钢纤维混凝土水力冲击破碎机理及参数影响研究

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水力破碎钢纤维混凝土技术在钢纤维混凝土路面维修和钢纤维混凝土结构物应急破拆等方面具有广阔的应用前景,但由于该技术涉及的物理过程复杂,钢纤维混凝土在水力冲击作用下的破碎机理以及冲击过程中钢纤维混凝土损伤规律尚未明确,阻碍了该技术的应用与发展,因此,为提升水力破碎钢纤维混凝土路面技术水平、提高事故应急破拆效能,本文采用试验验证、数值模拟分析等方式对水力冲击作用下钢纤维混凝土破碎机理及破碎过程中钢纤维混凝土损伤演化规律进行了研究,并探索了不同水力参数对钢纤维混凝土破碎程度的影响,得出了以下结论:(1)进行水力冲击钢纤维混凝土试验和计算机断层扫描(CT)试验,研究结果表明钢纤维混凝土受冲击表面产生类似“碗状”的不规则破碎坑,破碎坑周围会产生裂纹,裂纹多衍生于钢纤维端部及钢纤维与混凝土接触区域,并在钢纤维端部之间以及沿着钢纤维方向发育、传播,破碎坑内裸漏的钢纤维两侧混凝土破碎程度差距明显,受水力冲击侧破碎损伤程度较大,另一侧破碎损伤程度较小,钢纤维混凝土整体破碎维度有限,破碎范围多集中于试件上部。(2)基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法建立了水力冲击钢纤维混凝土数值模型,研究结果表明,钢纤维未影响区域混凝土首先受到压剪应力共同作用产生破碎;在钢纤维影响区域,钢纤维与混凝土接触区域由拉伸应力造成混凝土破坏,形成沿钢纤维的微裂纹,并不断扩展最终衍生为沿钢纤维传播裂纹,同时,钢纤维阻碍了破碎体的发展,使得钢纤维两侧出现损伤发展隔断现象,最后,液固冲击中心应力波强辐射区内钢纤维在持续的水力冲击作用下发生断裂,两侧损伤演化区域产生融合;钢纤维混凝土内部损伤程度均随着所在区域与冲击中心距离的增加急剧降低,在轴向方向由区域Ⅰ至区域Ⅱ,钢纤维混凝土综合损伤因子平均值衰减幅度超过90%,在径向方向由区域(1)至两侧区域(2),综合损伤因子平均值衰减幅度超过50%,由区域(2)至区域(3),综合损伤因子平均值衰减幅度超过90%,与普通混凝土相比,钢纤维混凝土损伤程度要低于普通混凝土,但损伤衰减速度要超过普通混凝土损伤衰减速度。(3)基于水力冲击钢纤维混凝土数值模型,探索不同水力参数对钢纤维混凝土破碎损伤程度的影响规律,研究结果表明,射流速度是对钢纤维混凝土在水力冲击作用下的破碎损伤程度影响最大的水力参数,其次为射流直径,最后为靶距,钢纤维混凝土破碎损伤程度随着射流速度从300.0m/s增加到700.0m/s而逐渐增大,随着射流直径从0.75mm增加到2.0mm,破碎损伤程度表现出先增大后下降的趋势,在直径为1.5mm时达到最大,随着靶距从0.0mm增加到20.0mm,破碎损伤程度逐渐降低,本文工况下最优水力参数组合为d=1.5 mm、v=700.0m/s、H=0.0mm。
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