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李学文 邓凯萱
（1 广东省建筑材料研究院有限公司；
2 华南农业大学水利与土木工程学院）
建筑物在长期载荷以及各种环境因素的影响下，结构的安全性和耐久性会逐渐削弱，为了确保建筑物的安全和延长建筑物的使用寿命，往往会对其进行加固改造。在进行混凝土结构加固时，需要破除损坏松弛的混凝土。传统的破除混凝土方法一般采用人工风镐和破碎机器，但所带来的是损害原钢筋结构、连接界面不规整、效率低，周期长、现场扬尘和噪音以及不环保等问题。伴随人工成本和施工要求的提高，混凝土构筑物维修需要更加高效的混凝土破除方法。
高压水射流破除混凝土技术是指利用高压水射流传递的强大动能来破除目标物的技术，在建筑行业中该技术有工作效率高、不污染环境、可以在不破坏钢筋的情况下，将混凝土破坏、可选择性地清除一层破损的混凝土，并保留健康无损的混凝土等优点，已经被应用于土木工程许多领域，如结构重建、翻新、拆除和回收[1–3]。
混凝土是水射流破除系统的作业对象，其破碎过程及机理与高压水射流破岩、破煤相似，水射流作用在混凝土构筑物上，致使混凝土在短暂的冲击过程中破碎崩落[4]。本章首先描述了混凝土物理特性和水射流特性，接着叙述了混凝土在短暂冲击下的破坏过程和破坏形式，并对混凝土破除机理进行了总结。
1.1 混凝土物理特性
混凝土属于脆性材料，其轴心抗拉强度是轴心抗压强度的1/10 左右[5]。高压水射流是利用混凝土抗拉、剪强度低的特性，使其在受拉、剪应力作用下破碎成块状，相对于传统机械从表面向内逐层剥削，效率大幅提高。
1.2 水射流特性
在高压泵作用下，水获得一定的压力和速度后经高压管路到达喷嘴，由于高压管路的直径远大于喷嘴的孔径，因此水从喷嘴喷出时，其速度急剧增加，形成如图1所示的高速射流[6]。
1.3 水射流破除混凝土过程研究进展
众多学者对高压水射流破除混凝土过程进行了研究。Hong-xiang Jiang 等[7]指出水射流破碎岩石、混凝土等类脆性材料是剪切破坏和拉伸破坏共同作用的结果。高压水冲击产生的高压应力，引起撞击点处产生剪切破坏，形成破碎带和破碎区。持续的水射流压力进而导致了径向裂纹和剥落裂纹的萌生和扩展，导致了拉伸破坏。Liu Jialiang 等[8]指出在水射流的冲击作用下，骨料突出部位首先出现裂纹，接着裂纹与相邻骨料的另一突出部位连接，形成骨料与骨料之间的连续裂纹。随着水射流的持续冲击，内部裂纹扩展到混凝土边界形成侧裂，最终随着内部裂纹和侧边裂纹的扩展和融合，混凝土发生整体破坏。党发宁等[9]研究发现，混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象，破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主，混凝土试样在受到冲击荷载作用时，靠近入射端的试样一侧首先出现裂纹，随着加载的进行，沿试样侧面轴向有细小的裂纹产生并伴随着轻微的碎块剥落现象，随后裂纹继续沿着轴向发育、扩展，直至贯穿整个试样。王梦瑾等[10]研究发现，水射流冲击混凝土过程中，首先是混凝土的上端面受拉破坏，然后在混凝土内部产生条形裂缝，紧接着钢筋与混凝土的上端连接部位的混凝土受到破坏，最后钢筋与混凝土的下端连接部位的混凝土受到破坏。
上述分类方法依据不同，但大体上可将水射流破除混凝土过程分为两个阶段：前期利用混凝土抗拉强度低的特点，在混凝土表面形成拉力和剪切力，从而产生微裂纹和微孔隙。后期在射流的冲击压力下，使混凝土内已有的微孔隙、微裂纹等损伤继续扩展，形成较大的破碎坑，从而使混凝土成片、成块地从混凝土结构上剥离下来。
1.4 水射流破除混凝土机理
近年来，高压水射流破除技术得到了广泛的应用，但对水射流作用下混凝土破除机理的研究还没有形成一种统一的学说，主要是因为水射流对物体材料的损伤机制和破坏过程十分复杂，在短暂的过程中涉及流体力学、固体力学、材料力学等诸多学科。水射流作用于混凝土表面，引起材料的结构破坏，其原因有：
