CN108333182B - 高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法及捕捉设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法和设备，其中，方法包括以下步骤：S1.制备透明混凝土相似材料；S2.利用被染色剂着色后的高压水冲击所述透明混凝土相似材料使透明混凝土相似材料出现裂纹；S3.利用高速摄像机记录所述透明混凝土相似材料的裂纹扩展过程；捕捉设备包括：高压水射流装置，用于向透明混凝土相似材料喷射着色后的高压水；高速摄影机，用于记录被高压水冲击的透明混凝土相似材料的裂纹扩展过程；本发明能够直观地捕捉到水射流冲击混凝土内部裂纹起裂、扩展、分岔和止裂信息，从而便于对高压水射流破除混凝土的裂纹扩展模式及致裂机理进行研究。

Description

高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法及捕捉设备
技术领域
本发明涉及水力冲击混凝土裂纹扩展模式及致裂机理研究领域，具体是一种高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法及设备。
背景技术
混凝土作为重要的建筑材料广泛应用于建筑、交通、水利、采矿等各个领域，由于载荷、风化、腐蚀、温差效应等因素的影响，混凝土结构维修改造任务会愈发重要。目前对于混凝土出现的裂缝、孔洞、边缘破损、板拱起等病害的维修，普遍采用振动锤、风镐、炮机等传统机械方法破除，露出钢筋以便重新浇筑、翻新。事实证明这些方法存在作业环境差、工作效率低、劳动强度大等问题，而且无法区分混凝土性能强弱，施工质量差，极易产生新的混凝土裂纹，造成混凝土钢筋松动等，修复质量无法得到保证。
高压水射流破除混凝土是一种突破传统机械方式的破碎技术，具有无污染、无热反应区、反作用小及选择性破除等特点，在质量、安全、环境保护等方面优势明显。但混凝土在高压水射流作用下的破坏机理尚不明晰，射流破除混凝土技术仍存在门槛泵压较高，比能耗较大，局部精确破碎及可控致裂技术不足等问题，而精细化记录高压水射流破碎混凝土内部裂纹起裂、扩展、分岔和止裂信息是解决以上问题的关键基础。
通过计算机断层成像技术(Computed Tomography，CT)可以直观展示射流破碎混凝土后内部裂纹扩展和损伤演化终态，但无法对破碎动态过程进行检测；光弹性法与焦散线法可以记录高压水射流冲击混凝土破碎裂纹瞬时、动态发展历程，但仅限于材料表面破坏状态；此外，由于高压水射流破碎混凝土为流体与固体非线性碰撞动力耦合问题，射流破碎混凝土物理力学过程复杂多变，理论研究和数值建模难度较大，必须进行简化和假设，研究结果与实际破碎过程有一定差距。
因此，需要一种结构简单，能够直观地观测到高压水射流冲击混凝土内部裂纹信号的试验方法及设备，实现对高压水射流破除混凝土致裂机理的全方位、动态化、精细化研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种结构简单，能够直观地捕捉到水射流冲击混凝土时内部裂纹信号，从而便于对高压水射流破除混凝土致裂机理进行研究的高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法及设备。
本发明的高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法，包括以下步骤：S1.制备透明混凝土相似材料；S2.利用被染色剂着色后的高压水冲击所述透明混凝土相似材料使透明混凝土相似材料出现裂纹；S3.利用高速摄像机记录所述透明混凝土相似材料的裂纹扩展过程；
进一步，步骤S1中，所述透明混凝土相似材料的制备方法包括以下步骤：S11将用于模拟砂浆的环氧树脂、固化剂混合后倒入涂有脱模剂的模具；S12.将骨料倒入所述模具中成型并进行养护；
进一步，步骤S2中，所述高压水中掺有高硬度固体颗粒；
进一步，步骤S2中，所述染色剂为墨汁；
进一步，所述高硬度固体颗粒为石榴石、金刚砂、石英砂和/或陶粒；
进一步，步骤S1中，基于单轴压缩实验，利用平均影响值算法，筛选出影响混凝土力学性能的关键制备参数；通过单因素轮转法获得各制备参数取值范围；基于正交试验设计确定与真实混凝土材料力学性能接近的透明混凝土相似材料制备参数组合。
