CN106483022A - 一种混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静水压力下混凝土裂缝扩展的水力劈裂试验技术，具体涉及一种混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置及试验方法，包括橡胶垫密封层、钢板密封层、球角钢架、钢框、耐高压水管以及加压器，橡胶垫、钢板沿着混凝土试件裂缝方向依次铺在裂缝上，球角钢架两端的钢球套在钢框里铺在钢板密封层上面；橡胶垫密封层、钢板密封层、一号球角以及三号球角内均的孔洞均要与裂缝对齐；加压器内的水经由水管和一号球角进入裂缝内，先将裂缝内的空气从三号球角的孔洞中排出，再使用三号球杆密封帽将其密封。该装置能够实现单轴荷载下任何角度的倾角的裂缝的水压加载和密封，从而实现荷载和渗透水压共同作用下的水力劈裂试验。

Description

一种混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置及试验方法

技术领域

本发明涉及静水压力下混凝土裂缝扩展的水力劈裂试验技术，具体涉及一种混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置及试验方法。

背景技术

由于混凝土材料的弱拉性和混凝土坝的大体积特性，完建的混凝土坝有微裂缝不可避免。此时，高压水流作用下混凝土坝体内已有的裂隙会驱动扩张、扩展甚至相互贯通，使得混凝土建筑物渗水、破坏。

目前，筑坝技术快速发展，世界上大型混凝土高坝被兴建或投入运行，高水压作用下的混凝土结构水力劈裂问题备受关注。但是，由于混凝土水力劈裂发生机理复杂，国内外对水压作用下混凝土结构损伤断裂直至失稳破坏的全过程的分析研究甚少，已有的一些分析模型和作用机理研究亦处于起步阶段，模型参数多依赖于经验。基于此开展水压作用下混凝土结构损伤断裂破坏过程的试验研究，不但为混凝土结构损伤断裂失稳破坏的机理研究奠定了试验基础，同时也为建立混凝土结构断裂破坏全过程试验方法提供了有益探索，具有重要的工程应用价值。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的一个目的是提供一种混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，用于解决在在混凝土水力劈裂试验中的水压加载密封问题，本发明的另一个目的是提供这种水压密封加载装置的试验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：包括橡胶垫密封层、钢板密封层、球角钢架、钢框、耐高压水管、加压器、一号球角、三号球角，一号球角和三号球角分别与2个预制试件裂缝对应设置，一号球角和三号球角平行设置，一号球角和三号球角分别连接球角钢架；橡胶垫密封层、钢板密封层的中心线对应在混凝土试件的预制试件裂缝上并依次铺在预制试件裂缝上，球角钢架两端的钢球套在钢框里且铺在钢板密封层上方，球角钢架两端的钢球在钢框内自由滑动；橡胶垫密封层的橡胶垫孔、钢板密封层的钢板孔、一号球角的进水孔以及三号球角内的排气孔均可与预制试件裂缝的中心对齐；加压器内的水经由耐高压水管和一号球角侧的橡胶垫密封层、钢板密封层的孔洞进入预制试件裂缝内，将预制试件裂缝内的空气从三号球角侧的橡胶垫密封层、钢板密封层的排气孔中排出，再使用三号球角排气孔密封帽将排气孔密封。

混凝土试件表面打磨平滑，保证密封层与混凝土试件表面均匀接触。

放置好橡胶垫密封层后，橡胶垫密封层四周均匀的涂上环氧树脂胶；当裂缝尖端需要粘贴应变片测量裂缝扩展情况，则粘贴应变片后应变片表面需要再涂上一层均匀厚度的防水胶。

所述钢球可在钢框的开槽内自由滑动，能适应不同的预制裂缝倾角，即对于不同倾角的预制裂缝，均能做到橡胶垫密封层的橡胶垫孔、钢板密封层的钢板孔、一号球角的进水孔以及三号球角内的排气孔均与预制试件裂缝的中心对齐；水压加载密封装置不影响单轴荷载的施加，荷载与裂缝的夹角可以是0~90°。

所述的混凝土试件的2个预制试件裂缝分别由橡胶垫密封层、钢板密封层、球角钢架密封。

所述的一号球角包括一号球角帽、一号球角方形接头、一号球角水管连接头、水管连接夹具、一号球角进水孔、一号球角螺杆；在进行水压加载前，将耐高压水管穿过水管连接夹具插入一号球角进水孔中，然后缠上防水胶带，再旋紧水管连接夹具。

所述的三号球角包括有三号球角帽、三号球角螺杆、三号球角方形接头、三号球角排气孔密封帽、三号球角排气孔密封帽方形接头、三号球角排气孔；先卸下三号球角排气孔密封帽，打开加压器，待预制试件裂缝内的空气从三号球角排气孔排尽后，再旋紧三号球角排气孔密封帽。