1.4.1 射流与混凝土的相互作用
Lenka Bodnárová 等[11]对不同强度等级的混凝土抵抗水射流的侵蚀作用进行了监测。结果表明，高速水射流垂直撞击混凝土表面，水射流与混凝土相互作用，导致所有混凝土表面崎岖不平，且切口周围有明显的裂缝。
1.4.2 射流对混凝土材料的打击力
水射流冲击在混凝土表面，混凝土表面产生微小的形变，在冲击压力作用瞬间，把混凝土表面视为弹性体，根据动量守恒定理，得到混凝土的瞬间压力为[12,13]：
其中，ρ0、c0分别为流体的密度和速度，ρs、cs分别为混凝土材料的密度和声速，p 为冲击压强，vi为冲击速度，混凝土材料中ρscs＞＞ρ0c0，式⑴可简化为p≈ρ0c0vi。
张啸假设水射流作用于物体表面后，以相同速度反射，根据动量守恒定理，射流对物体表面的总打击力可表示为[14]：
其中，F 为射流打击力，ρ 为水的密度，q 为射流流量，v 为射流速度，β 为水射流反射后与入射方向夹角。
黄飞建立了射流截面上压力分布函数[15]：
其中，φ 为介质中的声速与介质参数。
王伟将水射流冲击脆性材料的过程可划分为水锤压力阶段和滞止压力阶段，对于刚性固体壁面，由动量守恒定理推导水锤压力为[16]：
式中，Pwh为水锤压力，Pa；
ρw为水的密度，㎏/m3；
cw为冲击波在水中的传播速度，m/s。水的密度约为1000㎏/m3，声速约为1400m/s，冲击速度约为200 ～1000m/s，于是，p=0.3～1.5GPa。这个压力足以使混凝土材料发生破坏。
综上，高压水射流与混凝土接触瞬间产生载荷，产生水锤压力，当水射流对混凝土的打击力大于混凝土破碎门限压力时，混凝土表面发生破碎。随着水射流边缘部分不断横流扩展，壁面射流区由压应力向拉应力转变，拉应力作用下初始裂隙继续扩展，形成基础裂缝。
1.4.3 射流对混凝土的应力波作用
Liu 等[8]基于理论层面提出高压水射岩石造成的岩石内部损伤主要是由应力波造成的。Mojtaba Mohammadnejad 等[17]针对脉冲水射流冲击破坏花岗岩表面和亚表面的损伤进行了试验研究，试验结果表明，导致花岗岩破碎的主要原因是亚临界裂纹的传播，而导致内部疲劳损伤的原因主要是高速水脉冲周期性影响与应力波诱导相互作用。刘勇[18]指出射流作用于基体表面时，一部分能量用于基体内微裂纹的生长，随着裂纹的不断扩大在水楔作用下，基体剥落并随水反射弹出。同时，一部分能量以应力波的方式在基体内传播并储存，随着基体内裂纹的扩展及弹性能的积聚，基体发生宏观破裂。
混凝土等脆性材料破裂破碎实质是一个能量吸收与耗散的过程[19,20]。在冲击荷载作用下，混凝土内部大量空隙缺陷（如空穴，位错，微裂隙等）动力学过程加剧，形成损伤[21]；
混凝土受到的应力发生变化，混凝土内部产生了应力波，表面产生了瑞利波[22]。在应力波的持续作用下，大量的微损伤和微观不均匀处在试件内部进行复杂的演化，破坏了混凝土本身的分子结构，在颗粒内部结构、沿颗粒间裂缝和沿晶粒界会产生大量的微裂纹并发展，在构造边界碎片分层、夹杂物中也产生裂纹，混凝土试件最终产生环向断裂破坏和轴向劈裂拉伸破坏[23–25]。水射流冲击初期冲击波示意图如图2[26]。
A.W.Momber 等[27]通过运用扫描电镜发现当高压水射流冲击破碎混凝土时，混凝土表面和内部会出现多种形态的微裂纹，这也验证了高压水射流冲击下混凝土内部应力波的存在。水射流冲击作用下混凝土内外不同裂纹性质如图3[15]。
卢义玉等研究了岩石在超高压水射流作用下的破裂特征，并推导出岩石介质中球面应力波传播的波动方程[28]：
式中，σr、σθ分别为径向应力与切向应力；
ρ0为介质的初始密度；
r 为径向距离；
u 为质点径向位移；
t 为应力波传播时间。