本发明还公开了一种高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉设备，包括：高压水射流装置，用于向透明混凝土相似材料喷射着色后的高压水；高速摄影机，用于记录被高压水冲击时透明混凝土相似材料的裂纹扩展过程；
进一步，所述高压水供应装置设有与高压水流道连通的磨料供给系统，所述磨料供给系统用于向高压水中掺入高硬度固体颗粒；
进一步，所述高压水射流装置包括抽水泵、高压泵和喷头；所述抽水泵进水口与着色水源连通，所述高压泵进水口与抽水泵出水口连通，高压泵出水口与喷头进水口连通，所述磨料供给系统与所述喷头连通。
本发明的有益效果是：
1.在制备混凝土相似材料的过程中，通过调整参数配比方案，可以模拟出不同强度混凝土材料；
2.本发明的捕捉设备中采用高速摄像机拍摄混凝土相似材料的裂纹扩展过程，所采用高速摄像机全画幅拍摄速度为500帧/秒，小画幅高达52,000帧/秒，并可以实现精确到1/100微秒的采集时间控制，因此可以对射流冲击下混凝土内部裂纹进行瞬态进行全程记录；
3.由于染色后的高压水能够渗入混凝土相似材料中的微观裂纹内，因此，本发明的捕捉方法不仅可以对混凝土相似材料的宏观裂纹进行捕捉，还可以对其微裂纹进行捕捉；而且裂纹染色后，可方便地利用图像处理技术进行多尺度、多维度后处理，进一步深度挖掘射流冲击混凝土内部深层次致裂、损伤信息。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为透明混凝土相似材料试件示意图；
图2为高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉设备的结构示意图；
图3为高压水射流冲击混凝土裂纹扩展图。
具体实施方式
本实施例的高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法，包括以下步骤：
步骤1:制备透明混凝土相似材料；其具体步骤和所需的工具如下：
(1)混凝土相似材料制备模具及器皿：本实验选用高透超镜面硅胶模具，表面光滑、规整，并可以观察里面试剂凝固过程，倒入试剂前内壁涂抹脱模剂，使试件成型后易于脱落。另有量程为0～50mL量杯，以及用于搅拌混合试剂的硅胶搅拌皿。
(2)骨料：综合考虑透明混凝土相似材料试件的透明性及非均质性，骨料采用二级配：5～15mm、15～30mm。骨料与试剂的质量比为4:1。
(3)试件调配：基于平均影响值算法，通过混凝土透明相似材料单轴压缩试验，考查不同参数对相似模型输出物理力学特性的影响程度，筛选出配合比(环氧树脂:固化剂)、养护时间作为影响透明混凝土相似材料的核心影响参数；通过制备不同配合比试件，得出配合比对混凝土力学特性(容重、抗压强度、泊松比、弹性模量)影响规律，确定配合比的初步取值范围为[1.5，2.5]，同上方法得到养护时间的初步取值范围为[12h，72h]；基于各参数的初步取值范围，通过正交设计原理选择不同参数组合下制备的混凝土透明相似材料进行三轴压缩试验，以混凝土材料的容重、抗压强度、泊松比、弹性模量等基本物理力学参数作为考察指标，得到最接近真实混凝土材料物理力学特性的配比方案：环氧树脂与固化剂的配合比1.8，养护时间为48h。
(4)混凝土相似材料试件的制备：试验室环境为无尘，干燥，环境温度20°为宜，根据环氧树脂与固化剂配合比，称取环氧树脂试剂约为100ml、固化剂试剂约为56ml，一起放入搅拌皿中，用搅拌棒沿同一方向搅拌3～5分钟，待细小气泡全部溢出，将试剂分批次倒入模具中，并在期间分批次放入骨料，并用搅拌棒轻轻搅拌使之分布均匀，最终得到透明混凝土相似材料试件，如图1所示。
(5)混凝土相似材料试件的养护：将做好的试件放到恒温室内养护，养护48小时后取出。将多余的边角用小刀削掉，再用砂纸将削掉边角打磨光滑，使试件表面平整。该方法得到的透明混凝土相似材料具有良好的脆性和各向异性特征，并可看到混凝土内部骨料的分布。
步骤2：利用被染色剂着色后的高压水冲击所述透明混凝土相似材料，并通过高速摄像机捕捉透明混凝土相似材料内部裂纹；