所述一号球角、二号球角和三号球角均与钢架螺纹连接；球角帽与相应的螺杆采用嵌套方式连接；螺杆可以在球角帽内活动，使得球角帽的顶面可以和试件的侧面达到面接触，受力均匀；在紧固球角的过程中，采用带有刻度的精密扭力扳手通过一号球角方形接头、二号球角六边连接头和三号球角排气孔密封帽方形接头施加同一数值的预紧力，且双侧的球角需要同时紧固，保证钢架距长方体混凝土试件的距离相等。

混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：混凝土试件制备：

a、将干燥的砂、石子、水和水泥采用电子秤精确称量；

b、将预定重量的砂、石子和水泥放入搅拌机中进行预搅拌，再加入水，将混合料搅拌均匀；

c、为了预制裂缝，模具事先钻好相应的裂缝口，将钢片插入裂缝口中，将模具内部和钢片表面涂上润滑油以方便脱模，再倒满搅拌均匀的混合料，然后使用振动台振动、捣平。

d、养护6小时后拔钢片，养护24小时后脱模，脱模后检查试件表面的平整度，对不平整的面进行打磨，保证试件的平整度满足试验要求。

e、将混凝土试件放在不流动的饱和氢氧化钙饱和溶液中养护28天。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的水压加载密封装置效果显著，水压可达到3.5MPa，在水压加载过程中能不发生水的渗漏；

2.本发明的水压加载密封装置不妨碍单轴荷载的施加，且能够适应不同倾角的裂缝；

3.本发明的水压加载装置拆装灵活，能够适用于多种尺寸长方体混凝土试件；

4.本发明的钢架两端的钢球涂上润滑油后可以再钢框的滑槽里自由滑动，且球珠柄足够长时可以避免钢架倾角过大时钢架两端的直角接触到钢框的滑槽而限制钢架的倾斜。

5.钢架需要有一定宽度，使得不仅能够密封初始裂缝内的水，还能密封扩展裂缝内的水。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明橡胶垫密封层和钢板密封层布置示意图；

图3是本发明球角钢架铺设示意图；

图4是本发明一号球角示意图；

图5是本发明二号球角示意图；

图6是本发明三号球角示意图；

图7是本发明钢架示意图；

图8是本发明橡胶垫密封层和钢板密封层示意图；

图中：1、混凝土试件；2、预制试件裂缝；3、螺杆；4、螺帽；5、一号球角，51、一号球角帽，52、一号球角方形接头，53、一号球角水管连接头，54、水管连接夹具，55、一号球角进水孔，56、一号球角螺杆；6、二号球角，61、二号球角帽，62、二号球角螺杆，63、二号球角方形接头；7、三号球角，71、三号球角帽，72、三号球角螺杆，73、三号球角六边连接头，74、三号球角排气孔密封帽，75三号球角排气孔密封帽方形接头，76、三号球角排气孔；8、钢架，81、钢球，82、螺孔，83、钢珠柄；9、钢框；10、橡胶垫密封层，101、橡胶垫孔（进水或排气用）；11、钢板密封层，111、钢板孔（进水或排气用）；13；耐高压水管；14、加压器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，这种水压密封加载装置及试验方法，其包括有橡胶垫密封层10、钢板密封层11、球角钢架8、钢框9、耐高压水管13以及加压器14，橡胶垫密封层10、钢板密封层11沿着混凝土试件1的预制时间裂缝2方向依次铺在裂缝上，球角钢架8两端的钢球81套在钢框9里铺在钢板密封层11上面，接着用连接螺杆3安装钢框9，将橡胶垫密封层10、钢板密封层11和球角钢架8固定住；橡胶垫密封层10、钢板密封层11、一号球角5以及三号球角7内的孔洞均要与裂缝2对齐，加压器内的水经由耐高压水管12和一号球角5侧的各个密封层的孔洞进入裂缝内，先将裂缝内的空气从三号球角7侧的各个密封层的橡胶垫孔101和钢板孔111中排出，再使用三号球杆密封帽将其密封。

本发明的钢架两端有钢球，钢球涂上润滑油可在钢框的滑槽内自由滑动。另外，安装好水压加载密封装置后，单轴拉伸或者单轴压缩的荷载仍可以施加在混凝土无初始裂缝的另外四个面上。因此，该装置能够实现单轴荷载下任何角度的倾角的裂缝的水压加载和密封，从而实现荷载和渗透水压共同作用下的水力劈裂试验。

