干硬性混凝土水力劈裂试件及实施方法与流程

本发明属于水利工程试验技术领域，尤指一种干硬性混凝土水力劈裂试件及实施方法。

背景技术：

岩体或者混凝土的水力劈裂是在高水头作用下，裂缝扩展、贯通从而改变岩体或者混凝土结构的一种物理现象。水力劈裂在天然气开采、核废料堆放、地热开发等地质工程中具有重要作用，然而在高水压作用下，岩体边坡、水工混凝土建筑物时常会发生严重的破坏，意大利瓦力昂边坡失稳、美国圣佛西斯重力坝溃坝和我国雅砻江锦屏二级水电站长探洞涌水等都是水力劈裂作用造成的事故。

目前，高库大坝的建设上升到了一个新台阶，随着坝高的增加，水工混凝土结构在高压水作用下发生水力劈裂的问题就更加突出，直接后果是造成裂缝扩展以及坝体渗漏，这不仅降低了混凝土的耐久性，也降低了结构的强度，既影响建筑物的正常使用，也威胁着大坝的安全运行。随着高混凝土坝的兴建，许多学者结合具体工程就水力劈裂对高坝开裂的影响展开了研究。最开始，有学者根据岩土领域传统的围压三轴试验改进，进行水力劈裂试验，由于受到持压设备限制，试件尺寸较小，只能进行骨料很小的混凝土或者砂浆试件的劈裂试验，且在试件中设置井孔，在井孔中加高压水直至试件劈裂，与大部分混凝土单裂缝的水力劈裂现象不完全一致。后来，相关研究人员借鉴和改进金属材料的断裂研究中的紧凑拉伸试件，采用基于混凝土楔入劈拉试件的水力劈裂试验，在混凝土试件的一边切割裂缝，然后在裂缝周围设置密水装置，将裂缝密闭，然后在裂缝中施加高压水，模拟混凝土单裂缝劈裂试验，在混凝土水力劈裂方面均得到了一定的研究成果。近年来，有学者进一步改进水力劈裂试验方法，采用在混凝土试件内部成型预设裂缝的方法，依靠混凝土自身承受高压水，开展无应力、施加双轴作用力的混凝土构件水力劈裂模拟实验，更加贴近实际的工程状态，现有技术中通常采用在混凝土试件中预埋构件形成预留缝，然后通过进、出水管通高压水进行水力劈裂试验，例如刚性成缝装置中通过固定构件将成缝装置与混凝土模具固定在一起，成缝片为刚性，然后浇筑混凝土，此时混凝土需要具有一定的流动性；还有一种弹性成缝装置也是通过固定构件将成缝装置固定在混凝土模具上，成缝片为弹性，通过将弹性密封袋套设在框架上形成缝空间，当在水压力的作用下该弹性密封袋的扎口松开，该弹性密封袋会挡在成缝的侧壁，水压不会均有的作用在缝侧壁上，对压力测试的结果有很大的影响，不太准确，这种结构同样要求混凝土具有一定的流动性。现有技术中混凝土水力劈裂内部成缝构件结构形式精细，能够满足一定混凝土的试验需求，然而，实际工程中混凝土水力劈裂问题非常复杂，发生水力劈裂机理仍未研究透彻，现有试验尚不能完全模拟混凝土水力劈裂真实情况。尤其是对于碾压混凝土等干硬性混凝土水力劈裂研究中，由于混凝土不具备流动性，需要采用碾压夯实的方法成型水力劈裂试件，对成缝构件的结构形式要求较为严格，现有技术中的成缝构件不能满足需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种干硬性混凝土水力劈裂试件及实施方法，其模拟更加真实、可靠。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种干硬性混凝土水力劈裂试件，它包括模具、夯震密实的干硬性混凝土和成缝构件，该成缝构件它包括成缝片、进水管和出水管，该成缝构件位于模具一半容量的夯震密实的干硬性混凝土上表面的中心位置，干硬性混凝土的vc值控制在2～25s，该成缝片包括结构相同的上成缝片和下成缝片，该上成缝片与该下成缝片呈上下对齐状，该上成缝片包括上片体、上粘合密封带和上垫片，该上片体的下表面的外缘部围粘该上粘合密封带，该上垫片位于该上粘合密封带的内圈，该下成缝片包括下片体、下粘合密封带和下垫片，该下片体的上表面的外缘围粘该下粘合密封带，该下垫片位于该下粘合密封带的内圈，该上粘合带的下表面与该下粘合带的上表面粘接，在该上粘合带的下表面与下粘合带的上表面粘接面之间间隔粘设有6～10个相同的隔片，所述上、下片体采用塑料材质，其抗拉强度大于5mpa，柔软度应为80-100mn，该上、下垫片为透水材质，上垫片和下垫片之间具有可自由充水的孔隙，该进水管的出口端与该出水管的进口端分别穿过上粘合密封带和下粘合密封带之间并位于该上、下粘合带的内圈所在的环形空间并与上、下粘合带之间密封粘结，该进水管的进口端和该出水管的出口端分别从模具的两相对边伸出，该进水管和该出水管的外壁面为麻面。

