高壓水射流沖蝕混凝土破碎區演進特征及裂紋擴展規律研究

劉佳亮， 李坤元， 張 娣

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074； 3. 重慶交通大學 山區橋梁結構與材料教育部工程研究中心，重慶 400074)

高壓水射流破碎混凝土技術突破傳統機械方式，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，具有高效率、無污染、無磨損及選擇性破除等眾多優勢，已經廣泛應用于土木、建筑、礦業、交通及國防軍工等眾多領域[1-2]。近年來，隨著工程建設要求日益提高，對射流破碎安全、質量提出了更高要求，尤其是針對復雜受力區或敏感結構，或在進行混凝土結構應急破拆時，必須精確控制破碎區影響范圍，避免裂紋無序擴展，導致新的安全隱患。因此，為了進一步提高高壓水射流破碎技術應用水平，需要對高壓水射流作用下混凝土破碎區演進及裂紋擴展演化特征進行深入探究。

高壓水射流沖擊混凝土涉及大變形、高應變率及高壓效應，是一個高度非線性的液固耦合物理力學過程[3-5]，理論分析和數值模擬難度極大，建模過程需要進行大量簡化，得到的結果與射流破碎實際過程往往相差較大。由于混凝土不透明性，以及實驗條件和場地受限等，很難實現對射流沖擊下混凝土內部破碎過程及裂紋信息的捕捉，如通過計算機斷層成像技術(Computed Tomography，CT)可以直觀展示射流破碎混凝土后內部裂紋擴展和損傷演化終態，但無法對破碎動態過程進行檢測；光彈性法與焦散線法可以記錄高壓水射流沖擊混凝土破碎裂紋瞬時、動態發展歷程，但僅限于材料表面破壞狀態。另外，高壓水射流破碎混凝土為流體與固體非線性碰撞動力耦合問題，射流破碎混凝土物理力學過程復雜多變，理論研究和數值建模難度較大，必須進行簡化和假設，研究結果與實際破碎過程有一定差距。

目前，基于人工合成透明類工程材料，實現復雜物理模型可視化試驗的方法，逐漸得到相關研究人員的重視和應用，在材料的沖擊、壓縮破壞及裂紋演化等研究中均得到成功應用[6-8]。曹兆虎等[9]利用正十二烷、十五號白油混合液和玻璃砂合成透明土，設計了沉樁模型試驗系統，研究了切面變形前后的變形位移場。孫學謹等[10]基于室內土工試驗，針對常用的兩種透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)與混凝土材料之間接觸面的摩擦力學特性開展研究，指出兩種透明土材料可以較好地模擬天然砂土-混凝土材料接觸面特性。李文濤[11]將透明土作為盾構壁后注漿模型試驗的模型土材料，借助PIV技術用激光器照射透明土層成像技術等，開展了盾構隧道壁后注漿模型試驗。林恒星等[12]研制了一種各項性質與真實巖體接近的透明類巖石材料，詳細觀察研究了類巖石試件內部的裂紋起裂擴展各階段的形狀及擴展規律。賈超等[13]提出了一種高脆性透明類巖石材料試件中洞室的成型和空間定位方法。朱珍德等[14]通過研制了透明巖石相似材料，研究了單軸壓縮下巖石內部三維裂紋的擴展貫通機制。以上研究成果促進了透明類相似材料和模型試驗進一步發展，同時也為高壓水射流破碎、致裂混凝土問題的研究提供了有效途徑。

鑒于此，本文嘗試配制力學性質相近于透明類混凝土材料，并借助高速攝像技術對高壓水射流沖擊混凝土的瞬態進行全程捕捉和記錄，進而開展不同時空下破碎混凝土發展歷程，彈、塑性影響區分布狀態，以及徑向、軸向裂紋萌生及擴展特征等相關研究，以揭示高壓水射流作用下混凝土破碎區演進特征及裂紋時空演化規律。研究結果對提升高壓水射流破除混凝土的精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。

