一种在混凝土内部形成裂隙的方法与流程

本发明属于裂隙混凝土力学试验领域，具体涉及一种在混凝土内部形成裂隙的方法。

背景技术：

1、由于地下工程结构施工或运营的外载荷因素，可能导致混凝土产生结构开裂，主要以裂缝的形式呈现，以北京地铁为例，包括地铁1号线、2号线和5号线在内的多条线路运行已超过10年，裂缝检测结果表明，地铁裂缝病害占到病害总量的近90％。衬砌裂缝已经成为地铁隧道的最主要病害之一，而且裂缝的存在及发展是导致隧道渗漏水、道床脱空的重要因素。地铁隧道服役过程中，由于外载荷的作用，既有裂缝处往往成为应力集中的关键部位，在外载荷的长期作用下，既有裂缝易产生开裂及扩展，进而引发整个结构的失稳破坏。因此，衬砌裂缝开裂并导致次生病害的发生已经成为城市轨道交通实现以安全高效运行为目标的可持续发展道路上的主要障碍之一。

2、目前，本领域主要以室内试验的方式，模拟结构裂缝动力作用下的破裂及扩展特征，这是监控及治理隧道裂缝病害的重要技术手段，而进行该研究的前提是制备具有裂隙的混凝土试件。

3、目前，对试验用混凝土试件进行裂隙加工，主要以水刀切割、金属刀盘切割或者预埋金属薄片为主。水刀切割能够形成分布在试样中心和端部的各种形态的裂隙，但水刀启动时会在试件上形成直径较大的圆孔，且形成的裂隙宽度不一，导致后续试验过程中在圆孔周围产生应力集中。同时，水刀切割形成裂隙宽度较大，对试验结果造成较大的不良影响，而且目前这些缺陷很难避免。金属刀盘切割方法仅仅可以制备由试件端部延伸的裂隙，不能在混凝土中心切割裂隙。预埋金属薄片能够制备各种形态、分布在任意部位上的裂隙，但预埋金属薄片将面临薄片拔出的问题，混凝土未凝固前拨出会造成裂隙被填补，混凝土初凝产生一定强度后，金属薄片难以拨出，强行拔出容易造成裂隙破裂及周边混凝土变形或产生孔洞，影响后续试验研究。

4、因此，如何高效可控地进行混凝土试件切割，获得精度更高、形态各异的裂隙一直是本领域的一个问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种混凝土中心裂隙的制备方法，也即一种在混凝土内部形成裂隙的方法，能够预制亚毫米级裂隙，且预制的裂隙在试件的横截面方向上为非贯通裂隙，预制裂缝宽度在0.3～1mm，裂隙宽度均匀，有效解决了混凝土裂隙宽度不均一且宽度较大等问题，制备的裂隙更全面，更能模拟实际工程。

2、所述混凝土中心裂隙的制备方法，包括以下步骤：

3、s100：组装可拆卸模具，所述模具由上至下包括上盖、可拆卸模具壳和下盖，将所述模具的可拆卸模具壳组装并安装在下盖上，形成模具腔室；

4、s200：将金刚砂线从上盖和下盖的通孔穿过，使得金刚砂线贯穿所述模具腔室；

5、s300：在所述模具腔室内灌注混凝土，再将上盖扣合在模具壳顶部；

6、s400：待混凝土试件养护完成后，利用金刚砂线在混凝土试件内部形成裂隙；

7、s500：拆除金刚砂线和模具壳，得到具有裂隙的混凝土试件。

8、可选的，步骤s100中，所述模具由上至下包括上盖、若干个可拆卸模具壳和下盖，用于在所述模具内预制混凝土试件；所述上盖和下盖均设有若干个通孔，且上盖和下盖的通孔一一对应，用于一条金刚砂线贯穿一个所述模具；所述金刚砂线的顶端位于所述上盖的上方，底端位于所述下盖的下方。

9、进一步可选的，所述模具壳包括左右两个半壳，两个半壳通过螺栓抱合固定，并形成圆柱形、立方体或圆盘形的模具壳。

10、在本发明的一个具体实施方式中，可拆卸模具壳的半壳的两侧边沿设有至少一对水平高度相同的固定耳，两个半壳对应位置的固定耳重叠，螺栓穿过固定耳上的螺孔固定两个半壳。

