磨料水射流冲击下高性能混凝土的断裂特性与损伤机制研究

为解决传统拆除方法在高性能混凝土(HPC)结构修复中存在的破碎难度大、机械磨损高及环境污染等问题，研究人员采用磨料水射流(AWJ)技术结合SPH-FEM耦合算法，揭示了HPC的损伤形态、裂纹扩展机制及多维射流参数影响规律。结果表明，AWJ冲击下HPC呈现“V”形凹坑、横向贯穿裂纹等特征，且磨料浓度15%为最佳阈值，泵压>300 MPa时破碎效果显著。该研究为HPC结构绿色精准拆除提供了理论支撑与技术优化路径。

　　

在现代建筑工程中，高性能混凝土(High-performance concrete, HPC)因其卓越的耐久性和力学性能成为超高层建筑、大跨度桥梁的核心材料。然而，当这些结构需要局部修复或拆除时，传统的气镐、振动锤等机械方法面临严峻挑战——不仅能耗高达18-25 kWh/m³，还会产生50-100 mg/m³的粉尘和超过100 dB的噪音，更可能因剧烈振动引发二次结构损伤。相比之下，磨料水射流(Abrasive Water Jet, AWJ)技术以其“冷切割”特性（无热影响区）和12-20 kWh/m³的节能表现脱颖而出，但学界对其冲击HPC的动态损伤机制仍缺乏系统认知。

针对这一技术瓶颈，长安大学的研究团队在《Powder Technology》发表了一项突破性研究。他们通过AWJ实体实验结合显微CT扫描，首次捕捉到HPC在射流冲击下的三维裂纹网络演化过程；进而基于光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FEM)耦合算法构建数值模型，揭示了从“垂直裂纹萌生”到“多形态裂纹衍生”的三阶段破裂规律。关键技术包括：采用150 mm立方体C60标准试件模拟实际工程HPC；通过扫描电镜(SEM)分析微观断口形貌；利用SPH粒子追踪磨料运动轨迹，耦合FEM模拟混凝土损伤响应。

研究结果部分，作者通过多组实验与模拟得出以下发现：

1. 破碎坑形成机制：初始接触时水锤效应导致表面剥离，随后磨料粒子嵌入形成“V”形凹坑，其光滑程度显著高于普通混凝土。
2. 裂纹扩展三阶段模型：0-15 μs为垂直主裂纹萌生期，15-35 μs出现放射状次级裂纹，35 μs后裂纹网络贯通并稳定。
3. 磨料浓度阈值效应：当浓度从0%增至15%时，破碎深度提升42%，但超过15%后因粒子碰撞损耗导致效率下降。
4. 射流参数优化区间：喷嘴直径0.5-2.0 mm范围内破碎效果与直径正相关，泵压需≥300 MPa才能有效穿透HPC致密基质。

讨论部分指出，该研究首次量化了AWJ技术对HPC的碳减排效益——较传统方法减少3-8 kg CO₂/m³排放，且骨料回收率可达90%以上。SPH-FEM模型成功复现了实验中的环形侵蚀孔洞（直径约1.2倍喷嘴尺寸），为后续喷嘴设计提供了理论依据。值得注意的是，作者发现HPC中硅灰颗粒的“微集料效应”会延缓裂纹扩展速度，这解释了其与普通混凝土损伤形态的差异。

这项研究不仅建立了AWJ-HPC相互作用的理论框架，更通过参数优化指导了工程实践。例如，在重庆某高架桥修复项目中，采用15%石榴石磨料+350 MPa泵压组合，使施工效率提升30%的同时将结构振动控制在0.1 mm/s以下。未来研究可进一步探索纤维增强HPC的冲击响应，以及冰磨料等环保介质的替代潜力。