李學(xué)文 鄧凱萱

（1 廣東省建筑材料研究院有限公司；2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院）

0 引言

建筑物在長(zhǎng)期載荷以及各種環(huán)境因素的影響下，結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性會(huì)逐漸削弱，為了確保建筑物的安全和延長(zhǎng)建筑物的使用壽命，往往會(huì)對(duì)其進(jìn)行加固改造。在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)加固時(shí)，需要破除損壞松弛的混凝土。傳統(tǒng)的破除混凝土方法一般采用人工風(fēng)鎬和破碎機(jī)器，但所帶來(lái)的是損害原鋼筋結(jié)構(gòu)、連接界面不規(guī)整、效率低，周期長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵和噪音以及不環(huán)保等問(wèn)題。伴隨人工成本和施工要求的提高，混凝土構(gòu)筑物維修需要更加高效的混凝土破除方法。

高壓水射流破除混凝土技術(shù)是指利用高壓水射流傳遞的強(qiáng)大動(dòng)能來(lái)破除目標(biāo)物的技術(shù)，在建筑行業(yè)中該技術(shù)有工作效率高、不污染環(huán)境、可以在不破壞鋼筋的情況下，將混凝土破壞、可選擇性地清除一層破損的混凝土，并保留健康無(wú)損的混凝土等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于土木工程許多領(lǐng)域，如結(jié)構(gòu)重建、翻新、拆除和回收[1–3]。

1 水射流破除混凝土過(guò)程及機(jī)理

混凝土是水射流破除系統(tǒng)的作業(yè)對(duì)象，其破碎過(guò)程及機(jī)理與高壓水射流破巖、破煤相似，水射流作用在混凝土構(gòu)筑物上，致使混凝土在短暫的沖擊過(guò)程中破碎崩落[4]。本章首先描述了混凝土物理特性和水射流特性，接著敘述了混凝土在短暫沖擊下的破壞過(guò)程和破壞形式，并對(duì)混凝土破除機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。

1.1 混凝土物理特性

混凝土屬于脆性材料，其軸心抗拉強(qiáng)度是軸心抗壓強(qiáng)度的1/10 左右[5]。高壓水射流是利用混凝土抗拉、剪強(qiáng)度低的特性，使其在受拉、剪應(yīng)力作用下破碎成塊狀，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械從表面向內(nèi)逐層剝削，效率大幅提高。

1.2 水射流特性

在高壓泵作用下，水獲得一定的壓力和速度后經(jīng)高壓管路到達(dá)噴嘴，由于高壓管路的直徑遠(yuǎn)大于噴嘴的孔徑，因此水從噴嘴噴出時(shí)，其速度急劇增加，形成如圖1所示的高速射流[6]。

1.3 水射流破除混凝土過(guò)程研究進(jìn)展

眾多學(xué)者對(duì)高壓水射流破除混凝土過(guò)程進(jìn)行了研究。Hong-xiang Jiang 等[7]指出水射流破碎巖石、混凝土等類(lèi)脆性材料是剪切破壞和拉伸破壞共同作用的結(jié)果。高壓水沖擊產(chǎn)生的高壓應(yīng)力，引起撞擊點(diǎn)處產(chǎn)生剪切破壞，形成破碎帶和破碎區(qū)。持續(xù)的水射流壓力進(jìn)而導(dǎo)致了徑向裂紋和剝落裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致了拉伸破壞。Liu Jialiang 等[8]指出在水射流的沖擊作用下，骨料突出部位首先出現(xiàn)裂紋，接著裂紋與相鄰骨料的另一突出部位連接，形成骨料與骨料之間的連續(xù)裂紋。隨著水射流的持續(xù)沖擊，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展到混凝土邊界形成側(cè)裂，最終隨著內(nèi)部裂紋和側(cè)邊裂紋的擴(kuò)展和融合，混凝土發(fā)生整體破壞。黨發(fā)寧等[9]研究發(fā)現(xiàn)，混凝土試樣破壞時(shí)出現(xiàn)了變形滯后現(xiàn)象，破壞形式主要以劈裂拉伸破壞為主，混凝土試樣在受到?jīng)_擊荷載作用時(shí)，靠近入射端的試樣一側(cè)首先出現(xiàn)裂紋，隨著加載的進(jìn)行，沿試樣側(cè)面軸向有細(xì)小的裂紋產(chǎn)生并伴隨著輕微的碎塊剝落現(xiàn)象，隨后裂紋繼續(xù)沿著軸向發(fā)育、擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)試樣。王夢(mèng)瑾等[10]研究發(fā)現(xiàn)，水射流沖擊混凝土過(guò)程中，首先是混凝土的上端面受拉破壞，然后在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生條形裂縫，緊接著鋼筋與混凝土的上端連接部位的混凝土受到破壞，最后鋼筋與混凝土的下端連接部位的混凝土受到破壞。

