混凝土在微波水射流冲击下的破坏特征与损伤机制

《Powder Technology》：Failure characteristics and damage mechanisms of concrete under microwave-water jet impact

　　•微波预处理能够重新优化混凝土破碎过程中的能量利用方式。•裂纹网络使得应力从单一路径传递变为多路径扩散。•冲击能量则从表面耗散转变为整体结构破坏。引言作为核心基础设施材料，混凝土在长期使用过程中会因施工缺陷、荷载作用以及环境因素的共同影响而逐渐劣化[1]。目前，大量现有混凝土结构已进入使用的中后期阶段，基础设施的劣化问题日益突出，这凸显出亟需高效、安全且可控的修复技术[2]。在混凝土结构维护中，传统的机械破碎和爆破方法存在振动大、粉尘多且精度低等问题，难以应用于对精度要求较高的环保作业中。虽然高压水射流技术具有振动小、污染少的优点，但由于混凝土内部结构致密，导致能量主要在表面局部耗散，其在能量利用和穿透深度方面仍存在局限。为解决这一问题，有研究提出采用微波辅助水射流方法来引发初始损伤并提升冲击效果。然而，微波辐射与水射流冲击之间的耦合机制尚不明确，尤其是损伤结构、应力传播以及能量分布之间的相互作用机制。近年来，关于水射流技术和微波辐射的研究十分广泛。Zhang等人[3]研究了高压水射流切割参数对混凝土性能的影响，明确了喷射压力和喷嘴直径对切割效率的调控作用，以及混凝土不同区域的破坏机制。Shanab等人[4]探讨了水射流对混凝土切割深度的影响，发现喷射压力、切割时间以及混凝土抗压强度对其有显著影响。Wang等人[5]指出，水射流的高流动性和高渗透性有助于穿透并侵蚀界面过渡区，并提出了改善颗粒形态的最佳喷射压力。Xiao等人[6]研究了高速水射流冲击下混凝土的损伤演变及断裂特性，为提高破碎效率提供了理论依据。Jiang等人[7]研究了水射流破碎岩石过程中的岩石破坏、裂纹扩展以及内部损伤演变规律。在水射流冲击的数值模拟方面，Xiao等人[8]比较了脉冲水射流与连续水射流的破碎效果，发现由于脉冲水射流具有更高的水锤压力且能减弱水垫效应，因此其混凝土破碎效果更佳。他们进一步阐明了脉冲参数、喷射参数以及混凝土强度对断裂形态、裂纹扩展以及应力诱导损伤演变的影响。Vavro等人[9]研究了脉动水射流冲击下Bo?anov砂岩的侵蚀磨损行为。Wang等人[10]采用了改进的平滑粒子流体动力学方法，研究了不同材料在高压水射流冲击下的破碎特性，发现金属的穿透深度与喷射速度之间存在近似线性关系。He等人[11]基于任意拉格朗日-欧拉有限元方法建立了耦合数值模型，用于模拟多喷嘴高压水射流作用下的岩石破坏过程，分析了表面应力演变、钻孔过程以及动态损伤特性。Grosso等人[12]利用FLAC模拟分析了岩石层中水射流切割时的应力分布情况。Li等人[13]采用SPH和FEM方法对磨料水射流岩石切割进行了数值建模。Zhao等人[14]基于数值模拟建立了剪切层放大和波速的数学模型，并推导出了单个颗粒及颗粒群的运动方程。Yu等人[15]采用了SPH-FEM耦合方法结合RHT本构模型，模拟了不同喷射速度和直径下水射流作用下混凝土的动态响应及损伤特性。在微波辐射的实验研究方面，Duan等人[16]研究了同轴微波加热作用下花岗岩的损伤机制，并将其与传统的矩形波导加热方式进行了对比。Xue等人[17]对闪长岩进行了微波辅助加热与破碎实验，分析了其在微波作用下的宏观破碎机制与特征。Gao等人[18]运用图像处理和CT扫描技术从介观角度研究了微波辅助岩石破碎现象，揭示了孔隙和微裂纹的分布特征。Ma等人[19]研究了多模式微波加热及表面辐射作用下岩石表面的冷却过程、温度影响因素及测量偏差，校准了数值模型，并进一步研究了微波引起的岩石弱化机制。Sun等人[20]通过实验研究了微波辐射对硬岩破碎和线性切割的影响。Lu等人[21]分析了岩石形成矿物在微波作用后的元素分布及矿物组成。Ma等人[22]模拟了裂纹的演变过程，证明了微波诱导裂纹产生的尺寸依赖性。Teng等人[23]研究了微波热冲击对花岗岩力学性能及微观结构的影响。总体而言，现有研究通过实验和数值模拟两种方法，系统地研究了水射流引发的破坏以及微波引起的损伤。