冲击动载作用阶段同时伴随着气蚀破除作用。由于高压水射流中往往含有气泡，该部分气泡被压缩后储存了巨大能量，当高压水射流冲击混凝土瞬间内部气泡迅速膨胀，破裂时产生高达680～6800MPa 的冲击力，在混凝土表面形成冲击坑[29,30]。该理论从微观层面上很好地解释了水射流破除机理。
综上，冲击动载作用阶段内，应力波破除作用为主，气蚀破除起到促进作用。
1.4.4 射流对混凝土的准静态压力作用
在混凝土破除过程中，高压水射流对混凝土的冲击作用可视为一种准静态的集中力，其大小与滞止压力相当，被冲击的混凝土可以看作为半无限弹性体。因此，基于弹性强度理论和混凝土的力学性质建立混凝土失效准则。当作用在混凝土上的准静态集中力超过该准则时，混凝土发生失效破坏，即准静态弹性破除混凝土理论[31]。
随着混凝土破碎，水射流靶距增加，滞止压力逐渐降低，同时破碎坑底部聚集的水减缓了射流冲击力，进入混凝土孔裂隙内部的高压水，促使裂隙进一步扩展，进入裂纹扩展阶段，普遍认为该阶段内“拉伸－水楔”破除混凝土作用发挥主要作用[32]，“拉伸-水楔”作用破除模型如图4[16]。
“拉伸-水楔”破除混凝土理论认为，进入裂隙内的水促使混凝土内部裂隙继续扩展。当水射流冲击混凝土产生的破碎坑达到一定深度，滞止压力低于破除门限压力，坑体深度不再增加[33]。
黄飞等运用流体动力学、弹性力学、冲击波动理论、平面几何学等基本理论，获得了水射流冲击岩石、混凝土等脆性材料过程中产生的水锤压力（式⑹）和滞止压力（式⑺）表达式，揭示了水锤压力产生机制，推导出了水锤压力产生区域半径表达式（式⑻），并建立了射流速度沿径向的分布函数（式⑻）[34]：
式中，ρw、ρs分别为水与固体靶板的密度；
cw、cs分别为水与固体靶板中冲击波的传播速度；
v 为射流速度；
R为射流半径；
θ 为凹面夹角。
A M Hypabcknh 依据“密实核－劈拉”破岩理论，定量分析水射流破岩煤等脆性材料，满足式⑼时混凝土发生破碎[35]。
式中：p0为射流冲击压力，MPa；
μ 为泊松比；
τs为混凝土抗剪强度，MPa。
混凝土损伤破坏体积为：
式中：V 为混凝土损伤破碎体积，m3；
r′为冲击区域半径，m。
综上，滞止压力破除作用和裂纹扩展破除作用同时存在于准静态压力作用阶段，并且相互影响。
1.4.5 高强度单元失效准则
基于愈渗理论分析得知，水射流冲击混凝土时，混凝土强度较低的微元直接发生破坏，产生裂隙；
高强度微元以剥离的方式脱离混凝土，被破坏单元超过一定比例后，导致混凝土破碎和失效[36]。
混凝土微元强度分布服从Weibull 分布，混凝土单元抗压强度分布函数f(Rc)可表示为[37]：
式中：Rc为单元抗压强度，MPa；
m 为混凝土非均质参数；
Rc0为混凝土单元的平均抗压强度，MPa。
综上所述，高压水射流对混凝土的破除实质是水射流与混凝土之间的相互作用，并由此引起混凝土损伤破坏的过程。水射流破除混凝土过程可分为两个阶段：①水射流冲击混凝土，产生应力波，在应力波的作用下，混凝土拉伸破坏；
②在冲击载荷造成的混凝土损伤场的基础上，由于水射流准静态压力作用，混凝土内部已有的微裂纹、微孔隙等损伤继续发展，最终形成宏观破坏。
完善水射流破除混凝土机理。目前关于高压水射流破除机理的研究，绝大多数是针对煤矿、岩石、金属材料的分析，这些材料均是均质材料，而混凝土结构紧密，内部材料复杂，破煤、破岩机理不完全适用于破除混凝土。因此对高压水射流破除混凝土进行机理分析并完善十分必要。
其次，高压水射流冲击混凝土时，涉及射流参数、设备关键元件参数、混凝土结构特性等众多因素，各参数之间可能存在交互作用，参数影响不够清晰，缺少大量的实验数据。因此，为进一步促进高压水射流技术在冲击破碎混凝土领域上的应用与发展，需要建立多方法耦合优化模型，得出水射流设备的最佳参数，并进行相应试验互相验证。
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