高壓水射流破除混凝土研究現狀及展望

李學文 鄧凱萱

（1 廣東省建筑材料研究院有限公司；2 華南農業大學水利與土木工程學院）

0 引言

建筑物在長期載荷以及各種環境因素的影響下，結構的安全性和耐久性會逐漸削弱，為了確保建筑物的安全和延長建筑物的使用壽命，往往會對其進行加固改造。在進行混凝土結構加固時，需要破除損壞松弛的混凝土。傳統的破除混凝土方法一般采用人工風鎬和破碎機器，但所帶來的是損害原鋼筋結構、連接界面不規整、效率低，周期長、現場揚塵和噪音以及不環保等問題。伴隨人工成本和施工要求的提高，混凝土構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是指利用高壓水射流傳遞的強大動能來破除目標物的技術，在建筑行業中該技術有工作效率高、不污染環境、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，并保留健康無損的混凝土等優點，已經被應用于土木工程許多領域，如結構重建、翻新、拆除和回收[1–3]。

1 水射流破除混凝土過程及機理

混凝土是水射流破除系統的作業對象，其破碎過程及機理與高壓水射流破巖、破煤相似，水射流作用在混凝土構筑物上，致使混凝土在短暫的沖擊過程中破碎崩落[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程和破壞形式，并對混凝土破除機理進行了總結。

1.1 混凝土物理特性

混凝土屬于脆性材料，其軸心抗拉強度是軸心抗壓強度的1/10 左右[5]。高壓水射流是利用混凝土抗拉、剪強度低的特性，使其在受拉、剪應力作用下破碎成塊狀，相對于傳統機械從表面向內逐層剝削，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高壓管路到達噴嘴，由于高壓管路的直徑遠大于噴嘴的孔徑，因此水從噴嘴噴出時，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程研究進展

眾多學者對高壓水射流破除混凝土過程進行了研究。Hong-xiang Jiang 等[7]指出水射流破碎巖石、混凝土等類脆性材料是剪切破壞和拉伸破壞共同作用的結果。高壓水沖擊產生的高壓應力，引起撞擊點處產生剪切破壞，形成破碎帶和破碎區。持續的水射流壓力進而導致了徑向裂紋和剝落裂紋的萌生和擴展，導致了拉伸破壞。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裂紋。隨著水射流的持續沖擊，內部裂紋擴展到混凝土邊界形成側裂，最終隨著內部裂紋和側邊裂紋的擴展和融合，混凝土發生整體破壞。黨發寧等[9]研究發現，混凝土試樣破壞時出現了變形滯后現象，破壞形式主要以劈裂拉伸破壞為主，混凝土試樣在受到沖擊荷載作用時，靠近入射端的試樣一側首先出現裂紋，隨著加載的進行，沿試樣側面軸向有細小的裂紋產生并伴隨著輕微的碎塊剝落現象，隨后裂紋繼續沿著軸向發育、擴展，直至貫穿整個試樣。王夢瑾等[10]研究發現，水射流沖擊混凝土過程中，首先是混凝土的上端面受拉破壞，然后在混凝土內部產生條形裂縫，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。

上述分類方法依據不同，但大體上可將水射流破除混凝土過程分為兩個階段：前期利用混凝土抗拉強度低的特點，在混凝土表面形成拉力和剪切力，從而產生微裂紋和微孔隙。后期在射流的沖擊壓力下，使混凝土內已有的微孔隙、微裂紋等損傷繼續擴展，形成較大的破碎坑，從而使混凝土成片、成塊地從混凝土結構上剝離下來。

1.4 水射流破除混凝土機理

近年來，高壓水射流破除技術得到了廣泛的應用，但對水射流作用下混凝土破除機理的研究還沒有形成一種統一的學說，主要是因為水射流對物體材料的損傷機制和破壞過程十分復雜，在短暫的過程中涉及流體力學、固體力學、材料力學等諸多學科。水射流作用于混凝土表面，引起材料的結構破壞，其原因有：

1.4.1 射流與混凝土的相互作用

Lenka Bodnárová 等[11]對不同強度等級的混凝土抵抗水射流的侵蝕作用進行了監測。結果表明，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，導致所有混凝土表面崎嶇不平，且切口周圍有明顯的裂縫。

1.4.2 射流對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，根據動量守恒定理，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，vi為沖擊速度，混凝土材料中ρscs＞＞ρ0c0，式⑴可簡化為p≈ρ0c0vi。

張嘯假設水射流作用于物體表面后，以相同速度反射，根據動量守恒定理，射流對物體表面的總打擊力可表示為[14]：

其中，F 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[15]：

其中，φ 為介質中的聲速與介質參數。

王偉將水射流沖擊脆性材料的過程可劃分為水錘壓力階段和滯止壓力階段，對于剛性固體壁面，由動量守恒定理推導水錘壓力為[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。這個壓力足以使混凝土材料發生破壞。

綜上，高壓水射流與混凝土接觸瞬間產生載荷，產生水錘壓力，當水射流對混凝土的打擊力大于混凝土破碎門限壓力時，混凝土表面發生破碎。隨著水射流邊緣部分不斷橫流擴展，壁面射流區由壓應力向拉應力轉變，拉應力作用下初始裂隙繼續擴展，形成基礎裂縫。

