一种水工混凝土水力劈裂试验装置、混凝土制作模具及试验方法

技术领域

本发明涉及土木水利工程混凝土结构领域，适用于研究长期与水环境接触永久性的混凝土结构在应力—化学-渗流耦合作用下，其力学特性劣化的规律和机理，也可探讨混凝土试件在不同应力环境下水力劈裂的破坏规律及机理。本发明还提供所述应力-化学-渗流耦合作用下水工混凝土水压致裂的试验装置。

背景技术

随着我国水利事业快速发展及筑坝技术的提高，目前，我国仍有数量众多的在建的高混凝土坝，且坝高已超高200m。此类大体积混凝土结构由于施工工艺、温度及施工材料等的影响，混凝土初始裂缝不可避免，水库蓄水后在复杂应力和高渗压作用下极易使裂缝进一步扩展。同时，永久性水工混凝土结构服役的水环境是一种复杂的化学溶液，其成分含有Na⁺、Cl^-、H⁺等离子，侵蚀溶液侵蚀作用的累积效应将引起混凝土矿物成分和微观结构发生改变，这些改变更易发生在混凝土结构初始微裂缝处，从而引起混凝土物理力学特性的改变，影响水工混凝土结构使用寿命。因此，研究应力-渗流-化学耦合作用下水工混凝土水压致裂问题具有重要的工程理论和实践意义。

水力劈裂是含裂缝混凝土渗流-应力-化学耦合研究的一个方面，它反映的是在渗透水压力作用下混凝土的力学响应及结构变化。混凝土水力劈裂特性试验研究是研究水工混凝土稳定性及治理方法的一个重要手段。目前混凝土水力劈裂试验，研究重点偏于应力场与渗流场耦合作用下，混凝土的力学反应，并获得了大量的研究成果。关于渗流场、化学场及应力场三场耦合作用下混凝土水力劈裂试验方法较少，尚未形成系统。在实际工程中，永久性水工混凝土结构同时受到水的物理、化学及力学三者共同的作用，因此，有必要研制一种水工混凝土水力劈裂试验装置及方法，深入研究水工混凝土水力劈裂机理。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种水工混凝土水力劈裂试验装置及方法，研究含裂缝混凝土在不同水压力的化学溶液浸泡后，混凝土水力劈裂特性与不同围压、不同溶液浓度、不同渗压及不同轴向应力之间的关系，或者共同作用下水工混凝土裂缝劣化规律及劈裂机理。

为实现上述技术目的，本发明是通过以下技术方案实现：

一种水工混凝土水力劈裂试验装置，包括：

一压力室，压力室内固定和密封混凝土试样，压力室的侧壁上设有第一进水管、排水管、进气管、排气管；

一轴压柱，穿设于压力室的顶部中央位置，与压力室之间相对滑动密封连接；

一试样裂缝密封套，设置于压力室内的底部中央位置，用于将混凝土试样的底端固定，试样裂缝密封套的中心处设有和混凝土试样内部裂缝相连通的通孔；

第二进水管，设置于压力室的底部，和试样裂缝密封套中心处的通孔相连通；

第一液压加载系统，和第一进水管连接，用于向压力室内部灌注压力溶液；

第二液压加载系统，和第二进水管连接，用于向混凝土试样内部裂缝灌注压力溶液；

轴压加载系统，和所述轴压柱连接，用于对混凝土试样进行轴向力加载；

通风装置，和所述进气管连接，用于向压力室内部输入干燥气体；

控制器，和所述第一液压加载系统、第二液压加载系统、轴压加载系统以及通风装置控制连接；

所述第一进水管、第二进水管和进气管上均设有和控制器连接的电磁阀。

所述压力室的顶部设有可开合或关闭的盖体，所述盖体上设有与所述轴压柱间隙配合的轴孔，轴压柱外侧套一橡胶密封套，橡胶密封套外层涂抹一层润滑剂，实现与压力室之间滑动密封连接。

所述压力室的底部连接有一压力室底座，所述压力室底座上设有供第二进水管穿过的槽道，所述第二进水管依次穿过压力室底部、试样裂缝密封套中心处的通孔后与试样裂缝相连通。

所述压力室内部设有与进气管连通的通气管，通气管平行布置于混凝土试样的一侧，通气管的管壁上均匀设置通气孔。

一种混凝土试样制作模具，包括模具和裂缝预制件，所述模具由两半圆柱空腔通过螺栓连接固定；

所述裂缝预制件包括伸缩支架、裂缝成型管以及成缝钢片，其中，伸缩支架通过夹具可拆卸的连接在模具的上端，裂缝成型管一端与所述伸缩支架的中心处连接，裂缝成型管的另一端伸入模具内部并且伸入模具内的端部连接所述成缝钢片，裂缝成型管和成缝钢片上的缝隙相连通；伸缩支架上设有和所述裂缝成型管内部相连通的裂缝灌水口，并且所述裂缝成型管的轴线和模具的轴线共轴。