(1)冲击过程：实施该步骤需要采用本发明的高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉设备，如图2所示为本发明的高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉设备的结构示意图。其包括：高压水射流喷头2，用于向透明混凝土相似材料5喷射着色后的高压水；高压水泵7将蓄水容器4内被着色后的水加压输送至喷嘴，高速摄影机1，用于记录被高压水冲击时透明混凝土相似材料5的裂纹扩展过程；本实施例中，所述高压水供应装置设有与高压水流道连通的磨料供给系统3，所述磨料供给系统3用于向高压水中掺入高硬度固体颗粒。
本实施例中，所述高压水射流装置包括抽水泵6、高压泵7和喷头2；所述抽水泵6进水口与蓄水容器4内着色水源连通，所述高压泵7进水口与抽水泵6出水口连通，高压泵7出水口与喷头2进水口连通，所述磨料供给系统3与喷头2连通。
(2)冲击结果：在泵压P＝340MPa，靶距L＝为10mm，射流直径D＝0.76mm，磨料浓度M＝10％的高压水射流冲击，可以得到高压水射流冲击下试件内部出现了破碎核、主冲蚀孔洞、微裂纹区、穿骨裂纹及裂纹分岔等典型致裂形态，如图3所示。
高压水射流冲击透明混凝土相似材料的致裂形态及裂纹扩展模式等与真实混凝土破碎后CT扫描得到的裂纹扩展特征一致，说明此高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法，可以简便直观地、观测到高压水射流冲击混凝土内部裂纹信息，为水射流破除混凝土致裂机理等相关研究提供基础图像和数据。
最后说明的是，通过相似模型的考察指标，上述所述透明混凝土相似材料的制备方法，也可以用于模拟岩石或其他脆性材料。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制备透明混凝土相似材料；
S2.利用被染色剂着色后的高压水冲击所述透明混凝土相似材料使透明混凝土相似材料出现裂纹；
S3.利用高速摄像机记录所述透明混凝土相似材料的裂纹扩展过程；
步骤S1中，其具体步骤和所需的工具如下：
(1)混凝土相似材料制备模具及器皿：本实验选用高透超镜面硅胶模具，表面光滑、规整，并可以观察里面试剂凝固过程，倒入试剂前内壁涂抹脱模剂，使试件成型后易于脱落；另有量程为0～50mL量杯，以及用于搅拌混合试剂的硅胶搅拌皿；
(2)骨料：综合考虑透明混凝土相似材料试件的透明性及非均质性，骨料采用二级配：5～15mm、15～30mm；骨料与试剂的质量比为4:1；
(3)试件调配：基于平均影响值算法，通过混凝土透明相似材料单轴压缩试验，考查不同参数对相似模型输出物理力学特性的影响程度，筛选出配合比、养护时间作为影响透明混凝土相似材料的核心影响参数；通过制备不同配合比试件，得出配合比对混凝土力学特性影响规律，确定配合比的初步取值范围为[1.5，2.5]，同上方法得到养护时间的初步取值范围为[12h，72h]；基于各参数的初步取值范围，通过正交设计原理选择不同参数组合下制备的混凝土透明相似材料进行三轴压缩试验，以混凝土材料的容重、抗压强度、泊松比、弹性模量基本物理力学参数作为考察指标，得到最接近真实混凝土材料物理力学特性的配比方案：环氧树脂与固化剂的配合比1.8，养护时间为48h；
(4)混凝土相似材料试件的制备：试验室环境为无尘，干燥，环境温度20°为宜，根据环氧树脂与固化剂配合比，称取环氧树脂试剂为100ml、固化剂试剂为56ml，一起放入搅拌皿中，用搅拌棒沿同一方向搅拌3～5分钟，待细小气泡全部溢出，将试剂分批次倒入模具中，并在期间分批次放入骨料，并用搅拌棒轻轻搅拌使之分布均匀，最终得到透明混凝土相似材料试件；
(5)混凝土相似材料试件的养护：将做好的试件放到恒温室内养护，养护48小时后取出；将多余的边角用小刀削掉，再用砂纸将削掉边角打磨光滑，使试件表面平整。
2.根据权利要求1所述的高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法，其特征在于：步骤S2中，所述高压水中掺有高硬度固体颗粒。
3.根据权利要求1所述的高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法，其特征在于：步骤S2中，所述染色剂为墨汁。
4.根据权利要求2所述的高压水射流冲击混凝土内部裂纹扩展捕捉方法，其特征在于：所述高硬度固体颗粒为石榴石、金刚砂、石英砂和/或陶粒。
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