优选地，所述上粘合带的下表面与下粘合带的上表面粘接之前，在它们粘接面之间，围粘6～10个相同的隔片，该隔片的累加长度占粘合带内边缘周长的1/3～1/2，该隔片的宽度应与粘合带内边缘至外边缘的距离相同或略大1～2mm。

优选地，该进、出水管呈l状，所述进水管的水平段与所述出水管的水平段呈180度间隔相对布置，该进水管的出口端与该出水管的进口端距离上、下粘合密封带的内圈边缘0.25～1.25mm。

优选地，该上垫片与该上粘合密封带的内圈之间的上环形间隙为0.5mm至1mm，该下垫片与该下粘合密封带的内圈之间的下环形间隙为0.5mm至1mm。

优选地，所述上、下片体为圆形，所述密封粘结带为圆环形，所述上、下垫片为圆形。

优选地，所述上、下粘合密封带为双面胶，和/或所述上、下垫片为滤纸。

优选地，所述成缝片的厚度为1～3mm。

优选地，所述上、下密封粘合带的宽度应为成缝片尺寸的1/5到1/7，和/或所述上、下片体的尺寸为模具尺寸的1/2到1/5。

优选地，所述隔片为抗拉强度>100kpa，并且对水泥颗粒有过滤作用但水可以自由通过的滤纸。

一种包括上述任一所述的干硬性混凝土水力劈裂试件技术方案的实施方法，它主要包括以下步骤：

(1)采用钢模作为干硬性混凝土水力劈裂试件的模具，干硬性混凝土vc值控制在2～25s，该干硬性混凝土采用夯震技术成型；

(2)首先夯震密实模具中一半容量的干硬性混凝土，放入成缝构件，成缝片水平放置在已浇筑混凝土上表面的中心位置，进水管和出水管弯折90度分别从模具的两个对角垂直引出来(针对方形模具)或分别从模具的某一条直径线两端沿着模具内壁垂直引出来(针对圆柱形模具)，进水管的进水口和出水管的出水口高于模具的边缘，密封进水管的进水口和出水管的出水口以阻止杂物进入；

(3)然后在成缝片、进水管和出水管的周围，主要是上成缝片周围和上部，铺撒少许去除大骨料的干硬性混凝土，避免夯震过程中大骨料对成缝片造成损坏，铺筑模具剩余容量的干硬性混凝土，同时将夯震板下面方形垫片的两个对角开口的位置分别对应进水管和出水管在模具的两个对角引出位置，(针对方形模具)或者将夯震板下面圆形垫片的两个处于同一条直径线两端的开口位置分别对应进水管和出水管在模具的某一条直径线两端沿着模具内壁的引出位置(针对圆柱形模具)，其目的是不让夯震板下面垫片与进、出水管接触，保护进水管和出水管在夯震过程中不被损坏，夯震时需人工扶稳进水管和出水管，以灵活控制成缝片位置，防止走位；

(4)试件静置24小时后即可拆模，模具拆完后立即用水或者空气测试进水管和出水管是否畅通，如果畅通则再次密封进水管和出水管，运至养护室，如果不通，则废弃。

本发明的有益效果：本发明提供一种干硬性混凝土水力劈裂试件及实施方法，通过在干硬性混凝土水力劈裂试件内部成型承受高压水的缝状密闭空间，内部成缝构件结构形式简易，制作简单，实施方法可靠，不需要专门的固定装置，无固定装置对试件成型的干扰，减少固定装置对裂缝承受水压时造成应力集中等影响，所制成的试件优品率高。最重要的是采用柔性成缝片，能够在一定程度上更加贴合试件内部大骨料，更加符合实际裂缝结构，且采用上、下成缝片的结构形式，在高压水作用下，缝空间充满水，能够完全排除空气的干扰，两成缝片间的粘接力与混凝土抗拉强度相比极小，两成缝片可在很低的水压作用下分开避免了对水力劈裂试验结果造成误差，而且在所述上粘合带的下表面与下粘合带的上表面粘接之前，通过在它们粘接面之间围粘透水隔片，高压水能够实时的、均匀的作用在干硬性混凝土裂缝前缘，所模拟的高压水劈裂工况更真实，实施方法简便可靠。本发明的干硬性混凝土水力劈裂试件承受的最大水压高于现有试验装置水压，且试件临界破坏状态时的水压骤降和试件脆裂都较明显，方便试验结果的观察和记录，其结构特点和优良性能使其具有很大的便利性和适用性。本发明的成缝构件能够很好地在碾压混凝土等干硬性混凝土试件内成型内部裂缝，其更贴近真实工程情况的试验结果可以为国内外混凝土工程水力劈裂方面的研究提供更加合理的建议，具有一定的理论意义和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明混凝土水力劈裂试件的结构示意图。

