水力联合机械破碎混凝土参数影响及损伤机理研究

作     者：朱斌 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘佳亮

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：混凝土 水力冲击 机械破碎 参数影响 损伤机理 

摘      要：随着工程建设要求的提高,公路养护维修任务日益加重。对于混凝土路面而言,首要任务就是将原病害混凝土清除,以便重新浇筑。通常采用传统机械破碎方式在质量、安全和环境保护等方面存在一定的弊端。水力破碎技术作为一种新兴的柔性破碎技术,可在很大程度上改进机械破碎方式的不足。基于此,本文提出了水力联合机械破碎混凝土的新方法,即首先利用水力对混凝土进行预破碎,其次利用机械贯入破碎混凝土。但水力联合机械破碎混凝土技术涉及的参数较多,且混凝土损伤过程复杂,仍存在参数影响和混凝土损伤机理不明晰等问题,限制了水力联合机械破碎混凝土技术的进一步发展,因此,本文采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,对水力联合机械破碎混凝土的参数影响和混凝土损伤机理进行研究,主要得出以下成果:(1)通过正交试验方法,得出利用水力联合机械方式破碎混凝土,机械滚刀推进压力峰值降低范围为15.67%-31.67%;混凝土破碎体积可增加3.97-6.94倍。仅机械贯入混凝土后,混凝土表面产生较小破碎坑,并由破碎坑的两侧衍生出两条近似对称且延伸到混凝土边界的裂纹;水力联合机械破碎混凝土后,混凝土表面形成较大破碎坑,破碎坑周围衍生出多条随机分布的裂纹,最终延伸到混凝土边界。微观电镜扫描(SEM)试验得出,机械贯入试验后混凝土试件产生微小裂纹,且裂纹大多呈贯穿趋势发展;而水力联合机械破碎试验后混凝土试件破碎部位出现切削痕迹,产生明显裂纹。(2)对参数影响进行分析,得出以推进压力峰值为评价指标,喷嘴直径对水力联合机械破碎混凝土性能的影响最大;以混凝土破碎体积为评价指标,射流泵压的影响最大;综合考虑得到影响混凝土破碎性能的最优水平组合为射流泵压为360 MPa,冲击时间为100 s,射流靶距为6 mm,射流入射角为60°,喷嘴直径为1.02 mm。在最佳参数组合基础上进行混凝土破碎性能的单因素试验,得出推进压力峰值随射流泵压和冲击时间的增大而减小,随射流靶距的增大呈现减-增-减三个阶段变化,随射流入射角的增大而增大,随喷嘴直径的增大先减小后增加;混凝土破碎体积随射流泵压和冲击时间的增大而增大,随射流靶距和射流入射角的增大呈现增-减-增三个阶段变化,随喷嘴直径的增大先增加后减小。(3)基于建立的水力联合机械破碎混凝土数值模型,得出混凝土轴向损伤降低过程经历较急-缓-急-较缓四个阶段,分别降低0.092、0.043、0.103、0.054,径向损伤过程降低经历急-较急-缓三个阶段,分别降低0.228、0.112、0.024。混凝土全程致裂机理可表述为四个阶段,阶段Ⅰ:混凝土受到压剪应力共同作用产生“碗状破碎坑;阶段Ⅱ:“碗状破碎坑轴向演化为“V形破碎坑,拉伸应力使得混凝土内部出现初始裂纹;阶段Ⅲ:混凝土主要受到压剪应力共同作用使得“V形破碎坑径向演化成“U形破碎坑;阶段Ⅳ:压剪应力共同作用使得混凝土内部产生贯穿裂纹,导致混凝土被完全破坏。