水—液氮射流循环冲击混凝土破碎特征与损伤演化研究

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近年来,随着工程建设要求日益提高,对混凝土破碎的安全、质量等提出了更高要求,尤其是针对复杂结构或敏感受力区,以及在混凝土应急破拆时,必须有效减小振动,并防止衍生新裂纹,以避免产生新的安全隐患,因而机械破碎方式存在局限性。高压水射流通过高压水束使混凝土发生崩裂、剥离及冲运,作为柔性破碎技术,其振动小,不易产生新裂纹,而且通过设定水压,可选择性破除混凝土。然而高压水射流目前仍存在门槛泵压高、有效致裂范围小等问题。水-液氮射流循环冲击破碎混凝土结合了射流冲蚀作用以及液氮对混凝土低温劣化效应,且液氮低温劣化和射流冲击可互相增益,扩大破碎效果,从而大幅降低射流工作压力、提高致裂范围。由于涉及流固耦合、非线性动力碰撞以及热传导等复杂问题,所以耦合作用下混凝土破坏特征及损伤演化规律尚不明晰。而针对这些问题的关键在于对水-液氮射流循环冲击下混凝土的破碎结果和与损伤演化进行深入探析。本文采用室内试验、数值模拟等手段探究水-液氮射流循环冲击混凝土破碎特征与损伤演化规律,主要取得了以下主要成果:(1)开展了水-液氮射流循环冲击混凝土室内试验,对受损混凝土直观采集破碎图像、量测混凝土破碎结果数据,借助计算机断层扫描(CT)技术获取混凝土内部断破形态,揭示水-液氮射流循环冲击下混凝土宏观破碎特征。其中水-液氮射流循环冲击下的混凝土更倾向于呈大块状剥落,并且剥落体较为完整,与纯水射流间断冲击对比组的混凝土破坏结果有着明显的差异。此外,根据量化表征的混凝土破碎度显示,相较于纯水射流间断冲击,水-液氮射流循环冲击下混凝土破碎坑横向扩展宽度增幅较小,平均增幅达到28.46%,而纵向扩展深度增幅相对较大,增幅达到136.28%。以灌砂法量测的混凝土综合破碎体积有明显增幅,平均增幅达到59.68%。(2)基于微观电镜扫描(SEM)技术与X射线三维显微成像(3D-XRM)技术,对冲击试验后的混凝土进行取样扫描,从而获得破碎部位断面微观形貌与特性,继而揭示其微观破碎特征。分别对受冲击的混凝土和原始混凝土进行了SEM扫描,扫描结果中原始混凝土表现为结构密实、无裂纹存在;纯水射流间断冲击后的混凝土有微小裂纹存在,且裂纹宽度较小、长度较短,断面局部存在粗糙度;水-液氮射流循环冲击之下的混凝土显示出断裂痕迹,存有较大裂隙,该裂隙宽度明显较大,裂纹长度较长并且裂纹处表现出撕扯断裂破坏形式。3D-XRM扫描实验后所得结果显示纯水射流间断冲击后的混凝土裂纹以沿骨料为主,其原因与混凝土内部骨料与砂浆结合处易存有微裂纹有关,且裂纹宽度偏小,未出现贯通状态;水-液氮射流循环冲击后的混凝土试样则呈现出沿骨裂纹和穿骨裂纹两种形态,其裂纹宽度有所增幅且有较长的贯穿裂纹产生。(3)建立相应的水-液氮射流循环冲击混凝土数值模型,分别通过对该数值模型进行合理性对比验证,以确定数值模型的可靠性和正确性,继而揭示混凝土在水-液氮射流循环冲击下的损伤演化一般性特征与规律。主要对混凝土断破损伤结果开展定量分析,结合数字图像处理技术对损伤结果图像进行区域分割,从而划分各区域不同损伤等级,得出水-液氮射流循环冲击下混凝土损伤演化区域范围较广,并量化得出沿射流轴向损伤衰减呈先急后缓态势,径向的损伤衰减趋势分为缓-急-缓三个阶段。另外还分析得出水-液氮冲击后混凝土平均损伤沿射流轴向和径向的一般变化规律。
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