高压脉冲放电技术粉碎混凝土构件的研究

摘要

高压脉冲放电技术是一种节能、高效、绿色的混凝土破碎技术，具有广阔的应用前景。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了混凝土梁、板和柱的有限元模型。根据等冲击压力原理，将50 kJ HVPD引起的引信爆炸产生的冲击波等效于爆炸爆破的冲击载荷，并对混凝土梁段的应力进行了分析。建立了混凝土梁段的有限元模型，研究了孔的直径和间距对混凝土梁段破碎效果的影响。每个梁段宽×高为400mm × 800mm，梁段长度有600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm、1100mm六种。在每个梁段的宽度×长度的表面垂直钻两个孔。每种长度类型梁段对应的孔间距分别为200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、700mm。每个梁段的孔深为650mm，孔径有30mm、50mm和70mm三种。分析结果表明，混凝土梁段的破碎效果随着孔间距的减小和开孔孔径的增大而增大。根据梁段破碎效果，确定孔径为50 mm、孔间距为400 mm、孔端(边)间距为250 mm的最佳孔布置方案。 The finite element models of concrete slabs and columns were established. The square concrete slab thickness is 140 mm and side length is 700 mm, 800 mm, and 900 mm, respectively. Double-row holes were arranged in the slabs and the aperture is 50 mm and the hole spacing is 200 mm, 300 mm, and 400 mm, respectively. The section sizes of concrete columns are 500  mm × 500  mm, 600  mm × 600  mm, and 700  mm × 700  mm, respectively, and the aperture is 50 mm and the hole distance is 400 mm. According to the results of analysis, the optimal hole distribution scheme of concrete slab and column is chosen as the aperture of 50 mm and hole distance of 400 mm. The principle of the layout of multirow holes is that the spacing of row is not more than 400 mm, and the margin is not more than 250 mm.

1.介绍

HPVD是指一段时间内低功率能量的积累，然后短时间内释放高功率能量[1］．20世纪中期，苏联曾利用水力效应原理拆除混凝土基础，但并未推广[2］．随后，乌克兰科学院研发了电液破碎装置，以3米的效率拆除了整个混凝土块^3./小时。莫斯科电力专业安装公司在该装置的应用中采用了一种新型的化学混合电解质。电解液在HPVD后发生化学反应，释放出额外的能量，从而增加了对混凝土结构的冲击压力作用时间，将混凝土拆除能力提高到6 ~ 8 m^3./小时(3.］．来自德国卡尔斯鲁厄研究中心的blhm等人开发了混凝土破碎和回收的半工业原型。该设备可对破碎后的大体积混凝土进行回收，工作效率可达1000kg /h [4］．2000年后，俄罗斯科学院开发了一种HPVD装置，可用于粉碎电液效应。该装置能在混凝土预钻中形成强烈的冲击波并使其破碎，具有重要的工程应用价值[5］．日本日立造船有限公司已生产ESG-7K2放电冲击发生装置[6]，已应用于混凝土砌体房屋的拆除、路桥构筑物的养护、破岩、水下清理等实际工程中，取得了良好的效果。设备能耗为0.1 ~ 0.2 kW·h/m^3.．NASA还使用HPVD破碎技术开采了月球上的岩石。随着脉冲功率研究水平的不断提高，HPVD破碎技术逐渐延伸到矿山工程、环境工程、岩土工程、建筑工程等领域，显示出良好的应用前景。

随着城市化进程的加快，拆迁需求不断上升，原因如下:（１）对生活环境的要求提高了。以中国为例，中国有600多亿人口²现有建筑物的数目[7]，而以往的小房间、柱网、公寓已不能满足生产生活的高要求。(2）以往建筑结构设计的可靠性水平较低，结构的可靠性水平随着材料质量的变化而降低。所以，那栋楼不安全。根据初步调查，中国30%-50%的建筑已经存在功能退化、安全失效等问题[8)，需要拆除。（3)由于城市规划和路网规划的发展，一些建筑物必须拆除。

HPVD技术具有高效、低污染、噪声控制、无有害气体等优点[9- - - - - -11］．它可以弥补传统机械、爆破混凝土破碎技术成本高、周期长、效率低的缺点[12，特别适合环境、安全限制要求较高的人口密集地区。