11、进一步可选的，所述半壳的内壁上设有若干个向所述模具壳内部凸出的固定体，用于金刚砂线切割时上盖、下盖脱离可拆卸模具壳后，混凝土试件依然能够通过所述固定体固定在模具壳内部，而不掉落；

12、所述固定体可以垂直于半壳内壁，也可以与半壳内壁倾斜设置，当固定体倾斜时，优选固定体向上倾斜；所述固定体可以为任意形状，例如圆柱形、立方体、球形、圆锥形、圆台形等。

13、可选的，所述模具壳的底部设有水平边沿，所述水平边沿向模具壳内部水平延伸，其作用与固定体相同。

14、可选的，所述上盖为方形，上盖的下表面设有圆形凹槽和方形凹槽，圆形凹槽和方形凹槽的宽度略大于与所述半壳的壁厚，用于辅助限制固定所述模具壳。

15、可选的，所述上盖的材质为透明树脂材料，便于观察模具内部的混凝土状态，下盖为钢质的，具有合适的刚度以支撑混凝土试件。

16、可选的，所述通孔的直径为0.5-1cm，不影响下盖对混凝土的支撑，灌注混凝土时，混凝土不会由通孔泄漏。

17、任选的，步骤s200中，所述金刚砂线的两端均连接在数控机床的执行端；步骤s400中，拆除所述上盖和下盖，数控机床的执行端带动金刚砂线运动，金刚砂线沿运动轨迹对混凝土试件进行切割，形成裂隙。

18、进一步可选的，步骤s200中，所述将金刚砂线从上盖和下盖的通孔穿过并贯穿所述模具腔室，当金刚砂线贯穿上盖和下盖对应位置的通孔时，金刚砂线竖直设置，形成的裂隙平行于混凝土试件的竖直方向；当金刚砂线贯穿上盖和下盖非对应位置的通孔时，金刚砂线为倾斜的，制备的裂隙与混凝土试样的竖直方向形成0°-90°任意角度的夹角，且切割裂隙的角度与设计角度无偏差。

19、可选的，所述金刚砂线的直径为0.3-1mm，制备的裂隙为亚毫米级，可满足各种试验需求。

20、可选的，步骤s400中，所述数控机床的执行端带动金刚砂线在混凝土试件内部运动，形成不贯穿混凝土试件横截面的裂隙，当金刚砂线处于模具壳的中心时，通过数控机床执行端的带动，能够形成中心分布的非贯通裂隙。

21、优选的，步骤s400中，在混凝土试件上表面的金刚砂线的贯穿处喷淋或灌注冷却水，防止在切割过程中，金刚砂线处发热过多而影响混凝土试件。

22、在本发明的一个具体实施方式中，步骤s100中，所述可拆卸模具由上至下包括上盖、一个可拆卸模具壳和下盖，模具壳包括左右两个半壳，抱合后形成一个圆柱体，下盖固定在模具壳的底部，形成模具腔室；步骤s300中，灌注混凝土，然后上盖固定在模具壳的顶部，所述圆形凹槽进一步对模具壳进行限位和固定；步骤s400中，对混凝土试件进行养护固化，固化后，拆除上、下盖，所述半壳内部的固定体和/或半壳底部的水平边沿支撑混凝土试件，防止其在切割过程中掉落。

23、在本发明的另一个具体实施方式中，步骤s100中，所述可拆卸模具由上至下包括上盖、两个可拆卸模具壳和下盖，每个模具壳都包括左右两个半壳，一个抱合后形成一个圆柱体，另一个抱合后形成一个长方体，下盖固定在两个模具壳的底部，形成两个模具腔室；步骤s200中，一条金刚砂线贯穿圆柱形模具壳对应的上下盖的通孔，另一条金刚砂线贯穿长方体模具壳对应的上下盖的通孔；步骤s300中，对两个模具壳分别灌注混凝土，然后上盖固定在两个模具壳的顶部，所述圆形凹槽和方形凹槽进一步对对应的模具壳进行限位和固定；步骤s400中，对两个混凝土试件进行养护固化，固化后，拆除上、下盖，所述半壳内部的固定体和/或半壳底部的水平边沿支撑对应的混凝土试件，防止其在切割过程中掉落，两条金刚砂线分别切割对应的混凝土试件。

