论文部分内容阅读
道路、桥梁、隧道及各类建筑的混凝土结构的养护维修工作中，首要任务就是将已损坏的混凝土进行破碎清除，以便重新浇筑、翻新。高压水射流技术是以集束方式喷出高速水流冲击物体表面，实现破碎、切割、清洗和剥离等功能。该技术具有振动小、无污染、效率高、对原结构损伤小的优点，特别是通过设置水力参数可以选择性地破坏材料。因此，高压水射流技术适用于钢筋混凝土结构的拆除，在路面养护、桥梁改造加固、建筑物紧急拆除等方面具有广阔的应用前景。
然而，目前高压水射流混凝土破碎技术还存在着门限泵压高、比能耗高、局部破碎精度不够等问题。此外，由于非线性动力碰撞和流固耦合的复杂性、破碎过程的短暂性和混凝土的非透明性，人们对于高压水射流冲击破碎混凝土损伤破碎机理认识还不充分，并且缺乏有效的混凝土破碎在线监测方法，阻碍了高压水射流技术在水泥混凝土路面养护维修中的应用与发展。为了提升高压水射流破碎技术的精确度和安全性，有必要对混凝土的破碎过程和冲蚀孔附近的损伤分布进行研究。本文引入声发射技术以实现对混凝土破碎过程的在线监测，重点从物理试验、数值模拟等方面研究了高压水射流冲击下混凝土的破碎机理和损伤特征，取得了以下主要成果：
(1)使用声发射技术实时采集高压水射流冲击混凝土的声发射信号，并利用小波分析方法对信号进行去噪处理。时域上，冲击前期信号振幅较大，振荡频率高，声发射活动性强；冲击后期信号振幅变小，而且声发射活动性变弱。试件被穿透后，由于射流冲刷孔壁，仍会有微弱的声发射信号。频域上，高压水射流冲击破碎混凝土声发射信号存在40kHz和200kHz两个峰值，40kHz左右的信号为水射流产生的声发射信号，而200kHz左右的声发射信号与混凝土破碎有关。整个冲击过程中0-125kHz频段能量平均占比74.1%，125-250kHz频段能量平均占比17.6%。
(2)通过功率谱估计分析信号的PSD相对能量，发现在整个冲击过程中，射流信号(信号低频部分)可分为初期返溅、冲蚀孔形成、冲蚀孔发展到达临界深度三个阶段；混凝土破碎信号(信号高频部分)可按冲蚀孔形成前后分为两个阶段。不同阶段的声发射信号能量存在显著变化，可通过声发射信号能量对射流破碎混凝土过程进行监控。此外，通过对比不同强度混凝土声发射信号的能量，发现在较高强度的混凝土中，由于材料抵抗射流冲击的能力增加，随孔深增加，射流的材料去除能力衰减更快。
(3)通过测量混凝土受高压水射流冲击前后试件内声速，建立了基于声速变化的混凝土损伤模型。混凝土受高压水射流冲击，在冲击点附近会形成高损伤区域，损伤会随着裂纹的萌生和扩展向四周扩散。随着距离冲击点距离增加，横向和纵向上损伤都会逐渐减小。采用SPH-FEM耦合算法建立了高压水射流冲击混凝土数值模型，根据综合损伤因子，可以将试件分为高损伤区、微损伤区和无损伤区，损伤分布规律与声速试验测得的结果基本一致，并发现无论轴向或径向，距离冲击点越远，该部位的损伤都先急剧下降，但到一定距离后进入微损伤区和无损伤区，下降趋势变缓。
然而，目前高压水射流混凝土破碎技术还存在着门限泵压高、比能耗高、局部破碎精度不够等问题。此外，由于非线性动力碰撞和流固耦合的复杂性、破碎过程的短暂性和混凝土的非透明性，人们对于高压水射流冲击破碎混凝土损伤破碎机理认识还不充分，并且缺乏有效的混凝土破碎在线监测方法，阻碍了高压水射流技术在水泥混凝土路面养护维修中的应用与发展。为了提升高压水射流破碎技术的精确度和安全性，有必要对混凝土的破碎过程和冲蚀孔附近的损伤分布进行研究。本文引入声发射技术以实现对混凝土破碎过程的在线监测，重点从物理试验、数值模拟等方面研究了高压水射流冲击下混凝土的破碎机理和损伤特征，取得了以下主要成果：
(1)使用声发射技术实时采集高压水射流冲击混凝土的声发射信号，并利用小波分析方法对信号进行去噪处理。时域上，冲击前期信号振幅较大，振荡频率高，声发射活动性强；冲击后期信号振幅变小，而且声发射活动性变弱。试件被穿透后，由于射流冲刷孔壁，仍会有微弱的声发射信号。频域上，高压水射流冲击破碎混凝土声发射信号存在40kHz和200kHz两个峰值，40kHz左右的信号为水射流产生的声发射信号，而200kHz左右的声发射信号与混凝土破碎有关。整个冲击过程中0-125kHz频段能量平均占比74.1%，125-250kHz频段能量平均占比17.6%。
(2)通过功率谱估计分析信号的PSD相对能量，发现在整个冲击过程中，射流信号(信号低频部分)可分为初期返溅、冲蚀孔形成、冲蚀孔发展到达临界深度三个阶段；混凝土破碎信号(信号高频部分)可按冲蚀孔形成前后分为两个阶段。不同阶段的声发射信号能量存在显著变化，可通过声发射信号能量对射流破碎混凝土过程进行监控。此外，通过对比不同强度混凝土声发射信号的能量，发现在较高强度的混凝土中，由于材料抵抗射流冲击的能力增加，随孔深增加，射流的材料去除能力衰减更快。
(3)通过测量混凝土受高压水射流冲击前后试件内声速，建立了基于声速变化的混凝土损伤模型。混凝土受高压水射流冲击，在冲击点附近会形成高损伤区域，损伤会随着裂纹的萌生和扩展向四周扩散。随着距离冲击点距离增加，横向和纵向上损伤都会逐渐减小。采用SPH-FEM耦合算法建立了高压水射流冲击混凝土数值模型，根据综合损伤因子，可以将试件分为高损伤区、微损伤区和无损伤区，损伤分布规律与声速试验测得的结果基本一致，并发现无论轴向或径向，距离冲击点越远，该部位的损伤都先急剧下降，但到一定距离后进入微损伤区和无损伤区，下降趋势变缓。