1 試驗方法

1.1 透明類混凝土材料制備

透明類混凝土材料首先應滿足混凝土力學性質的相似性及足夠的透明性，同時為了試驗可操作性，所選材料還需兼備良好的穩定性和易制取性等。環氧樹脂與固化劑反應生成三維交聯網絡結構，透明度高、固化后韌性小、耐沖擊性較差，裂紋擴展屬于典型的脆性擴展，與混凝土、巖石等脆性材料十分相似。因此，基于以上材料選取原則，采用環氧樹脂作為主劑，并配合固化劑(主要成分包苯甲醇、聚醚胺、助劑)，作為制備透明類混凝土材料的基礎成分。混凝土中骨料的存在使材料均勻性下降，力學性質變得不穩定，破碎過程隨機性增強，在水力沖擊下難以形成規律性的破碎區演進及裂紋擴展特征，因此本文在透明類混凝土材料制備過程中未考慮骨料，只模擬砂漿基體以反映混凝土的基本力學性能。考慮到沖擊過程拍攝便利性及清晰度，試件尺寸定為：50 mm×50 mm×30 mm(長(L)×寬(W)×高(H))。通過多輪次配比及養護試驗，最終確定環氧樹脂與固化劑的體積配比為V環氧樹脂∶V固化劑=0.64 ∶ 0.36，其中固化劑各主成分體積配比為V苯甲醇∶V聚醚胺∶V助劑=0.09 ∶ 0.24 ∶ 0.03，試件的養護周期為48 h。

1.2 試驗設備

高壓水射流沖擊透明類混凝土裂紋擴展捕捉試驗系統的主要設備包括，高壓水射流設備、高速攝像機、補光燈、抽水泵。高壓水射流設備為上海金箭水射流設備制造公司生產的JJ-I42*1313型懸臂式切割機，如圖1(a)所示，該設備采用PC控制器/交流伺服系統，線性直線導軌保證切割精度，具體技術參數見表1。試驗所用高壓水壓力320 MPa、沖擊時間15.0 s、靶距10.0 mm、砂管直徑0.76 mm、寶石噴嘴直徑0.26 mm。

高速攝像機選用千眼狼5F04高速攝像機，如圖1(b)所示，其全畫幅拍攝速度為500幀/s，小畫幅高達52 000幀/s，并可以實現精確到1/100 μs的采集時間控制，最高分辨率：2 320×1 720，像元尺寸：7 μm×7 μm，動態范圍：60 dB或90 dB(高動態模式)。同時，為保障高速攝像所需要的拍攝亮度和光線的一致性，通過Godox SL-200W LED補光燈實現試驗所需光照環境，如圖1(c)所示，主要參數如下：100%光照(LUX)：12 000 (1 m)，100%光通量(LM)：20 000，顯色指數：90～92，R9：70以上，調光范圍：10%～100%。

表1 高壓水力設備技術參數

圖1 主要試驗設備Fig.1 The main equipments

1.3 試驗方案

首先，將墨汁與純水混合配制足量的染色劑(墨汁遇水完全溶解，且無雜質不會堵塞高壓設備)，并放入蓄水容器中，作為高壓水射流設備的進口水源。為達到高壓水射流設備進水口所需工作壓力，通過揚程大于20 m的抽水泵進行加壓后再與高壓水射流設備進水口連接。在射流沖擊透明類混凝土材料試驗中，染色水在高壓驅動下會沿著裂紋擴展之處流動，完成對裂縫的著色渲染，可方便高速攝像機對破碎區擴展過程的拍攝記錄，以及后期通過圖像處理技術識別、提取裂紋，為研究分析高壓水射流沖擊混凝土裂紋動態演化真實過程提供試驗基礎影像、數據及信息，如圖2所示。

圖2 高壓水射流沖擊透明類混凝土試驗系統示意圖Fig.2 The system diagram of the high pressure water jet impacting the transparent similar-concrete concrete test

2 破碎區演進特征

2.1 水錘壓縮區擴展

圖3是高速攝像機捕捉的高壓水射流沖擊透明類混凝土材料典型時刻的圖像。圖3(a)為射流與透明混凝土未接觸時，透明混凝土材料內部狀態，可以看到除存在局部缺陷(如氣孔等)外，整體上具有較好的均勻性，可作為后續時刻射流沖擊下透明類混凝土材料發生動態劇變的參考對比圖。從圖3(b)可以看出，透明類混凝土材料內部出現到明顯的壓縮區Se，該區域以液固沖擊中心O為原點，呈近似標準的半球形態(徑向擴展距離μ略大于軸向擴展距離δ)。在射流中心下方，距離試件表面λ的范圍內出現明顯染色區域，即高速射流接觸靜止固體表面瞬間，已有高壓水進入試件內部，表明已在液固接觸核心區形成破碎態。