所述裂缝成型管为不锈钢管，所述不锈钢管的上端和所述伸缩支架螺纹连接，不锈钢管的下端和所述成缝钢片螺纹连接。

所述成缝钢片由上、下两片圆形钢片组成，在上钢片的底面设置一对凸起支撑，在下钢片的顶面对应位置设置一对凹坑，凸起支撑插设在凹坑中，上、下两片圆形钢片之间具有预制混凝土试样裂缝的间隙。

一种基于所述的水工混凝土水力劈裂试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

S1、制作混凝土试样，混凝土试样制作好后，放入标准养护室中养护28天，试验前，先对混凝土试样进行声波波速测试，剔除差异性较大的混凝土试样；

S2、将混凝土试样放入压力室内，试样裂缝密封套固定密封混凝土试样底端；密封完好后，同时开启第一管道和第二管道上的电磁阀，通过第一液压加载系统向压力室内加载侵蚀溶液，通过第二液压加载系统向混凝土试样预制裂缝内加载侵蚀溶液；

然后再通过轴压加载系统施加一定的轴向压力，以保证混凝土试样在整个化学溶液浸泡过程中均处于一定压力的侵蚀溶液环境；

S3、混凝土试样浸泡一定龄期后，停止加载轴向压力及侵蚀溶液，通过排水管排掉压力室内全部的侵蚀溶液，风干混凝土试样，将风干后的混凝土试样从压力室内取出；

S4、在风干后的混凝土试样的外部套接橡皮套后密封固定于压力室内，密封固定方法同步骤S2，开启第一管道上的电磁阀，对压力室内的混凝土试样施加围压；

S5、压力室围压加载至设定值，开启轴压加载系统通过轴压柱对混凝土试样缓慢施加轴压，轴压加载到试验设定值后，稳定轴压；

S6、稳定围压和轴压，开启第二管道上的电磁阀，对混凝土试样预制裂缝施加侵蚀溶液，进行应力-渗流-化学耦合作用下水工混凝土水力劈裂试验。

步骤S3中，混凝土试样风干的具体方法为：开启压力室上的排水管，将压力室内的侵蚀溶液全部排出后，开启与进气管连接的通风装置，干燥空气通过进气管进入压力室内部，经由通气管对混凝土试样进行风干，空气经过排气管排出压力室。

所述侵蚀溶液存储于由液压加载系统控制的电调压力泵中，电调压力泵中的侵蚀溶液为不同浓度、pH值的Na₂SO₄溶液或NaCl溶液。

本发明的有益效果：

采用上述技术方案，本发明可用于研究侵蚀溶液对水工混凝土变形及强度腐蚀效应，也可用于研究应力场-渗流场-化学场耦合作用下含裂缝混凝土劣化扩展破坏的机理，具体具有以下有益效果：

第一、改进了以往装置模拟水工混凝土水力劈裂过程未涉及化学腐蚀作用缺陷。采用该装置可进行经过一定水压力的侵蚀溶液腐蚀作用下水工混凝土物理力学特征的劣化效应试验研究。

第二、试件预制的裂缝有别于现有水工混凝土水力劈裂试验中采用的试件形式，现有的水力劈裂试件均采用立方体单面预制裂缝或空心厚壁圆柱体，虽然可用于研究水力劈裂问题，但整个裂缝所在界面无法实现真正的截面承受水压力与水工混凝土结构裂缝承受内水压力情况存在差异，而本发明采用的装置制作的试件能够准确模拟水工混凝土结构裂缝受内水压扩展规律。

第三、试验的轴压加载系统和液压加载系统相互独立，可以根据试验需要，开展不同应力场、化学场及渗流场组合工况下的水工混凝土试件水力劈裂试验研究。

第四、试验压力室底座的圆台状试样裂缝密封套由耐腐蚀性材料制成，具有良好的弹性，可延长渗径，增强混凝土试样低端在高水压侵蚀溶液侵蚀环境下的密封效果。

第五、试验压力室进气管与通风装置连接，可实现侵蚀溶液浸泡干湿循环作用后水工混凝土物理力学特征的劣化效应或水力劈裂试验研究。

第六、本发明轴压柱、压力室及伸缩支架均有耐腐蚀性和高强度材料制成，结构简单，使用方便，使用寿命较高。

附图说明

图1为本发明水工混凝土水力劈裂试验装置压力室的结构示意图；

图2为试样裂缝密封套结构示意图；

图3为裂缝预制件的结构示意图；

图4为橡皮套的结构示意图；

图5为模具的结构示意图；

图6为本发明水工混凝土水力劈裂试验装置的组装示意图；

其中：1、压力室顶盖；2、螺栓；3、轴压柱；4、通气管；5、压力室底座；6、第一进水管；7、控制阀；8、压力室；9、通孔；10、试样裂缝密封套；11、伸缩杆；12、夹具；14、裂缝成型管；15、进气管；16、成缝钢片；17、裂缝灌水口；18、模具；19、螺栓；20、排水管；21、伸缩支架；22、橡皮套；23、排气管；24、第二进水管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐释。