本发明的橡胶垫密封层和钢板密封层布置在预制裂缝两侧开口处，密封层均有孔洞，一侧用于进水，另一侧用于排气。本发明在进行水压加载前，先将耐高压水管穿过水管连接夹具插入一号球角进水孔55中，然后缠上适量的防水胶带，再旋紧水管连接夹具，接着加压器就可以对进行预制裂缝加水。本发明在加水压前可以预先排尽预制裂缝内的空气，先卸下三号球角排气孔密封帽74，打开加压器，待预制裂缝内的空气从三号球角排气孔排尽后，再旋紧三号球角排气孔密封帽。

橡胶垫密封层10、钢板密封层11的安放位置看图2，球角钢架8的安放位置看图3。混凝土试件表面需要打磨平滑，从而保证密封层与混凝土试件表面均匀接触从而保证密封层的密封效果。放置好橡胶垫密封层10后，橡胶垫密封层10四周均匀的涂上环氧树脂胶，从而增加橡胶垫密封层10的密封效果。如果裂缝尖端需要粘贴应变片测量裂缝扩展情况，则粘贴好应变片后应变片表面需要再涂上一层均匀厚度的防水胶，不仅防水还能防止环氧树脂胶对应变片的腐蚀。

一号球角5的构件形状见图4，二号球角6的构件形状见图5，三号球角7的构件形状见图6，球角与钢架采用螺纹连接，球角帽与相应的螺杆采用嵌套方式连接。这样，螺杆可以在球角帽内活动，使得球角帽的顶面可以和试件的侧面达到面接触，受力均匀。在紧固球角的过程中，采用带有刻度的精密扭力扳手通过六边连接头施加同一数值的预紧力，且双侧的球角需要同时紧固，保证钢架距试件的距离相等。一号球角5有一号球角水管连接头53和水管连接夹具54连接耐高压水管13。三号球角7有三号球角排气孔密封帽74和三号球角排气孔76，用于排出水压加载前预制裂缝内的气体。

所述的一号球角5包括一号球角帽51、一号球角方形接头52、一号球角水管连接头53、水管连接夹具54、一号球角进水孔55、一号球角螺杆56；在进行水压加载前，将耐高压水管13穿过水管连接夹具54插入一号球角进水孔55中，然后缠上适量的防水胶带，再旋紧水管连接夹具54，接着加压器就可以对进行预制裂缝加水。

所述的三号球角7包括有三号球角帽71、三号球角螺杆72、三号球角方形接头73、三号球角排气孔密封帽74、三号球角排气孔密封帽方形接头75、三号球角排气孔76；先卸下三号球角排气孔密封帽74，打开加压器，待预制试件裂缝内的空气从三号球角排气孔76排尽后，再旋紧三号球角排气孔密封帽74。所述球角（5、6和7）与钢架8采用螺纹连接，球角帽（51、61和71）与相应的螺杆（56、62和72）采用嵌套方式连接。这样，螺杆（56、62和72）可以在球角帽（51、61和71）内活动，使得球角帽（51、61和71）的顶面可以和试件的侧面达到面接触，受力均匀。在紧固球角（5、6和7）的过程中，采用带有刻度的精密扭力扳手通过六边连接头（52、63和75）施加同一数值的预紧力，且双侧的球角需要同时紧固，保证钢架8距长方体混凝土试件1的距离相等。

钢架的钢架形状见图7，钢架8两端有钢球81，钢球81涂上润滑油后可以再钢框的滑槽里自由滑动，且球珠足够大时可以避免钢架倾角过大时钢架两端的直角接触到钢框的滑槽而限制钢架的倾斜。钢架边缘为钢珠柄83，钢架上设有螺孔82。

橡胶垫密封层和钢板密封层的形状见图8，橡胶垫密封层10要有一定厚度从而具备一定的弹性变形量从而满足密封要求，钢板密封层11均要有一定厚度从而具备一定的刚性从而满足密封要求，橡胶垫密封层10和钢板密封层11都有孔洞，从而满足水压加载时的进水和排气的要求。