24、可选的，所述模具还包括支撑架，所述支撑架包括主支架、第一辅支架和第二辅支架；

25、所述主支架包括上横梁、下横梁以及连接上横梁和下横梁的竖杆，上横梁和下横梁相互平行且水平设置，竖杆竖直设置；所述竖杆面向所述模具的一侧设有滑轨；上横梁的一端连接金刚砂线的顶端，另一端连接竖杆的顶端；下横梁的一端连接金刚砂线的底端，另一端连接竖杆的底端；

26、所述第一辅支架和第二辅支架均平行于上横梁，且设在上横梁和下横梁之间；第一辅支架的一端连接上盖，另一端通过第一滑块连接在竖杆的滑轨上；第二辅支架的一端连接下盖，另一端通过第二滑块连接在竖杆的滑轨上。

27、进一步可选的，所述竖杆的中部连接数控机床的执行端。

28、优选的，所述第一辅支架和第二辅支架均为套管结构，通过内外套管的伸缩改变第一辅支架和第二辅支架的长度，当金刚砂线倾斜切割混凝土试件时，安装或拆除上下盖时，能够使上下盖沿着倾斜的金刚砂线运动，而不会触碰金刚砂线。

29、本发明中，金刚砂线通过随数控机床的执行端移动而切割混凝土试件，所以需要拆除上下盖，避免将上下盖一起切割，但是金刚砂线是贯穿上下盖的，所以拆除上下盖时需要解除金刚砂线与执行端的连接，这样费时费力。本发明设计了所述支撑架，既能够充当金刚砂线与执行端之间的连接媒介，又能支撑上下盖，使上下盖沿着滑轨移动从而方便所述模具的组装和拆卸，无需拆卸金刚砂线，而且金刚砂线两端通过支撑架与一个执行端连接，使得金刚砂线两端的移动协调一致，减少误差。

30、以上技术方案在混凝土试件上形成的裂隙不贯通横截面，但是在竖直方向上贯穿混凝土试件。本发明在上述技术方案的基础，进一步提出了优选的技术方案，形成在竖直方向上也不贯穿混凝土试件的裂隙。

31、任选的，步骤s200具体包括以下步骤：

32、(1)将金刚砂线依次穿过下盖的通孔、预埋切割件的中心管和上盖的通孔，所述中心管向上延伸至模具壳的顶部；

33、(2)金刚砂线的一端连接驱动电机，另一端连接固定转轴；

34、(3)所述预埋切割件的若干个翼板按照需要形成的裂隙形状的要求，部分或全部伸出中心管，翼板部分处于所述模具腔室的内部。

35、步骤s300具体为，在所述模具腔室内灌注混凝土，同时保证中心管内不灌注混凝土，即中心管内部中空，中心管的顶端与混凝土试件的上表面齐平，再将上盖扣合在模具壳顶部。

36、步骤s400具体包括以下步骤：

37、(4)待混凝土试件养护完成后，所述翼板在混凝土内部形成裂隙；

38、(5)驱动电机驱动金刚砂线原地水平转动，以此带动翼板卷曲并收回所述中心管。

39、步骤s500具体包括以下步骤：

40、(6)拆除所述上盖，拆除金刚砂线，将金刚砂线带动所述预埋切割件从上方抽离出混凝土试件；

41、(7)使用混凝土填充所述中心管在混凝土试件内部遗留的空间，得到具有竖直方向上的非贯穿裂隙的混凝土试件。

42、可选的，所述预埋切割件包括中心管和若干个翼板，中心管内部中心设有卷绕筒，中心管表面设有若干个贯通缝隙，所述翼板的一端固定在卷绕筒的外表面，另一端能够由对应的贯通缝隙延伸出中心管，卷绕筒与中心管内壁之间具有空隙，用于容纳卷绕在卷绕筒外表面的翼板；

43、所述卷绕筒为中空的，金刚砂线贯穿卷绕筒内部，金刚砂线对应卷绕筒的位置设有连接部件，用于连接卷绕筒且能够带动卷绕筒旋转和上下运动。

44、可选的，所述连接部件可以是带有外螺纹的筒状部件，形状与卷绕筒内部空间相同，卷绕筒内壁设有与外螺纹对应的内螺纹，金刚砂线通过筒状部件螺纹连接在卷绕筒的内部，当步骤(5)中，金刚砂线水平转动以带动翼板卷曲并收回所述中心管时，金刚砂线的转动方向与筒状部件和卷绕筒相互旋紧的方向相同，这样才能使得金刚砂线转动时，筒状部件与卷绕筒不松脱。

