高速粒子流冲击作用下病害路面混凝土层动力破坏演化机理研究

Roads, bridges and airport pavement concrete layer has been widely entered the high incidence of disease, which is broken and repaired inefficient, noisy and dusty. Efficient removal and repair of disease concrete layer has become one of the most urgent scientific and technical problems to be solved. The research project intends to study the mechanism and key technologies of high speed particle flow shocks to get rid of disease pavement concrete layer. By considering the nonlinear elastic constitutive model of dynamic damage of concrete and the continuous dynamic effect of high velocity particle flow, the damage model and evolution equation of concrete subjected to flow-solid dynamic coupling are established. Based on the secondary development of ANSYS / LS-DYNA based on the SPH-FEM coupling algorithm, a numerical method for calculating the evolution of fractures, dynamic damage and failure under the continuous dynamic loading of high velocity particle flow is established. A high-speed particle flow impact crushing concrete orthogonal experiment was carried out to reveal the dynamic damage mechanism of disease pavement concrete, obtain the factors that play a key role in the fragmentation effect. This research project can provide a theoretical basis for the efficient and green restoration of disease pavement concrete layer with high speed particle flow impacting.

道路桥梁和机场道面混凝土层已广泛进入病害高发期，破除修复效率低、噪音大、粉尘多，病害混凝土层的绿色高效破除与修复成为亟待解决的科学技术问题之一。本项目将研究高速粒子流冲击破除病害路面混凝土层的作用机理，考虑混凝土动力损伤的非线弹性本构模型和高速粒子流持续动力作用，建立流-固动力耦合作用下混凝土损伤模型和演化方程；基于SPH-FEM耦合算法的ANSYS/LS-DYNA二次开发，建立混凝土在高速粒子流持续动力作用下裂隙演化、动力损伤、破坏演化过程的数值计算方法；开展高速粒子流冲击破碎混凝土正交试验，揭示其高效破除病害路面混凝土层的作用机制，探究其对破碎效果有重要关键作用的影响因子，为高速粒子流冲击破除病害路面混凝土绿色高效技术的应用提供理论依据。

随着我国交通强国战略的深入实施，越来越多的道路、桥梁、机场道面和混凝土结构广泛面临拆除、改扩建和修复，但目前破除修复效率低、噪音大、粉尘多仍是难题。本项目通过室内试验、数值模拟等手段开展系统研究，主要工作和关键成果如下。.(1)开展高速粒子流冲击混凝土试件破碎试验46件，破碎体积随喷射时间增加和喷距的减小呈明显正相关，但粒子体积浓度、粒径和喷射角度对破碎效果的影响更为关键；提出了破碎效率最高时的三个关键因子最优组合为：粒径1mm-1.5mm、粒子体积浓度为1.5%-2%、喷射角度15°-20°。.(2)基于混凝土非线性弹性本构模型，利用波动理论，建立了PIJ作用产生的球面波波动方程，以及混凝土损伤破坏演化的理论模型和数值计算方法；开展了案例计算分析19个，混凝土内部质点径向速度和体应变均出现带有明显波峰和波谷值的波动特征，径向应力以压应力为主，周向应力则以拉应力为主，在压应力区形成压碎裂纹发育，在拉应力区形成与混凝土垂直轴线呈45°角扩展的剪应力作用面，并逐步形成环形裂纹。.(3)揭示了混凝土在高速粒子流冲击作用下动力破坏损伤机制，拉伸波或剪切波叠加产生的拉-剪应力，冲击应力波的剪切分量将超过混凝土的强度极限，混凝土中心将产生强制剪切破坏，破碎的碎屑在粒子射流的冲蚀下被剥离变形成了中心破碎坑；径向拉伸力与周向拉伸力将大于混凝土的抗拉强度，导致内部产生大量的径向裂纹和周向裂纹；初始裂纹形成后，由于应力波的反射和叠加作用将进一步扩展延伸，并相互连通，形成更为宏观的贯通裂纹；最终的结果是混凝土形成体积破碎，破碎范围远大于粒子射流的直径，最大可达数倍的射流直径。.项目完成预取研究目标，部分成果已在多个工程项目中得到应用。研究结果将促进破碎混凝土相关装备研发制造和技术应用，拓展粒子射流的工程应用领域，具有较为重要的理论和实践意义。