透明類混凝土材料的初始破碎是由高速流體水流狀態(流速)突然變化會產生的瞬時壓力，即水錘壓力導致的，根據惠更斯原理得到沖擊包絡線形狀，射流中心軸上的水錘壓力由式(1)給出

(1)

式中：Pwh為水錘壓力；ν為射流的沖擊速度；ρw，cw分別為水的密度與沖擊波在水介質中的傳播速度；ρs，cs分別為混凝土的密度與沖擊波在混凝土中的傳播速度[15]。

根據Obara等的研究，水錘壓力Pwh可視為瞬時沖擊波，會導致接觸面出現受壓密集壓縮固體區域，而后以應力波的形式在固體內部傳播，如圖4所示。與燃爆致裂巖石初期過程極為相似。因此，本文借鑒文獻[16]分析混凝土在高速射流作用下破碎區和初始裂隙區的形成機理，將其看成平面應變問題，混凝土中任一點的應力強度為

圖3 水錘壓縮區破碎孔洞演進及裂紋擴展(第Ⅰ階段)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)

圖4 水錘壓力致裂機理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the water hammer pressure fracture mechanism

當σi≥σcd，σcd為混凝土的動態抗壓強度，表明水錘壓力作用下混凝土形成了初始沖蝕破裂區，當σi≥σtd，σtd為混凝土的動態抗拉強度，表明水錘壓力激發的應力波效應在混凝土內部形成了初始裂隙。式(4)即為水錘壓力作用下混凝土裂紋啟裂的臨界判據。

如圖3(c)和圖3(d)所示，在射流對材料持續沖蝕作用下，可以看到沖蝕孔洞維度呈現全方位增加，并呈近似“花瓣”狀形態向自由面擴展，同時在沖蝕孔洞陣前面出現了顯著的致密條帶區Sp。根據準靜態壓痕斷裂力學，高速液滴接觸材料時，會在表面/亞表面形成塑性壓痕，形成壓痕近域的塑性屈服區[17]。在射流持續撞擊的交變載荷作用下，塑性屈服區會不斷擴展，當塑性區拉應力超過材料的抗拉強度，便在應力集中部位，即在“花瓣”間的聯結處(見圖3(d))首先產生形成徑向裂紋。水流在動壓力作用下浸入裂紋，對裂紋空間產生張拉作用，形成宏觀徑向拉伸裂紋。

從圖5(a)和圖5(b)隨著射流沖擊載荷進一步作用，在塑性屈服區Sp近域形成了典型的徑向裂紋①～④，且徑向裂紋隨時間不斷拓寬、延伸。同時，由于水力沖擊是一個高頻動態過程，混凝土受到的壓應力存在急劇的加、卸載，混凝土的卸載恢復會在壓應力作用區形成強大的環向拉伸應力，在塑性屈服區Sp近域產生了近似與材料表面平行的環向裂紋。由于材料局部缺陷以及內部結構松散度、屈服強度的非均勻性，在塑性邊界區域的環向裂紋呈隨機分布，如圖5(c)所示。徑向、環向裂紋的相互交織、貫連，在塑性屈服區鄰近范圍內形成網狀裂紋區Sc。由于射流沖擊載荷方向性，沖蝕孔洞的軸向擴展速率明顯大于徑向擴展，沖蝕孔洞逐漸演化為 “V”型形狀，如圖5(d)。試件在射流沖擊作用下的去除過程是塑性流動、破壞，以及脆性破碎協調作用結果[18]。

除外，從圖5(d)中還可以看到一個明顯的特征，即裂紋僅在壓縮區Se內衍生傳播，并在壓縮區Se邊界處終止，說明在射流初始水錘效應形成的壓縮區Se內，材料屈服強度、韌性出現大幅下降，導致裂紋尖端無法發生鈍化，高度應力集中促使裂紋快速擴展，因此水錘壓縮區對裂紋極為敏感，最終在該區域形成縱橫交織的網狀裂紋區。并且，由于在壓縮區Se存在明顯的材料塑性流動或切削去除，沖蝕孔洞近域存在漸變過渡區，沖蝕區邊界線極為不規則。

在此階段，水錘效應首先在透明類混凝土材料內部產生明顯的半球形壓縮區，然后在應力波效應以及水楔作用協同作用下，產生了宏觀的徑向、環向裂紋，并相互交織、貫連形成網狀裂紋區。沖蝕孔洞的軸向擴展速率明顯大于徑向擴展，沖蝕孔洞逐漸演化為 “V”型形狀。