1.4.3 射流對混凝土的應力波作用

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

混凝土等脆性材料破裂破碎實質是一個能量吸收與耗散的過程[19,20]。在沖擊荷載作用下，混凝土內部大量空隙缺陷（如空穴，位錯，微裂隙等）動力學過程加劇，形成損傷[21]；混凝土受到的應力發生變化，混凝土內部產生了應力波，表面產生了瑞利波[22]。在應力波的持續作用下，大量的微損傷和微觀不均勻處在試件內部進行復雜的演化，破壞了混凝土本身的分子結構，在顆粒內部結構、沿顆粒間裂縫和沿晶粒界會產生大量的微裂紋并發展，在構造邊界碎片分層、夾雜物中也產生裂紋，混凝土試件最終產生環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]通過運用掃描電鏡發現當高壓水射流沖擊破碎混凝土時，混凝土表面和內部會出現多種形態的微裂紋，這也驗證了高壓水射流沖擊下混凝土內部應力波的存在。水射流沖擊作用下混凝土內外不同裂紋性質如圖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，并推導出巖石介質中球面應力波傳播的波動方程[28]：

式中，σr、σθ分別為徑向應力與切向應力；ρ0為介質的初始密度；r 為徑向距離；u 為質點徑向位移；t 為應力波傳播時間。

沖擊動載作用階段同時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存了巨大能量，當高壓水射流沖擊混凝土瞬間內部氣泡迅速膨脹，破裂時產生高達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理。

綜上，沖擊動載作用階段內，應力波破除作用為主，氣蝕破除起到促進作用。

1.4.4 射流對混凝土的準靜態壓力作用

在混凝土破除過程中，高壓水射流對混凝土的沖擊作用可視為一種準靜態的集中力，其大小與滯止壓力相當，被沖擊的混凝土可以看作為半無限彈性體。因此，基于彈性強度理論和混凝土的力學性質建立混凝土失效準則。當作用在混凝土上的準靜態集中力超過該準則時，混凝土發生失效破壞，即準靜態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，同時破碎坑底部聚集的水減緩了射流沖擊力，進入混凝土孔裂隙內部的高壓水，促使裂隙進一步擴展，進入裂紋擴展階段，普遍認為該階段內“拉伸－水楔”破除混凝土作用發揮主要作用[32]，“拉伸-水楔”作用破除模型如圖4[16]。

“拉伸-水楔”破除混凝土理論認為，進入裂隙內的水促使混凝土內部裂隙繼續擴展。當水射流沖擊混凝土產生的破碎坑達到一定深度，滯止壓力低于破除門限壓力，坑體深度不再增加[33]。

黃飛等運用流體動力學、彈性力學、沖擊波動理論、平面幾何學等基本理論，獲得了水射流沖擊巖石、混凝土等脆性材料過程中產生的水錘壓力（式⑹）和滯止壓力（式⑺）表達式，揭示了水錘壓力產生機制，推導出了水錘壓力產生區域半徑表達式（式⑻），并建立了射流速度沿徑向的分布函數（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“密實核－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時混凝土發生破碎[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′為沖擊區域半徑，m。

綜上，滯止壓力破除作用和裂紋擴展破除作用同時存在于準靜態壓力作用階段，并且相互影響。

1.4.5 高強度單元失效準則

基于愈滲理論分析得知，水射流沖擊混凝土時，混凝土強度較低的微元直接發生破壞，產生裂隙；高強度微元以剝離的方式脫離混凝土，被破壞單元超過一定比例后，導致混凝土破碎和失效[36]。

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

式中：Rc為單元抗壓強度，MPa；m 為混凝土非均質參數；Rc0為混凝土單元的平均抗壓強度，MPa。

綜上所述，高壓水射流對混凝土的破除實質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程。水射流破除混凝土過程可分為兩個階段：①水射流沖擊混凝土，產生應力波，在應力波的作用下，混凝土拉伸破壞；②在沖擊載荷造成的混凝土損傷場的基礎上，由于水射流準靜態壓力作用，混凝土內部已有的微裂紋、微孔隙等損傷繼續發展，最終形成宏觀破壞。

2 研究展望

完善水射流破除混凝土機理。目前關于高壓水射流破除機理的研究，絕大多數是針對煤礦、巖石、金屬材料的分析，這些材料均是均質材料，而混凝土結構緊密，內部材料復雜，破煤、破巖機理不完全適用于破除混凝土。因此對高壓水射流破除混凝土進行機理分析并完善十分必要。

其次，高壓水射流沖擊混凝土時，涉及射流參數、設備關鍵元件參數、混凝土結構特性等眾多因素，各參數之間可能存在交互作用，參數影響不夠清晰，缺少大量的實驗數據。因此，為進一步促進高壓水射流技術在沖擊破碎混凝土領域上的應用與發展，需要建立多方法耦合優化模型，得出水射流設備的最佳參數，并進行相應試驗互相驗證。