45、可选的，所述连接部件也可以是带有卡接件的部件，形状与卷绕筒内部空间相同，卷绕筒内壁设有与卡接件对应的卡槽，金刚砂线通过该部件卡接连接在卷绕筒的内部。

46、可选的，步骤(1)中，金刚砂线贯穿所述中心管内部的卷绕筒，并通过连接部件与卷绕筒固定连接；步骤(3)中，金刚砂线在驱动电机的驱动下转动，并带动卷绕筒转动，放卷出符合要求的长度、数量的翼板。

47、可选的，步骤(7)中，使用混凝土从上方灌注到中心管在混凝土试件内部遗留的空间中，盖上上盖，根据该空间的体积计算混凝土的使用量，根据混凝土向下流动的流速，判断将所述模具壳转向水平放置的时间，避免模具壳一直竖直放置，混凝土填充形成的裂隙；所述模具壳水平放置，直至本步骤填充的混凝土养护成型。

48、本发明所述的预埋切割件通过内部卷绕筒的设计，使得若干个翼板可以伸出或收回中心管，在灌注混凝土之前，通过金刚砂线的转动带动卷绕筒转动，对翼板放卷，翼板通过所述贯通缝隙延伸出中心管。根据需要形成裂隙的长度，调整翼板伸出中心管的长度，根据需要形成裂隙的高度，制作对应高度的翼板，以及相应合适高度的预埋切割件，根据需要形成裂隙的数量，在中心管内预置相同数量的翼板，由此所述预埋切割件能够制备任何形状、长度、高度的裂隙。

49、本领域一直面临预埋件形成裂隙后取出的问题，传统的预埋件取出时将会造成新的裂隙。本技术将能够转动的金刚砂线和预埋切割件的结构相互配合，将形成裂隙的翼板收回中心管，再使用金刚砂线牵引，将预埋切割件抽出混凝土试件，使得因抽出预埋切割件而形成的多余空隙空间尽可能减小，再配合步骤(7)的混凝土回填多余空隙空间，在混凝土试件内部形成横纵方向上均不贯通的裂隙。由于金刚砂线极细，其在预埋切割件下方形成的单条裂隙可以忽略不计，或者用混凝土回填该裂隙。又由于金刚砂线的强度较高，在混凝土试件养护成型后，能够将预埋切割件顺利抽出，不会拉断而导致预埋切割件遗留在混凝土试件内部。

50、可选的，所述支撑架的上横梁对应金刚砂线顶端的位置设有驱动电机，下横梁对应金刚砂线底端的位置设有固定转轴。

51、当制作多个混凝土试件，使用多根金刚砂线时，所述上横梁对应若干根金刚砂线顶端的位置设有若干个驱动电机，下横梁对应若干根金刚砂线底端的位置设有若干个固定转轴，分别控制每根金刚砂线的转动，而上盖为一个，供所有模具壳使用。

52、可选的，所述竖杆的中部连接转动装置，用于控制所述模具的转动。所述转动装置优选为电机。

53、当需要制备倾斜的裂隙时，所述预埋切割件的倾斜角度不能使得所述中心管的顶端离开所述模具壳的水平上表面，即不能倾斜角度过大，使得中心管的顶端抵住模具壳侧壁。

54、可选的，步骤s200中，将金刚砂线提前浸润润滑油后，再贯穿所述模具腔室，预埋切割件的中心管和翼板外表面提前涂抹润滑油，有助于切割裂隙后抽离混凝土试件；步骤s300中，灌注混凝土之前，在模具壳内壁涂抹润滑油，有助于顺利脱模。

55、可选的，步骤s300中，在混凝土初凝时进行金刚砂线和/或预埋切割件的人工松动操作，上下拉拔金刚砂线和预埋切割件，以防后期拉拔困难。本发明所述制备方法使用的混凝土为各种配比和种类的混凝土。

56、可选的，步骤s500中，对得到的具有裂隙的混凝土试件，进行切割、磨平，得到满足后续力学测试要求的试样。