所述的水压密封加载装置及试验方法还包括了混凝土试件的制备，具体步骤如下：

a、将干燥的砂、石子、水和水泥采用电子秤精确称量；

b、将预定重量的砂、石子和水泥放入搅拌机中进行预搅拌，再加入水，将混合料搅拌均匀；

c、为了预制裂缝，模具事先钻好相应的裂缝口，将钢片插入裂缝口中，将模具内部和钢片表面涂上润滑油以方便脱模，再倒满搅拌均匀的混合料，然后使用振动台振动、捣平。

d、养护6小时后拔钢片，养护24小时后脱模，脱模后检查试件表面的平整度，对不平整的面进行打磨，保证试件的平整度满足试验要求。

e、将混凝土试件放在不流动的饱和氢氧化钙饱和溶液中养护28天。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：包括橡胶垫密封层（10）、钢板密封层（11）、球角钢架（8）、钢框（9）、耐高压水管（13）、加压器（14）、一号球角（5）、三号球角（7），一号球角（5）和三号球角分别与2个预制试件裂缝（2）对应设置，一号球角和三号球角平行设置，一号球角和三号球角分别连接球角钢架（8）；橡胶垫密封层（10）、钢板密封层（11）的中心线对应在混凝土试件（1）的预制试件裂缝（2）上并依次铺在预制试件裂缝（2）上，球角钢架（8）两端的钢球（81）套在钢框（9）里且铺在钢板密封层(11)上方，球角钢架（8）两端的钢球（81）在钢框（9）内自由滑动；橡胶垫密封层（10）的橡胶垫孔（101）、钢板密封层（11）的钢板孔（111）、一号球角（5）的进水孔（55）以及三号球角（7）内的排气孔（76）均可与预制试件裂缝（2）的中心对齐摆放好各零部件的位置后，即可拧紧螺栓（4）固定，再用强力粘钢胶粘住钢球（81）和滑槽，防止钢球（81）任意滑动；加压器（14）内的水经由耐高压水管（13）和一号球角（5）侧的橡胶垫密封层（10）、钢板密封层（11）的孔洞进入预制试件裂缝（2）内，将预制试件裂缝（2）内的空气从三号球角（7）侧的橡胶垫密封层（10）、钢板密封层（11）的排气孔（76）中排出，再使用三号球角排气孔密封帽（74）将排气孔（76）密封。

2.根据权利要求1所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：混凝土试件表面打磨平滑，保证密封层与混凝土试件表面均匀接触。

3.根据权利要求1所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：放置好橡胶垫密封层（10）后，橡胶垫密封层（10）四周均匀的涂上环氧树脂胶；当裂缝尖端需要粘贴应变片测量裂缝扩展情况，则粘贴应变片后应变片表面需要再涂上一层均匀厚度的防水胶。

4.根据权利要求1所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：所述钢球（81）涂上润滑油后在钢框的钢槽内自由滑动；水压加载密封装置不影响单轴荷载的施加，荷载与裂缝的夹角可以是0~90°。

5.根据权利要求1所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：所述的混凝土试件的2个预制试件裂缝（2）分别由橡胶垫密封层（10）、钢板密封层（11）、球角钢架（8）密封。

6.根据权利要求1或5所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：所述的一号球角（5）包括一号球角帽（51）、一号球角方形接头（52）、一号球角水管连接头（53）、水管连接夹具（54）、一号球角进水孔（55）、一号球角螺杆（56）；在进行水压加载前，将耐高压水管（13）穿过水管连接夹具（54）插入一号球角进水孔（55）中，然后缠上防水胶带，再旋紧水管连接夹具（54）。

7.根据权利要求1或5所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：所述的三号球角（7）包括有三号球角帽（71）、三号球角螺杆（72）、三号球角方形接头（73）、三号球角排气孔密封帽（74）、三号球角排气孔密封帽方形接头（75）、三号球角排气孔（76）；先卸下三号球角排气孔密封帽（74），打开加压器，待预制试件裂缝内的空气从三号球角排气孔（76）排尽后，再旋紧三号球角排气孔密封帽（74）。

8.根据权利要求1或5所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：所述一号球角（5）、二号球角（6）和三号球角（7）均与钢架（8）螺纹连接；球角帽（51、61和71）与相应的螺杆（56、62和72）采用嵌套方式连接；螺杆（56、62和72）可以在球角帽（51、61和71）内活动，使得球角帽（51、61和71）的顶面可以和试件的侧面达到面接触，受力均匀；在紧固球角（5、6和7）的过程中，采用带有刻度的精密扭力扳手通过一号球角方形接头（52）、二号球角六边连接头（63）和三号球角排气孔密封帽方形接头（75）施加同一数值的预紧力，且双侧的球角需要同时紧固，保证钢架（8）距长方体混凝土试件（1）的距离相等。

9.根据权利要求1或5所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置，其特征在于：用强力粘钢胶粘粘住钢球（81）和滑槽后，在拆卸水压密封装置时可用溶胶液除去粘钢胶以便重复利用。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的混凝土试件预制裂缝内的水压密封加载装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

混凝土试件制备：

a、将干燥的砂、石子、水和水泥采用电子秤精确称量；

b、将预定重量的砂、石子和水泥放入搅拌机中进行预搅拌，再加入水，将混合料搅拌均匀；

c、为了预制裂缝，模具事先钻好相应的裂缝口，将钢片插入裂缝口中，将模具内部和钢片表面涂上润滑油以方便脱模，再倒满搅拌均匀的混合料，然后使用振动台振动、捣平；

d、养护6小时后拔钢片，养护24小时后脱模，脱模后检查试件表面的平整度，对不平整的面进行打磨，保证试件的平整度满足试验要求；

e、将混凝土试件放在不流动的饱和氢氧化钙饱和溶液中养护28天。