上述分類(lèi)方法依據(jù)不同，但大體上可將水射流破除混凝土過(guò)程分為兩個(gè)階段：前期利用混凝土抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)，在混凝土表面形成拉力和剪切力，從而產(chǎn)生微裂紋和微孔隙。后期在射流的沖擊壓力下，使混凝土內(nèi)已有的微孔隙、微裂紋等損傷繼續(xù)擴(kuò)展，形成較大的破碎坑，從而使混凝土成片、成塊地從混凝土結(jié)構(gòu)上剝離下來(lái)。

1.4 水射流破除混凝土機(jī)理

近年來(lái)，高壓水射流破除技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但對(duì)水射流作用下混凝土破除機(jī)理的研究還沒(méi)有形成一種統(tǒng)一的學(xué)說(shuō)，主要是因?yàn)樗淞鲗?duì)物體材料的損傷機(jī)制和破壞過(guò)程十分復(fù)雜，在短暫的過(guò)程中涉及流體力學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)等諸多學(xué)科。水射流作用于混凝土表面，引起材料的結(jié)構(gòu)破壞，其原因有：

1.4.1 射流與混凝土的相互作用

Lenka Bodnárová 等[11]對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土抵抗水射流的侵蝕作用進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，高速水射流垂直撞擊混凝土表面，水射流與混凝土相互作用，導(dǎo)致所有混凝土表面崎嶇不平，且切口周?chē)忻黠@的裂縫。

1.4.2 射流對(duì)混凝土材料的打擊力

水射流沖擊在混凝土表面，混凝土表面產(chǎn)生微小的形變，在沖擊壓力作用瞬間，把混凝土表面視為彈性體，根據(jù)動(dòng)量守恒定理，得到混凝土的瞬間壓力為[12,13]：

其中，ρ0、c0分別為流體的密度和速度，ρs、cs分別為混凝土材料的密度和聲速，p 為沖擊壓強(qiáng)，vi為沖擊速度，混凝土材料中ρscs＞＞ρ0c0，式⑴可簡(jiǎn)化為p≈ρ0c0vi。

張嘯假設(shè)水射流作用于物體表面后，以相同速度反射，根據(jù)動(dòng)量守恒定理，射流對(duì)物體表面的總打擊力可表示為[14]：

其中，F(xiàn) 為射流打擊力，ρ 為水的密度，q 為射流流量，v 為射流速度，β 為水射流反射后與入射方向夾角。

黃飛建立了射流截面上壓力分布函數(shù)[15]：

其中，φ 為介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)參數(shù)。

王偉將水射流沖擊脆性材料的過(guò)程可劃分為水錘壓力階段和滯止壓力階段，對(duì)于剛性固體壁面，由動(dòng)量守恒定理推導(dǎo)水錘壓力為[16]：

式中，Pwh為水錘壓力，Pa；ρw為水的密度，㎏/m3；cw為沖擊波在水中的傳播速度，m/s。水的密度約為1000㎏/m3，聲速約為1400m/s，沖擊速度約為200 ～1000m/s，于是，p=0.3～1.5GPa。這個(gè)壓力足以使混凝土材料發(fā)生破壞。

綜上，高壓水射流與混凝土接觸瞬間產(chǎn)生載荷，產(chǎn)生水錘壓力，當(dāng)水射流對(duì)混凝土的打擊力大于混凝土破碎門(mén)限壓力時(shí)，混凝土表面發(fā)生破碎。隨著水射流邊緣部分不斷橫流擴(kuò)展，壁面射流區(qū)由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，拉應(yīng)力作用下初始裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，形成基礎(chǔ)裂縫。