图2为本发明混凝土水力劈裂试件俯视断面示意图。

图3为本发明混凝土水力劈裂试件正视断面示意图。

图4为本发明混凝土水力劈裂试件内部的成缝构件爆照图。

具体实施方式

为了充分说明实现本发明的技术方案，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图4所示，本发明的一种干硬性混凝土水力劈裂试件，它包括模具1、夯震密实的干硬性混凝土2和成缝构件3，该成缝构件3它包括成缝片31、进水管32和出水管33，该成缝构件3位于夯震密实模具一半容量的干硬性混凝土2的上表面的中心位置，干硬性混凝土的vc值控制在18s，该成缝片3包括结构相同的上成缝片311和下成缝片312，该上成缝片311与该下成缝片312呈上下对齐状，该上成缝片311包括上片体3111、上粘合密封带3112和上垫片3113，该上片体3111的下表面的外缘部围粘该上粘合密封带3112，该上垫片3113位于该上粘合密封带3112的内圈，该上垫片3113与该上粘合密封带3112的内圈之间的上环形间隙为0.5mm至1mm，优选该环形间隙为0.8mm，该下成缝片312包括下片体3121、下粘合密封带3122和下垫片3123；该下片体3121的上表面的外缘围粘该下粘合密封带3122，该下垫片3123位于该下粘合密封带3122的内圈，该下垫片3123与该下粘合密封带3122的内圈之间的环形间隙为0.5mm至1mm，优选该下环形间隙为0.8mm。

该上粘合密封带3112的下表面与该下粘合密封带3122的上表面粘接，目的是保证上、下成缝片不发生相对错动。所述上粘合密封带3112的下表面与下粘合密封带3122的上表面粘接之前，在它们粘接面之间围粘8个相同的隔片313，所述隔片为抗拉强度>100kpa，该隔片的累加长度占粘合带内边缘周长的1/3，该隔片的宽度与粘合密封带的内边缘至外边缘的距离相同。该隔片的作用是使得所述上垫片和下垫片之间具有可自由充水的孔隙中的水可以通过该隔片无阻碍流出，因此通过所述进水管施加进来的水压力可以不受影响的传递至所述成缝片外面的混凝土，这是该混凝土水力劈裂试件成败的关键技术点。干硬性混凝土水力劈裂试件成型时，该上、下粘合带之间的隔片具有过滤水泥颗粒的作用，水可以通过隔片自由进出，而水泥无法进入上片体和下片体之间。在加压试验时成缝片内部的水压力可以实时的、均匀的作用在成缝片的周围，即干硬性混凝土水力劈裂试件内部裂缝的前缘(前缘指的是裂缝发展方向的最前端，也就是裂缝最边缘的位置，比如说半径为a的圆形裂缝，裂缝的前缘就在半径为a的圆形裂缝的圆周，裂缝在高水压作用下，会撑开扩展，形成半径更大的圆形裂缝(半径为b)，b＞a，此时裂缝前缘就在半径为b的圆形裂缝的圆周，指的是裂缝断面最边缘的尖角位置。)，更加真实的模拟实际水力劈裂过程。

所述上、下片体3111、3121采用塑料材质，其抗拉强度大于5mpa，柔软度应为80-100mn，其能够适应干硬性混凝土水力劈裂试件成型过程中的微小变形，又不至于在成型过程中发生损坏；该上、下垫片3113、3123为透水材质，其厚度根据设计的裂缝厚度调整，可以满足成型不同厚度裂缝的需求，上垫片3113和下垫片3123之间具有可自由充水的孔隙；该进水管32的出口端321与该出水管33的进口端331分别经上粘合密封带3112和下粘合密封带3122之间穿过并呈相对布置，呈180度，能很好地使水流沿着内部裂缝将内部空气排出，进水管32和出水管33采用外径为2～3mm的铜管。