对于水射流破碎而言，喷射压力、喷嘴直径、冲击持续时间、移动速度、脉冲特性、喷射速度以及材料强度等已被确定为影响切割深度、侵蚀效率、坑洞形态、裂纹扩展以及损伤区域演变的关键参数。先前的研究还表明，材料破坏是由水锤压力、应力波传播、局部应力集中、裂纹萌生与聚合以及流体向裂纹中的渗透共同决定的。至于微波引起的损伤，材料成分的热学和介电性质差异会导致不均匀加热以及局部应力集中，这些效应可能引发界面弱化、孔隙膨胀、微裂纹的萌生与扩展，进而使材料的宏观力学性能下降。这些研究结果为优化水射流破碎参数、理解微波引起的热损伤以及通过微波预处理提高材料的易碎性提供了重要的理论与实验依据。尽管以往的研究分别阐明了水射流参数对材料破碎的影响以及微波辐射引起的热损伤，但这两类过程通常是被独立研究的。因此，微波诱导的初始损伤对高压水射流冲击下混凝土后续破坏行为的影响仍不够清晰。尤其是在相同的水射流条件下，不同微波预处理温度下产生的初始损伤状态如何影响坑洞尺寸、破碎体积、裂纹扩展特性以及宏观破坏模式，以及这些变化与冲击过程中的应力传播、能量演变和损伤发展之间有何关联，目前仍不清楚。因此，本研究比较了在不同微波预处理温度下，混凝土在传统高压水射流作用与微波辅助高压水射流作用下的破坏行为。研究结合三维点云重建、SEM和CT分析以及多物理场数值模拟，研究了微波诱导的初始损伤对裂纹演变、应力传播、能量分布以及损伤范围的影响，从而阐明了微波预处理如何增强高压水射流对混凝土的破碎效果。研究方法与实验设计为阐明微波诱导的初始损伤对水射流冲击破碎行为的调控机制，本研究建立了一个集热预损伤与动态冲击于一体的耦合实验系统。通过比较高压水射流和微波辅助高压水射流作用下的情况，系统分析了预损伤对破坏模式及损伤演变的影响。微波辐射被用作一种可控的手段来引发初始损伤，从而可以调控混凝土内部的裂纹结构以及热状态。混凝土破坏特性分析为了系统研究在微波辅助高压水射流耦合冲击作用下混凝土的宏观破碎特性、微观裂纹形态以及内部裂纹的空间分布，本研究采用了定量分析与定性分析相结合的方法，包括三维重建、SEM分析以及CT扫描。这些方法有助于揭示混凝土在高压水射流作用以及耦合冲击作用下的破碎行为、裂纹分布特征以及整体的破坏演变过程。数值模拟基于上述研究结果可知，微波辐射通过调控初始损伤，显著影响了混凝土在水射流冲击作用下的破坏模式及演变路径。但由于这一过程涉及电磁、热、机械以及流固相互作用等多物理场的耦合，应力传播和损伤演变的内部机制难以通过实验直接获取。为克服这一局限，本研究采用了数值模拟方法。混凝土的损伤特性与裂纹机制分析根据上述结果，混凝土在微波辅助高压水射流作用下的破坏模式及损伤演变路径与在高压水射流作用下的情况存在显著差异。然而，内部损伤结构如何调控裂纹演变、应力传递以及能量分布的调控机制仍不明确。为解决这一问题，本研究重点研究了损伤结构的演变规律，并对两种作用条件下的裂纹扩展过程进行了统一分析。结论本研究系统研究了微波辐射与水射流耦合作用下混凝土的破坏行为，得出以下主要结论：(1)微波预处理显著改变了混凝土的破坏模式，使其在高压水射流作用下的局部侵蚀破坏转变为微波辅助高压水射流作用下的结构失稳破坏。在微波辅助高压水射流作用下的坑洞形态较为不规则，同时还伴随着块体剥落现象，这说明混凝土的内部损伤结构发生了变化。作者贡献说明刘家良：软件应用、项目管理、资金筹措、概念构思。陈涛：初稿撰写。龙万鹏：软件应用、项目管理、资金筹措。吴寅：软件应用、资源协调。蒋廷秋：验证工作、方法设计、形式化分析。廖雷毅：监督工作、数据整理。王宇博：审稿与编辑、验证工作。周凌汉：审稿与编辑、验证工作。李楠：实验研究。田佳：审稿与编辑、实验研究。利益冲突声明本稿件不存在任何利益冲突，所有作者均同意发表该稿件。我代表所有合著者声明，本文所述内容为原创研究，尚未在其他地方发表，也不在其他出版物的审稿流程中。所有列出的作者均已认可所附的稿件内容。致谢本研究得到了重庆市科技创新与应用发展专项计划——企业科技研发联合行动计划项目（CSTB2025TIAD-qykjggX0315，CSTB2025TIAD-qykjggX0317）、中国重庆市教育委员会科技研究计划重点项目（编号KJZD-K202500712，KJZD-K202517901）、重庆市建筑科技计划（成科字[2023]编号2 - 6）以及贵州省相关项目的支持。刘家良|陈涛|龙万鹏|吴寅|蒋廷秋|廖雷毅|王宇博|周凌汉|李楠|田佳|周金