HVPD技术虽有一些实验研究，但实验数据不足，多为岩石破碎目的[13- - - - - -15］．岩石与混凝土在力学性能和材料组成方面存在较大差异，因此岩石破碎的研究成果不能直接应用于混凝土，而岩石的材料组成可以认为是由单一的材料组成;混凝土材料组成较复杂[16］．为此，采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了混凝土梁、板、柱截面的有限元分析模型。将HPVD形成的冲击荷载作用于混凝土构件，分析其冲击全过程。考察了孔径、间距、排间距、端(边)间距等参数对破碎效果的影响。在此基础上，提出了基于HVPD技术的混凝土结构破碎优化方案。

2.HVPD破碎原理

HVPD破碎技术有以下三种类型:

2．1．保险丝爆炸法

采用熔断器爆炸破断法，将钻头插入破断物的裂纹内，金属熔断器缠绕在钻头的两电极之间。高压冲击电流使导线温度急剧上升，熔断器产生等离子体并迅速膨胀。然后，周围的物体受到强烈的冲击载荷，将被破坏[17］．

2．2．电液效果的方法

该方法由苏联学者Yutkin提出，并应用于铸件的冲压、破碎和清砂。工作的主要过程是在物体上钻孔，将放电电极放入充满电解液(通常是硫酸铜)的孔中。当引入高压脉冲电流时，电解液中的电子与分子发生碰撞，引起电子雪崩，电子雪崩转化为等离子体。等离子体瞬间膨胀并对周围物体施加冲击压力，然后造成破裂[18］．

2．3.直接放电法

通过这种方法，物体浸入电解液中，两个电极以一定的间距放置在表面上。当施加脉冲电压时，电极之间的物体内部被分解，形成等离子体通道。然后，物体会随着等离子体的膨胀而分解[19］．

与上述三种破碎方式相比，直接放电方式对输出电压要求最高，因此设备的体积、自重、成本也最高。这通常用于大型工程，如岩石开挖。电液效应法对电解液的质量有更高的要求。因此，在操作过程中，电解液不能被分解。这不仅影响施工效率，还可能导致设备的高压电流击穿，导致安全事故。该引信爆炸技术具有放电可靠性好、电压低、体积小、成本低等优点，更适用于建筑工程。本文研究了基于引信爆炸技术的混凝土破碎理论。

3.HVPD混凝土破碎模型

基于HVPD冲击荷载的特点，采用ANSYS/LS-DYNA软件对混凝土梁、板、柱的全过程进行了仿真分析。

3．1.材料模型

假设混凝土材料为平均各向同性，为防止冲切而覆盖在钻孔上的密封材料与混凝土具有相同的物理特性，便于观察裂缝的发展情况。采用MAT_72R3 (Concrete_Damage_Rel3)模拟混凝土，可以反映混凝土构件在冲击荷载作用下的动力响应[20.，单位长度为10毫米。MAT_72R3模型的屈服面和本构关系如图所示1．从图中可以看出1模型由三部分组成:初始屈服面、破坏面和残余强度面[21］．

该模型可以模拟后续屈服面在初始屈服面和最终屈服面之间的变化，也可以模拟软化面在极限强度面和残余强度面之间的变化[22］．与concrete - damage模型相似，在随后的屈服面和软化面公式中引入了损伤参数，并考虑了拉压差、应变率效应和三轴拉伸时的体积损伤效应[23］．可以有效地考虑混凝土在冲击荷载作用下的损伤和应变率效应。引入EOS8模型，考虑应变速率对混凝土屈服强度和损伤的影响。该模型反映了混凝土受拉、压作用下静水压力与体积应变的函数关系[24］．

通过增加的失效准则来描述裂纹的发展MAT_ADD_EROSION。定义最大破坏拉应力可能过早地删除单元，因此不能考虑这些单元达到最大主应力时的压缩和剪切效应。通过定义最大破坏拉应力，可以过早地将元件移除。由于混凝土张力引起的裂缝可能会被夸大，因为不可能考虑被删除的元素达到最大主应力的压缩和剪切效应。通过将最大主应变定义为破坏应变，并控制混凝土构件的删除，可以有效地模拟混凝土开裂。

3．2．冲击载荷的应用

电液效应产生的冲击压力受峰值压力、电路电容、放电电压等因素的影响。放电设备的释放能量直接影响冲击压力。基于Touya进行的液体放电冲击波特性实验结果[25，冲击压力的经验公式P井眼环空方向为:

在这个公式,E₁等于液体中释放的能量d等于放电点与测试点之间的距离。

根据等冲击压力原理，HVPD的冲击载荷等效于TNT炸药爆炸产生的冲击波，以圆形方向作用于钻孔侧壁。的模型使用LS-DYNA程序自带的mat_high_爆炸物_burn材料进行模拟，产生的冲击波可以从钻孔中以圆柱体形式传播。模型的状态方程为:

