 7s e m i m a g eo fm i c r o c r a c kp r o p a g a t i o n 第二章混凝十水铣破碎机理分析1 7 从宏观来看，水铣冲击力直接作用于混凝土表面，混凝土产生弹性变形，乃 至塑性变形，如果不增大压力，持续加载混凝土也不会破碎，只有当冲击压力超 过混凝土的抗压强度，混凝土才会破碎，所以泵压是混凝土水铣破碎的重要因素， 压力越大，破碎效果越好。 混凝土水铣宏观破碎机理和石油大学王瑞和、李根生的水射流破岩机理的规 律吻合，同济大学李万莉也通过水射流破碎混凝土实验验证了这一门限值的存 在。 图2 8 混凝土冲蚀效果图 f i g u r e 2 8c o n c r e t ee r o s i o ne f f e c t 表2 1 水泥砂浆和租骨料的力学性能【1 4 1 t a b l e 2 1t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc e m e n tm o r t a ra n dc o a r s ea g g r e g a t e 丝丝堑堡堕堕塑堕! 竺理!亟垫塑堡( 塑巳尘 硬化水泥砂浆1 5 、1 5 01 4 7 粗骨料7 0 3 5 01 4 1 4 混凝土可看成是粗骨料随机分布在连续的水泥浆中。粗骨料的强度远比混凝 土高，硬化水泥砂浆的强度比混凝土高( 表2 1 ) ，但由两者所构成的混凝土强度 却较低。研究表面，混凝土内砂浆与骨料界面的粘结强度只有砂浆抗拉