圖5 水錘壓縮區破碎孔洞演進及裂紋擴展(第Ⅱ階段)Fig.5 Evolution of the broken hole and crack propagation in the water hammer compression zone (stage Ⅱ)

2.2 非壓縮區擴展

從圖6(a)中可以看到在射流后續撞擊作用下，沖蝕孔洞沿軸向不斷演進，最終突破壓縮區Se邊界，向試件縱深處繼續拓展。通過與圖5對比可以發現，沖蝕孔洞在壓縮區Se外擴展時，孔洞近域Sh已不存在明顯的塑性屈服區以及其周圍衍生的裂紋網，可以判斷在非壓縮區材料去除已演變為完全脆性破碎模式。

同時，從圖6(a)可以看到，在壓縮區Se內沖蝕孔洞直徑d呈現逐步減小變化趨勢(d1>d2>d3)，但變化幅度較小，而從壓縮區進入到非壓縮區后，沖蝕孔洞出現明顯“頸縮”現象(d1≈7.5d4)，主要是由于射流作用初期，能量密度較高，應力波效應明顯，在壓縮區Se內部產生大量微損傷、微裂紋，使材料的切削去除較為容易，材料的去除量較大；而隨著軸向距離增加，射流所受的壁面摩擦及沿程損耗會急劇增加，射流能量密度會逐漸降低，射流破除區域僅限于液固接觸及鄰近范圍內，高壓水射流的材料去除效率大幅降低，因此在非壓縮區沖蝕孔洞徑向維度會明顯減小。

從圖6(b)可以看出，在試件周圍出現了黑色團狀水霧，可以推斷此時在高壓水射流沖擊下透明類混凝土出現了貫通至材料表面的宏觀裂紋，造成高壓水的沿縫泄漏與迸射，形成霧氣漂浮狀態，且在主沖蝕孔洞左側和右側均出現了新的沖蝕路徑，而主沖蝕孔洞深度在一定時間內未有顯著增加。隨著沖蝕深度增加，孔洞壁面不均勻性和復雜性更加明顯，高壓水射流在孔洞內高速流動時，會尋找存在缺陷或相對軟弱的孔洞壁面釋放能量，另辟新的材料去除路徑，形成側向傳播裂紋，同時，該過程也會使高壓水射流在沖蝕孔洞底部的能量密度進一步降低，造成主要沖蝕孔洞的軸向演進速度出現階段性的停滯。

在此階段，沖蝕孔洞從壓縮區擴展到非壓縮區，高壓水射流的材料去除效率大幅降低，非壓縮區沖蝕孔洞徑向維度明顯減小；在高壓水射流持續沖擊下透明類混凝土出現了貫通至試件表面的宏觀裂紋；隨著沖蝕深度增加，沖蝕孔洞另辟出側向傳播路徑。

圖6(d)是CD-200BX 工業 CT 機掃描下得到的射流沖擊巖石沖蝕孔洞的鉛垂面圖[19]，通過對比可以發現真實射流沖蝕孔洞形態，如孔周輪廓及孔底結構等與以上沖擊試驗得到的破碎孔洞擴展形態較為接近，在一定程度上對本文的相似材料和模型試驗進行了驗證。

圖6 非壓縮區破碎孔洞演進及裂紋擴展Fig.6 Evolution of the broken hole and crack propagation in non compression zone

2.3 侵徹貫通后擴展

從圖7可以看到兩沖蝕孔洞融合后，形成一條大孔徑的主沖蝕孔洞，在高壓水射流持續沖擊下，該孔洞直徑將繼續增大，且在其孔壁近域出現不連續、半球狀微裂紋區域。最后，當擴展至初始貫通孔徑2倍左右時，主沖蝕孔洞將趨于穩定。