在这个公式,一个，B，R₁，R₂,ω这些常量是由试验确定的吗?例如，TNT炸药的密度为1.2 g/cm^3.可以被视为一个= 741 GPa,B= 689 GPa,ω= 0.35,R₁= 5.56,R₂= 1.65 (26];V为相对体积，即爆炸产物膨胀体积与初始体积之比;和E₀为初始热力学能密度。

4.混凝土构件的HVPD压碎试验

4．1.测试设备

为了验证HVPD对混凝土结构的破碎效果，设计制造了HPVD设备，如图所示2．该设备由球隙放电开关、变压器、电容器、控制台、配电箱等组成。最大充电电压为100kv，单次释放峰值能量为100kj。放电电极如图所示3.．

4．2．试件参数

混凝土抗压强度为40mpa，抗拉强度为3.8 MPa，密度为2300kg /m^3.，弹性模量为33.0 GPa，泊松比为0.25。

4.2.1。准备混凝土块

混凝土立方体试块截面尺寸为300mm × 300mm × 300mm，在混凝土砌块上表面中心垂直向下钻孔，直径40mm，深度270mm。

4.2.2。钢筋混凝土板

方形混凝土板边长为1600mm，厚度为140mm。板内纵向布置直径为8mm、间距为200mm的钢筋。钢筋的抗拉屈服强度为380 MPa。排孔距离为400mm，孔径为40mm，孔深为120mm。最外侧孔到板边缘的距离为200mm。

4.2.3。钢筋混凝土柱

混凝土试验柱截面尺寸为b×h= 600 mm × 600 mm，长度2.4 m。柱内均匀布置8根直径为14mm的纵向钢筋。沿立柱一侧上表面垂直向下钻两排孔。两排的间距为200毫米,每排孔的间距为300 mm,孔的直径是400毫米,570毫米孔的深度,最外层的距离洞的边缘列是200毫米。

4．3．测试计划

HVPC压碎试验的步骤是先在混凝土构件上钻孔，然后用水填孔，插入电极。然后，将电极的高压端和低压端用铝线连接。将带盖孔密封，然后接通电源，形成高压脉冲将混凝土构件折断。HVPD脉冲压力的工作原理如图所示4．

4．4.试验结果分析

采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对试验混凝土块、板、柱采用HVPD法进行开裂效果分析，并与试验结果进行对比，如图所示5- - - - - -7．从图中可以看出5- - - - - -7模拟分析得到的混凝土裂缝发展规律与试验结果吻合较好。结果表明，本文建立的有限元模型对裂缝发育具有一定的精度。

5.HVPD压碎混凝土构件的模拟

5．1.的参数

为了简化计算，根据混凝土构件的对称性，取混凝土构件的一个节段进行模拟。一种液体模拟物，电解液，提供在该孔中，炸药放置在其中。HVPD的有效放电能量为50 kJ。孔的顶部被堵住，以避免液体喷射。

5.2。计算结果分析

5.2.1。单排孔混凝土梁的全过程分析

以单排孔梁段为例。截面尺寸为宽×高= 500mm × 800mm，长为900mm，孔径为50mm，孔间距为400mm，端(边)间距为250mm。梁段在冲击荷载作用下的全过程分析结果如图所示8．

从图中可以看出8(一个)即混凝土梁在初始阶段承受冲击荷载(0-55μS)时，孔周围出现小范围的环形压应力波。这时，洞周围没有形成裂缝。当应力波从洞中传播出来时，它周围开始出现微小的裂缝。但应力波在相邻孔(t= 75μs)，如图所示8 (b)．应力波扩展，应力波在相邻的两个孔之间相交。在应力波交点处形成垂直于两孔之间线的拉应力，以孔为中心的裂纹围绕(t= 85μs)，如图所示8 (c)．当t= 95μ，如图所示8 (d)时，应力波交点处形成的拉应力达到混凝土梁段的抗拉强度，混凝土梁段即将开裂。但是两个洞之间的裂缝并没有连接起来。然后，两孔之间出现纵向裂缝，以孔为中心的裂缝基本延伸至混凝土梁截面外边缘(t= 120μs)，如图所示8 (e)．然后相邻两个孔的裂缝向外延伸形成连接，以孔为中心的横向裂缝向外延伸至梁外边缘。整个梁段被分成几片，从而达到破碎的效果。

