混凝土结构养护维修工程中,混凝土破碎技术至关重要。相较于传统机械方式破碎混凝土引起的成本高、工作量大、修复质量差等缺点,高压水射流破碎混凝土技术具有高效率、选择性、适应性广、操作性好、安全环保等明显优点,在桥梁拓宽、路面翻新等工程中发挥着极为重要的作用。然而由于混凝土在高压水射流冲击下的破碎本质尚不明晰,阻碍了高压水射流技术在混凝土破碎领域的应用与发展。为拓展高压水射流技术在混凝土破碎领域的应用水平、提高混凝土破碎效率和质量,本文重点从物理试验、数值模拟等方面研究了高压水射流冲击下混凝土表面和内部裂纹扩展特征以及力学机理,取得了以下主要成果:(1)采用高速摄像法记录了高压水射流垂直冲击混凝土破碎过程,表明了混凝土破碎前后,冲击过程中产生的反射流具有不同的状态,具体表现为反射流喷射角存在最小值为31°,反射流雾化程度与其受到的扰动程度有关。高压水射流冲击下混凝土破碎可分为射流劈裂和应力波致裂两个阶段,期间表面裂纹发生了大量分岔现象。基于图示法,从裂纹扩展位移、扩展角、扩展速度及扩展加速度四个方面量化了表面裂纹扩展特征。能量的非连续释放导致了主裂纹和次裂纹I呈现为扩展、停滞周性期演化,其中主裂纹周期随其位移增加逐渐变长,而次裂纹I仅经历了一个周期;由于裂纹扩展的选择性,次裂纹II在较短时间内演化完成后几乎一直处于停滞期。(2)借助计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)技术对高压水射流作用下混凝土的细观破裂状态进行全方位检测,结合液固碰撞理论,阐释了高压水射流冲击下混凝土内部“V”状锥形破碎核、表面裂纹、环向裂纹等致裂态形成的力学过程,探讨了混凝土“启裂-扩展-溃裂”不同破坏阶段的机理,揭示了5种典型高压水射流致裂裂纹的力学机制和扩展特征。通过对CT扫描图像进行直方图均衡化、阈值分割处理,利用提出的基于图像灰度值的损伤表征方法,进一步研究了高压水射流冲击混凝土内部CT尺度损伤分布特征,定量地指出高压水射流强冲击作用会在混凝土未破碎区的骨料与砂浆基体过渡区形成明显的损伤,并且距离致裂裂纹越近,损伤劣化程度越严重。(3)基于光滑粒子流体动力学(Smooth Particle Hydrodynamics,SPH)方法建立了高压水射流冲击混凝土数值模型,研究了混凝土在高压水射流冲击作用下裂纹萌生、扩展及失效演化过程。表明了高压水射流冲击下,首先液固接触区边界在水锤效应作用下出现断裂,裂纹在剪应力作用下向射流轴向演化,贯通后形成近似“碗状”破碎坑;混凝土自身弹性能释放产生的卸载拉伸应力和液固接触区剪应力共同引起了锥形裂纹;液固接触区剪应力导致了垂直裂纹的产生;入射应力波在左、右自由边界发生反射后形成的反射应力波与入射应力波相互作用引发了层状裂纹。基于图像处理技术,提出了混凝土破碎程度表征方法,量化指出了混凝土失效演化沿射流轴向呈先快后慢非线性衰减,同步反映了能量衰减规律。