在此階段，主、副沖蝕孔洞融合后，射流持續沖擊使孔洞直徑不斷擴大，而沖蝕孔洞已經貫通，孔深將不再發生變化。

為了對上述射流沖擊混凝土破碎區及裂紋擴展一般性規律進行驗證，在相同工況參數，即高壓水壓力320 MPa、沖擊時間15.0 s、靶距10.0 mm、砂管直徑0.76 mm、寶石噴嘴直徑0.26 mm條件下進行了重復試驗，結果如圖8(a)和圖8(c)所示。可以看到混凝土在射流沖擊作用下，同樣首先形成了類似的球形壓縮區Se；在后續射流持續沖擊下，壓縮區Se內也出現了相似的徑向、環向裂紋相互交織、貫連的網狀裂紋區Sc，沖蝕孔洞沿軸向在不斷演進，最終突破壓縮區Se邊界，向非壓縮區繼續拓展，沖蝕孔洞從壓縮區過渡到非壓縮區的演化與上次試驗基本一致；在高壓水射流持續沖擊下，沖蝕孔洞在非壓縮區不斷拓深，直至射流貫通試件，同時在其孔壁近域也出現了類似的不連續微裂紋區域。雖然兩次試驗現象中壓縮區大小、裂紋形態、裂紋分布、沖蝕孔洞形狀等均存在一定的差異，但混凝土在射流沖擊下破碎區及裂紋擴展的階段性過程和一般性的演化規律，基本保持一致。

圖7 侵徹貫通后破碎區拓展Fig.7 Development of the broken hole after perforation

圖8 水射流沖擊混凝土過程Fig.8 The process of the water jet impacting concret

3 孔深孔徑分析

通過以上分析可知，在射流沖擊下混凝土破碎區演進過程分為三個典型階段：水錘壓縮區擴展、非壓縮區擴展及侵徹貫通后擴展，不同階段的孔深、孔徑擴展速率相差較大，對孔深孔徑進行全階段量化統計，如圖9所示。

第Ⅰ階段：為孔深的快速增長期，水錘瞬時沖擊作用在表面產生裂紋簇，水流進入破碎區域，并在水楔作用下產生的張拉應力加速裂紋擴展，促使沖蝕孔深快速增長至1.5 cm。第Ⅱ階段：首先為孔深緩慢發展期，孔深由水錘壓縮區過渡至非壓縮區，射流去除模式的改變，以及射流能量密度降低，使沖蝕孔深經歷一段約2 s的緩速增長期，而后為加速破壞融合階段，當孔深緩慢發展至1.8 cm時，由于孔洞壁面缺陷或相對軟弱面的存在等原因，沖蝕孔洞出現了分岔現象，主孔深快速擴展至3.5 cm后出現停滯，副孔深以較慢速率線性增加至同樣縱深時，能量再次積聚，主、副孔洞融合在一起，射流強烈的壓剪作用會快速破壞沖蝕面下部基體，瞬間貫通試件，孔深驟升至最大值。第Ⅲ階段：射流貫通試件底部后，沖蝕孔深不再變化。

由于回溯射流與后續射流會在孔洞內形成強烈剪切與擾動作用，以及水力沖擊誘發的應力波在混凝土內傳播，經過邊界反射后可形成PP、PS、SP、SS疊加波，使混凝土內部應力狀態十分復雜，伴隨著能量的不斷積累和釋放，除了在壓縮區進入到非壓縮區時，出現明顯“頸縮”現象，沖蝕孔徑出現了明顯降低，其總體上呈現出典型的振蕩性擴展特征。

圖9 沖蝕孔深與孔徑變化圖Fig.9 Relation between the depth, the diameter of the broken hole and the time

4 結 論

(1) 高壓水射流沖蝕混凝土破碎區演進過程，主要包括水錘壓縮區擴展、非壓縮區擴展及侵徹貫通后擴展三個典型階段。

(2) 在水錘壓縮區沖蝕孔洞以近似“花瓣”狀形態向自由面擴展，且在沖蝕孔洞近域出現塑性屈服條形帶，孔洞周圍衍生出徑向裂紋、環向裂紋相互交織、貫連的網狀裂紋區。

(3) 非壓縮區材料去除演變為完全脆性破碎模式，沖蝕孔洞近域已不存在明顯的塑性屈服區及裂紋網，軸向演進速度出現階段性的停滯；

(4) 侵徹貫通后沖蝕孔洞直徑在一定時間范圍內會持續擴展，孔壁近域出現不連續、半球狀微裂紋區域，當擴展至初始貫通孔徑2倍左右時，主沖蝕孔洞趨于穩定。

本文主要研究混凝土在水射流沖擊下破碎區演化及裂紋擴展的一般性、階段性規律，所得結論具有一定的局限性。在后續研究中將繼續探討射流參數及試件尺寸等對破碎區及裂紋擴展的影響規律。