5.2.2。多排孔混凝土梁的全过程分析

如果混凝土构件截面尺寸较大，应布置多排孔，以达到破碎效果。以具有两排孔的梁段为例。截面尺寸为宽×高= 900mm × 1200mm，长为900mm，孔径为50mm，孔间距为400mm，端(边)间距为250mm。梁段在冲击荷载作用下的全过程分析结果如图所示9．

从图中可以看出9(一个)，在初始阶段(0-60μS)当混凝土梁在冲击荷载作用下，孔洞周围产生环形压应力波。这时，洞周围没有形成裂缝。如图所示9 (b)（t= 95μS)，当应力波延伸出孔外时，相邻孔间的应力波开始相交。如图所示9 (c)（t= 115μS)，在垂直于两个相邻孔间压力波界面的连接处形成拉应力，并伴有微裂纹。如图所示，裂缝扩展，这是井眼间裂缝连通的关键时间9 (d)（t= 125μs).如图所示9 (e)（t= 140μS)、裂缝从孔中心向外延伸至混凝土梁段外缘，孔间裂缝连通。然后，在荷载的作用下将混凝土梁段分成9个主要部分，从而达到破碎的效果。

5.2.3。混凝土梁的模拟结果分析

混凝土梁截面尺寸为宽×高= 400mm × 800mm，梁段长度分别为600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm、1100mm。在梁段宽×长表面垂直钻两个孔，孔深650 mm，孔径分别为30 mm、50 mm和70 mm。孔沿横梁长度方向间距分别为200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、700mm。所述孔间距为两个孔中心之间的距离，所述孔边间距为孔中心到构件侧面的距离，所述孔端间距为孔中心到试件左右两端的距离。

(1)孔径为30 mm时的仿真结果分析．有孔间距的混凝土梁段裂缝发展规律年代= 200mm, 300mm, 400mm, 500mm分别计算。研究了孔间距对混凝土梁截面断裂效果的影响。孔径30mm，端(边)间距250mm。计算结果如图所示10．

从图中可以看出10随着孔间距的减小，混凝土梁段的压溃效果越来越明显。当孔间距为200mm和300mm时，如图所示10 ()和10 (b)，相邻孔洞之间存在较多且连通的裂缝，从孔洞开始的横向裂缝也延伸至混凝土梁截面外边缘。当孔间距为400mm时，如图所示10 (c)，两孔洞之间形成连通主裂缝，从孔洞开始的横向裂缝也延伸至混凝土梁段外缘。孔间距为500mm时，如图所示10 (d)，两个相邻孔洞之间形成两条主纵向裂缝，但不连接;沿混凝土梁段形成两条横向裂缝，从孔洞开始延伸至混凝土梁外缘。通过上述分析，当孔间距小于400mm，孔径为30mm时，相邻孔间的裂缝是连通的。孔端(边)间距为250mm时，从孔开始的横向裂缝与混凝土梁段外缘连接，达到破碎效果。考虑到施工效率和经济因素，400 mm孔间距是最优方案。

(2)孔径为50 mm时的仿真结果分析．有孔间距的混凝土梁段裂缝发展规律年代= 200mm, 300mm, 400mm, 500mm, 600mm, 700mm分别计算。研究了孔间距对混凝土梁断裂效果的影响。孔径50mm，端(边)间距250mm。计算结果如图所示11．

从图中可以看出11随着孔间距的减小，混凝土梁段的压溃效果越来越明显。当井距为200mm时，相邻井眼之间存在较多裂缝和连接，如图所示(11日)．孔间距为300mm时，如图所示11 (b)时，相邻孔洞之间的裂缝连通并延伸至混凝土梁段外缘。当孔间距为400mm时，如图所示11 (c)，以孔洞为中心形成两条主要的横向和纵向裂缝，并延伸至混凝土梁边缘连接。孔间距为500mm时，如图所示11 (d)，从孔洞开始的横向骨折没有完全连接。当孔间距大于500mm时，相邻孔间横向裂缝不连通，如图所示11 (e)和11 (f)．因此，400 mm的孔间距是最优方案。

(3)孔径为70mm时的仿真结果分析．有孔间距的混凝土梁段裂缝发展规律年代= 200mm, 300mm, 400mm, 500mm, 600mm, 700mm分别计算。研究了孔间距对混凝土梁截面断裂效果的影响。孔径70mm，端(边)距250mm。计算结果如图所示12．