如图1~图6所示，本发明一种水工混凝土水力劈裂试验装置，包括：一压力室8，压力室8内固定和密封混凝土试样，压力室8的侧壁上设有：

第一进水管6、排水管20、进气管15以及排气管23；

一轴压柱3，穿设于压力室8的顶部中央位置，压力室8的顶部中央处设有与所述轴压柱3间隙配合的轴孔，轴压柱3外侧套一橡胶密封套，橡胶密封套外层涂抹一层润滑剂，实现与压力室8之间滑动密封连接，用于对混凝土试样进行轴向力加载；

一试样裂缝密封套10，设置于压力室8内的底部中央位置，用于将混凝土试样的底端固定及密封；试样裂缝密封套的中心处设有和混凝土试样内部裂缝相连通的通孔；

第二进水管24，设置于压力室的底部，和试样裂缝密封套中心处的通孔相连通；

第一液压加载系统，和第一进水管6连接，用于向压力室内部灌注压力溶液；

第二液压加载系统，和第二进水管24连接，用于向混凝土试样内部裂缝灌注压力溶液；

轴压加载系统，和所述轴压柱3连接，用于对混凝土试样进行轴向力加载；

通风装置，和所述进气管15连接，用于向压力室内部输入干燥气体；

控制器，和所述第一液压加载系统、第二液压加载系统、轴压加载系统以及通风装置控制连接；

所述第一进水管、第二进水管和进气管上均设有和控制器连接的电磁阀。

所述压力室的顶部设有可开合或关闭的盖体，所述盖体上设有供所述轴压柱滑动密封连接的孔。

本发明还进一步公开了一种混凝土试样制作模具，包括模具18和裂缝预制件，所述模具18由两半圆柱空腔通过螺栓连接固定，便于脱模，避免混凝土试样脱模破损。

所述裂缝预制件用于预制混凝土试件裂缝，包括伸缩支架21、裂缝成型管14以及成缝钢片16，其中，伸缩支架21通过夹具可拆卸的连接在模具18的上端，裂缝成型管14一端与所述伸缩支架21的中心处连接，裂缝成型管14的另一端伸入模具18内部并且伸入模具18内的端部连接所述成缝钢片16，裂缝成型管14和成缝钢片16上的缝隙相连通；伸缩支架21上设有和所述裂缝成型管14内部相连通的裂缝灌水口17，并且所述裂缝成型管14的轴线和模具18的轴线共轴。

所述通风装置与所述进气管15连接。

所述轴压加载系统与压力室顶部轴压柱3相配合，对所述压力室8内混凝土试样施加轴向压力。

所述液压加载系统分别与所述压力室第一进水管6和裂缝灌水口17连接，通过加载系统向压力室8和混凝土试样加载所需化学溶液。

所述侵蚀溶液为不同浓度、pH值Na₂SO₄溶液或NaCl溶液。

本发明进一步的提供一种模拟应力-渗流-化学耦合作用下水工混凝土水力劈裂的试验方法，所述方法包括如下步骤：

S1、制作混凝土试样，混凝土试样制作好后，放入标准养护室中养护28d，试验前，先对混凝土试样进行声波波速测试，剔除差异性较大的混凝土试样；

S2、将混凝土试样放入压力室内，试样裂缝密封套固定密封混凝土试样底端；密封完好后，同时开启第一管道和第二管道上的电磁阀，由液压加载系统向压力室和混凝土试样预制裂缝内加载侵蚀溶液，然后再通过轴压加载系统施加一定的轴向压力，以保证混凝土试样在整个化学溶液浸泡过程中均处于一定压力的侵蚀溶液环境；

S3、混凝土试样浸泡一定龄期后，停止加载轴向压力及侵蚀溶液，通过排水管排掉压力室内全部的侵蚀溶液，风干混凝土试样，将风干后的混凝土试样从压力室内取出；

S4、在风干后的混凝土试样的外部套接橡皮套后密封固定于压力室内，密封固定方法同步骤S2，开启第一管道上的电磁阀，对压力室内的混凝土试样施加围压；

S5、压力室围压加载至设定值，开启轴压加载系统通过轴压柱对混凝土试样缓慢施加轴压，轴压加载到试验设定值后，稳定轴压；

S6、稳定围压和轴压，开启第二管道上的电磁阀，对混凝土试样预制裂缝施加侵蚀溶液，进行应力-渗流-化学耦合作用下水工混凝土水力劈裂试验。

步骤S3中，混凝土试样风干的具体方法为：开启压力室上的排水管，将压力室内的侵蚀溶液全部排出后，开启与进气管连接的通风装置，干燥空气通过进气管进入压力室内部，经由通气管对混凝土试样进行风干，空气经过排气管排出压力室。

所述侵蚀溶液存储于由液压加载系统控制的电调压力泵中，电调压力泵中的侵蚀溶液为不同浓度、pH值的Na₂SO₄溶液或NaCl溶液。

以上较为详细地描述了本发明的实施方式，但是本发明并不限于上述具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。