应用探析|高速摄像机在高压水射流破碎混凝土技术研究中的应用

       有别于传统机械方式，利用高压水束冲击作用使已损坏或性能较差的混凝土界面崩裂、剥离及冲运的高压水射流破碎混凝土技术具有GX、零污染、无磨损及选择性破除优势，已广泛应用于土木工程、交通领域。随着工程建设质量要求不断提高，针对复杂受力区域进行混凝土结构应急破拆时，须极ng确控制破碎区裂纹的扩展，消除安全隐患，其中针对高压水射流作用下混凝土破碎区演进及裂纹扩展演化特征机理研究成为关键。

       来自重庆交通大学土木工程学院的刘佳亮科研团队借助相似的透明类混凝土材料，模型试验及千眼狼高速图像采集与测量技术，构建了高压水射流冲击透明类混凝土冲蚀孔洞及裂纹扩展检测系统（见图1），以揭示高压水射流作用下混凝土破碎区演进特征及裂纹时空演化的规律。

图1 高压水射流冲击透明类混凝土试验系统

【试验过程】

       STEP1 先将墨汁与纯水混合配制足量的染色剂，通过抽水泵（扬程＞20m）进行加压后与高压水射流设备进水口连接；

       STEP2 染色水在高压驱动下会沿着裂纹扩展之处流动，完成对裂缝的着色；

       STEP3 利用千眼狼高速摄像机对破碎区扩展过程进行捕捉，并通过后期图像处理技术进行特征识别，提取裂纹，图像化、数据化再现裂纹动态演化的真实过程。

【试验结果】

       对高压水射流冲击混凝土破碎区演进过程可分为三个典型阶段，即I水锤压缩区扩展阶段、II非压缩区扩展阶段、III侵蚀贯通后扩展阶段，三个阶段的扩展形态、孔深、孔径的扩展速率不同。

       图2为第I阶段水锤压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展示意图，从高速摄像机采集的图像可以看出，冲蚀孔洞以近似“花瓣”状形态向自由面扩展，并在冲蚀孔洞近域出现塑性屈服条形带，孔洞周围衍生出径向裂纹、环向裂纹相互交织、贯连的网状裂纹区，见图3。

图2  第I阶段水锤压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展初期

图3  第I阶段水锤压缩区域破碎孔洞演进及裂纹扩展中后期

       第II阶段非压缩区扩展阶段，材料去除演变为完全脆性破碎模式，冲蚀孔洞近域已不存在明显的塑性屈服区及裂纹网，轴向的演进速度出现阶段性的停滞。如图4所示：

图4  第II阶段非压缩区破碎孔洞演进及裂纹扩展

       第III阶段侵蚀贯通后扩展阶段，图5可以看出两冲蚀孔洞融合后，形成一条大孔径的主冲蚀孔洞，在高压水流持续冲击下，该孔洞直径会继续增大，且在其孔壁近域出现不连续、半球状的微裂纹区域，Z后，当扩展至初始贯通孔径2倍左右时，主冲蚀孔洞将趋于稳定，孔深不再发生变化。

图5  第III阶段侵蚀贯通后破碎区拓展

       上述研究结果可助力提升高压水射流破除混凝土的极ng确破碎和可控致裂能力，提高其在混凝土结构修复和事故应急破拆中的应用水平，具有重要的理论意义和工程应用价值。

千眼狼5F04高速摄像机介绍

■     全幅分辨率2320x1720@500fps, 小画幅Z快可达52,800fps

■     具备智能帧率、分辨率动态调整功能

■     同时具有USB 3.0接口

■     可用快门线控制拍摄保存过程

■     具有外同步功能, 支持多台摄像机同步拍摄

■     可输入光电编码器信号, 在图像上叠加编码器数据

原文：

《振动与冲击》2019年第38卷第24期，《高压水射流冲蚀混凝土破碎区演进特征及裂纹扩展规律研究》