从图中可以看出12随着孔间距的减小，混凝土梁段的压溃效果越来越明显。当孔间距为200mm时，如图所示12(一个)时，孔洞周围产生了大量的细微裂缝，而孔洞之间形成的压缩区未产生裂缝。孔间距为300mm时，如图所示12 (b)，从孔洞开始的横向裂缝延伸至混凝土梁段外缘并连接。当孔间距为400mm时，如图所示12 (c)，横向裂缝从连接的孔洞开始，延伸到混凝土梁的边缘。孔间距为500mm时，如图所示12 (d)时，从孔洞开始的横向裂缝延伸至混凝土梁段边缘，但两个孔洞之间连接处的裂缝没有完全连通。当孔间距大于500mm时，相邻两个孔之间的横向裂缝不连通，如图所示12 (e)和12 (f)．因此，孔间距400mm是首选方案。

通过以上分析可以看出，随着孔直径的增大，孔间距的减小，混凝土梁段的破碎效果增强。当孔间距小于400mm时，每个孔下的混凝土梁均可有效断裂。考虑到施工中常用的孔径、合理的混凝土破碎尺寸及工作效率，建议采用孔径为50 mm、孔距为400 mm的最佳破碎方案。

5.2.4。混凝土板模拟结果分析

混凝土板段端(边)间距为250mm，厚度为140mm，开孔深度为120mm。孔间距为300mm、400mm、500mm时，孔径为50mm板的破碎效果如图所示13．

从图中可以看出(13日)时孔间距年代= 300 mm时，相邻孔洞之间的裂缝连通并产生斜裂缝，裂缝延伸至混凝土板段外缘，破碎效果良好。如图所示13 (b)，当井眼间距年代= 400mm时，相邻孔洞之间的裂缝连通并延伸至混凝土板段外缘。如图所示13 (c)时孔间距年代= 500mm时，相邻孔洞之间的裂缝未连通，裂缝从孔洞开始延伸至板外边缘。综上所述，当井距不同时，破碎效果和经济效益最佳年代= 400毫米。

5.2.5。混凝土柱模拟结果分析

混凝土柱可以在一侧纵向钻孔，类似于混凝土梁。但一般立柱宽度较大，单排孔可能导致裂缝无法到达立柱边缘。混凝土柱按三种截面尺寸建立:b×h= 400毫米×400毫米,500毫米×500毫米,600毫米×600毫米。洞的边缘间隔的列与断面尺寸400毫米×400毫米200毫米,在列断面尺寸500毫米×500毫米250毫米,而在柱断面尺寸为600毫米×600毫米300毫米。各类型柱的孔间距为400mm，孔径为50mm。计算结果如图所示14．

从图中可以看出14，当孔间距为400mm时，两孔之间的裂缝连通。从图中可以看出(14日)和14 (b)当孔的边缘间距小于250 mm时，裂纹从孔中心开始扩展到柱的侧面，有效分割。数字14 (c)说明孔边间距为300mm时，从孔中心开始的裂缝并没有延伸到柱的侧面，因此无法有效地分割混凝土柱。建议混凝土柱截面尺寸为500mm及以下时，可选择单排孔;否则，应选择多排孔。孔的布局原则为排距不大于400mm，边缘间距不大于250mm。

6.结论

（１）根据有限元分析结果，随着孔直径的增大和孔间距的减小，混凝土构件的破碎效果得到改善。(2）在不同条件下的30毫米,直径50毫米和70毫米,当孔间距不超过400毫米,孔之间的裂缝的混凝土梁连接,当钻井结束之间的距离(边)的混凝土梁是250毫米,钻孔产生的裂缝可以延伸到横梁的端(侧)处，达到破碎的效果。考虑实际施工中常见的孔径及施工效率，建议混凝土梁的破碎方案为孔径50 mm，孔距400 mm，孔端(侧)距250 mm。（3)混凝土板、柱孔间距不宜超过400mm，大截面柱、板可采用多排孔布置方案。原理孔间距不大于400mm，孔边间距不大于250mm。

数据可用性

支持这项研究的数据可以在网站上找到，https://pan.baidu.com/s/1NpdTBZB-UGrSilFCGtFjvg(提取代码:2ccy)。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家重点研发计划项目(批准号:no. 201710227901);2017 yfc0806100)。

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26. 包凯，“高压电脉冲水力压裂煤的机理与实验研究”，太原理工大学，太原，2018，博士论文。视图:谷歌学者

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