由于高压水力劈裂试验过程中成缝构件内部的空气会对试验结果产生较大影响，故需保证试验时成缝构件内部的空气全部排出，该进水管32的出口端321与该出水管33的进口端331伸入该上、下粘合带3112、3122的环形空间并距离上、下粘合密封带的内边缘0.25～1.25mm，优选0.5mm，进水管通水后排出裂缝内的空气，使裂缝内充满水，裂缝四周均匀承受水压力，排气效果最佳；该进、出水管呈l状，该进水管的进口端和该出水管的出口端分别从模具1的两个对角沿模具内壁垂直伸出，该进水管32和该出水管33的外壁面为麻面，能够很好的与干硬性混凝土粘结在一起，进行高压水劈裂试验时水不沿进、出水管外壁流出，进、出水管不发生移动；该进水管连通加压设备。

该下垫片3123与该下粘合密封带3122的内圈之间的环形间隙为0.5mm至1mm；垫片和粘合密封带之间空隙的作用是在成缝构件内部通入高压水后，有利于水流均匀地充满垫片四周，压力均匀地作用在粘合密封带上，从而使得两片体材料边缘的粘合密封带更容易自由分开。

进、出水管在干硬性混凝土试件的浇筑过程不能被压断、压扁而无法形成过水通道，高压水加压过程成中不能发生破裂而出现漏水情况，承受水压能够达到至少10mpa。

所述成缝片可为方形。优选，所述上，下片体为圆形，所述密封粘结带为圆环形，所述上、下垫片为圆形，圆形裂缝承受高压水时干硬性混凝土所受应力均匀，水力劈裂机理分析明确。

所述成缝片和所述进、出水管组成的内部成缝构件，除了进水管的进口和出水管口的出口外，无其他部分与外界联通。

所述上、下粘合密封带为双面胶。

所述上，下垫片为滤纸。

所述成缝片的厚度为1～3mm。

所述上、下密封粘合带的宽度应为成缝片尺寸的1/5到1/7，粘合密封带太宽会使得在内部高压水的作用下两片体无法自由分开，粘合密封带太窄会造成在干硬性混凝土水力劈裂试件成型时粘合力度不够，使得两片体材料发生错动，且极易造成水泥浆进入成缝构件内部，堵塞成缝构件内部空间，从而无法进行水力劈裂试验。

所述上、下片体的尺寸为模具尺寸的1/2到1/5，其尺寸过大会受到试件尺寸的尺寸效应干扰，尺寸过小会增加内部成缝构件的制作和安装难度，且对于水力劈裂机理研究无实质性的帮助作用。

下面介绍干硬性混凝土水力劈裂试件的实施方法，它主要包括以下步骤：

(1)采用钢模作为干硬性混凝土水力劈裂试件的模具，干硬性混凝土vc值为18s，该干硬性混凝土采用夯震技术成型，模具大小可选用150mm×150mm×150mm、300mm×300mm×300mm和450mm×450mm×450mm，对应模具最大骨料粒径分别为40mm、80mm和150mm；

(2)首先夯震密实模具中一半容量的干硬性混凝土，放入成缝构件，成缝片水平放置在已浇筑混凝土上表面的中心位置，进水管和出水管弯折90度分别从模具的两个对角沿模具内壁垂直引出来(针对方形模具)或分别从模具的某一条直径线两端沿着模具内壁垂直引出来(针对圆柱形模具)，进水管的进水口和出水管的出水口高于模具的边缘，密封进水管的进水口和出水管的出水口，阻止杂物进入；

(3)然后在成缝片、进水管和出水管的周围，主要是上成缝片周围和上部，铺撒少许去除大骨料的干硬性混凝土，避免夯震过程中大骨料对成缝片造成损坏，铺筑模具剩余容量的干硬性混凝土，同时将夯震板下面方形垫片4的两个对角开口5的位置分别对应进水管和出水管在模具的两个对角引出位置(针对方形模具)或者将夯震板下面圆形垫片的两个处于同一条直径线两端的开口位置分别对应进水管和出水管在模具的某一条直径线两端沿着模具内壁的引出位置(针对圆柱形模具)，其目的是不让夯震板下面垫片与进、出水管接触，保护进水管和出水管在夯震过程中不被损坏，夯震时需人工扶稳进水管和出水管，以灵活控制成缝片位置，防止走位；

(4)试件静置24小时后即可拆模，模具拆完后立即用水或者空气测试进水管和出水管是否畅通，如果畅通则再次密封进水管和出水管，运至养护室，如果不通，则废弃。