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具有高效、*、無磨損及選擇性破除優(yōu)勢，已廣泛應用于土木工程、交通領域。隨著工程建設質量要求不斷提高，針對復雜受力區(qū)域進行混凝土結構應急破拆時，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鍵。

       來自重慶交通大學土木工程學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，構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備進水口連接；

       STEP2 染色水在高壓驅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，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，提高其在混凝土結構修復和事故應急破拆中的應用水平，具有重要的理論意義和工程應用價值。

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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》