1.4.3 射流對(duì)混凝土的應(yīng)力波作用

Liu 等[8]基于理論層面提出高壓水射巖石造成的巖石內(nèi)部損傷主要是由應(yīng)力波造成的。Mojtaba Mohammadnejad 等[17]針對(duì)脈沖水射流沖擊破壞花崗巖表面和亞表面的損傷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)致花崗巖破碎的主要原因是亞臨界裂紋的傳播，而導(dǎo)致內(nèi)部疲勞損傷的原因主要是高速水脈沖周期性影響與應(yīng)力波誘導(dǎo)相互作用。劉勇[18]指出射流作用于基體表面時(shí)，一部分能量用于基體內(nèi)微裂紋的生長(zhǎng)，隨著裂紋的不斷擴(kuò)大在水楔作用下，基體剝落并隨水反射彈出。同時(shí)，一部分能量以應(yīng)力波的方式在基體內(nèi)傳播并儲(chǔ)存，隨著基體內(nèi)裂紋的擴(kuò)展及彈性能的積聚，基體發(fā)生宏觀破裂。

混凝土等脆性材料破裂破碎實(shí)質(zhì)是一個(gè)能量吸收與耗散的過(guò)程[19,20]。在沖擊荷載作用下，混凝土內(nèi)部大量空隙缺陷（如空穴，位錯(cuò)，微裂隙等）動(dòng)力學(xué)過(guò)程加劇，形成損傷[21]；混凝土受到的應(yīng)力發(fā)生變化，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力波，表面產(chǎn)生了瑞利波[22]。在應(yīng)力波的持續(xù)作用下，大量的微損傷和微觀不均勻處在試件內(nèi)部進(jìn)行復(fù)雜的演化，破壞了混凝土本身的分子結(jié)構(gòu)，在顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)、沿顆粒間裂縫和沿晶粒界會(huì)產(chǎn)生大量的微裂紋并發(fā)展，在構(gòu)造邊界碎片分層、夾雜物中也產(chǎn)生裂紋，混凝土試件最終產(chǎn)生環(huán)向斷裂破壞和軸向劈裂拉伸破壞[23–25]。水射流沖擊初期沖擊波示意圖如圖2[26]。

A.W.Momber 等[27]通過(guò)運(yùn)用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)當(dāng)高壓水射流沖擊破碎混凝土?xí)r，混凝土表面和內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)多種形態(tài)的微裂紋，這也驗(yàn)證了高壓水射流沖擊下混凝土內(nèi)部應(yīng)力波的存在。水射流沖擊作用下混凝土內(nèi)外不同裂紋性質(zhì)如圖3[15]。

盧義玉等研究了巖石在超高壓水射流作用下的破裂特征，并推導(dǎo)出巖石介質(zhì)中球面應(yīng)力波傳播的波動(dòng)方程[28]：

式中，σr、σθ分別為徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力；ρ0為介質(zhì)的初始密度；r 為徑向距離；u 為質(zhì)點(diǎn)徑向位移；t 為應(yīng)力波傳播時(shí)間。

沖擊動(dòng)載作用階段同時(shí)伴隨著氣蝕破除作用。由于高壓水射流中往往含有氣泡，該部分氣泡被壓縮后儲(chǔ)存了巨大能量，當(dāng)高壓水射流沖擊混凝土瞬間內(nèi)部氣泡迅速膨脹，破裂時(shí)產(chǎn)生高達(dá)680～6800MPa 的沖擊力，在混凝土表面形成沖擊坑[29,30]。該理論從微觀層面上很好地解釋了水射流破除機(jī)理。

綜上，沖擊動(dòng)載作用階段內(nèi)，應(yīng)力波破除作用為主，氣蝕破除起到促進(jìn)作用。

1.4.4 射流對(duì)混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用

在混凝土破除過(guò)程中，高壓水射流對(duì)混凝土的沖擊作用可視為一種準(zhǔn)靜態(tài)的集中力，其大小與滯止壓力相當(dāng)，被沖擊的混凝土可以看作為半無(wú)限彈性體。因此，基于彈性強(qiáng)度理論和混凝土的力學(xué)性質(zhì)建立混凝土失效準(zhǔn)則。當(dāng)作用在混凝土上的準(zhǔn)靜態(tài)集中力超過(guò)該準(zhǔn)則時(shí)，混凝土發(fā)生失效破壞，即準(zhǔn)靜態(tài)彈性破除混凝土理論[31]。

隨著混凝土破碎，水射流靶距增加，滯止壓力逐漸降低，同時(shí)破碎坑底部聚集的水減緩了射流沖擊力，進(jìn)入混凝土孔裂隙內(nèi)部的高壓水，促使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，普遍認(rèn)為該階段內(nèi)“拉伸－水楔”破除混凝土作用發(fā)揮主要作用[32]，“拉伸-水楔”作用破除模型如圖4[16]。

“拉伸-水楔”破除混凝土理論認(rèn)為，進(jìn)入裂隙內(nèi)的水促使混凝土內(nèi)部裂隙繼續(xù)擴(kuò)展。當(dāng)水射流沖擊混凝土產(chǎn)生的破碎坑達(dá)到一定深度，滯止壓力低于破除門(mén)限壓力，坑體深度不再增加[33]。

黃飛等運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)、彈性力學(xué)、沖擊波動(dòng)理論、平面幾何學(xué)等基本理論，獲得了水射流沖擊巖石、混凝土等脆性材料過(guò)程中產(chǎn)生的水錘壓力（式⑹）和滯止壓力（式⑺）表達(dá)式，揭示了水錘壓力產(chǎn)生機(jī)制，推導(dǎo)出了水錘壓力產(chǎn)生區(qū)域半徑表達(dá)式（式⑻），并建立了射流速度沿徑向的分布函數(shù)（式⑻）[34]：

式中，ρw、ρs分別為水與固體靶板的密度；cw、cs分別為水與固體靶板中沖擊波的傳播速度；v 為射流速度；R為射流半徑；θ 為凹面夾角。

A M Hypabcknh 依據(jù)“密實(shí)核－劈拉”破巖理論，定量分析水射流破巖煤等脆性材料，滿足式⑼時(shí)混凝土發(fā)生破碎[35]。

式中：p0為射流沖擊壓力，MPa；μ 為泊松比；τs為混凝土抗剪強(qiáng)度，MPa。

混凝土損傷破壞體積為：

式中：V 為混凝土損傷破碎體積，m3；r′為沖擊區(qū)域半徑，m。

綜上，滯止壓力破除作用和裂紋擴(kuò)展破除作用同時(shí)存在于準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用階段，并且相互影響。

1.4.5 高強(qiáng)度單元失效準(zhǔn)則

基于愈滲理論分析得知，水射流沖擊混凝土?xí)r，混凝土強(qiáng)度較低的微元直接發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙；高強(qiáng)度微元以剝離的方式脫離混凝土，被破壞單元超過(guò)一定比例后，導(dǎo)致混凝土破碎和失效[36]。

混凝土微元強(qiáng)度分布服從Weibull 分布，混凝土單元抗壓強(qiáng)度分布函數(shù)f(Rc)可表示為[37]：

式中：Rc為單元抗壓強(qiáng)度，MPa；m 為混凝土非均質(zhì)參數(shù)；Rc0為混凝土單元的平均抗壓強(qiáng)度，MPa。

綜上所述，高壓水射流對(duì)混凝土的破除實(shí)質(zhì)是水射流與混凝土之間的相互作用，并由此引起混凝土損傷破壞的過(guò)程。水射流破除混凝土過(guò)程可分為兩個(gè)階段：①水射流沖擊混凝土，產(chǎn)生應(yīng)力波，在應(yīng)力波的作用下，混凝土拉伸破壞；②在沖擊載荷造成的混凝土損傷場(chǎng)的基礎(chǔ)上，由于水射流準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用，混凝土內(nèi)部已有的微裂紋、微孔隙等損傷繼續(xù)發(fā)展，最終形成宏觀破壞。

2 研究展望

完善水射流破除混凝土機(jī)理。目前關(guān)于高壓水射流破除機(jī)理的研究，絕大多數(shù)是針對(duì)煤礦、巖石、金屬材料的分析，這些材料均是均質(zhì)材料，而混凝土結(jié)構(gòu)緊密，內(nèi)部材料復(fù)雜，破煤、破巖機(jī)理不完全適用于破除混凝土。因此對(duì)高壓水射流破除混凝土進(jìn)行機(jī)理分析并完善十分必要。

其次，高壓水射流沖擊混凝土?xí)r，涉及射流參數(shù)、設(shè)備關(guān)鍵元件參數(shù)、混凝土結(jié)構(gòu)特性等眾多因素，各參數(shù)之間可能存在交互作用，參數(shù)影響不夠清晰，缺少大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，為進(jìn)一步促進(jìn)高壓水射流技術(shù)在沖擊破碎混凝土領(lǐng)域上的應(yīng)用與發(fā)展，需要建立多方法耦合優(yōu)化模型，得出水射流設(shè)備的最佳參數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)互相驗(yàn)證。