新材料下如何控制混凝土裂縫

(重慶工商大學(xué) 重慶 400067)

一、本研究項(xiàng)目的科學(xué)依據(jù)及意義

(一)研究的現(xiàn)狀分析

混凝土裂縫在現(xiàn)代較多建筑里是不可避免的問(wèn)題，而人們也在不斷探索解決這一問(wèn)題的方法。混凝土裂縫是由于混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外因素的作用而產(chǎn)生的物理結(jié)構(gòu)變化，而裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)物承載能力、耐久性及防水性降低的主要原因。在混凝土裂縫的作用下，房屋的整體性能下降，影響房屋理想壽命①，甚至給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大影響。而現(xiàn)行混凝土裂縫常見(jiàn)處理方法有表面修補(bǔ)法、灌漿嵌縫封堵法、結(jié)構(gòu)加固法、混凝土置換法、電化學(xué)防護(hù)法、仿生自愈合法等等，其中灌漿嵌縫封堵法又可分為壓力注漿法、開(kāi)槽填補(bǔ)法和涂膜封閉法三種。

(二)選題的科學(xué)意義和應(yīng)用前景

經(jīng)收集整理混凝土裂縫的成因以及現(xiàn)有的解決辦法，最終選擇了“新材料下如何拯救混凝土裂縫”的課題。課題在現(xiàn)有解決方法的前提下以建筑新材料為中心展開(kāi)對(duì)混凝土裂縫的解決方案的假設(shè)與討論，積極探索日新月異的化工新材料對(duì)于建筑的應(yīng)用性，對(duì)解決混凝土裂縫的解決具有一定意義。而基于該課題的假設(shè)，可結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)和知識(shí)對(duì)課題中所涉內(nèi)容進(jìn)行研究并最終應(yīng)用于現(xiàn)代混凝土建筑，對(duì)建筑的性能可產(chǎn)生革命性意義，故具備廣闊的應(yīng)用前景。

(三)國(guó)內(nèi)外研究概況，水平和發(fā)展展望

與國(guó)外相比，我國(guó)對(duì)混凝土收縮與徐變的研究工作起步較晚，在上世紀(jì)50-60年代的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中，主要是參考國(guó)外的有關(guān)數(shù)據(jù)，不能足以解決工程設(shè)計(jì)中的很多問(wèn)題。在上世紀(jì)80年代末我國(guó)科技人員根據(jù)我國(guó)的原材料特點(diǎn)，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和研究工作，由中國(guó)建筑科學(xué)研究院混凝土研究所負(fù)責(zé)的“混凝土收縮與徐變的試驗(yàn)研究”專題，是根據(jù)原建工總局科技局1982年建筑發(fā)展計(jì)劃的要求，組織天津大學(xué)等十個(gè)單位成立專題研究組，經(jīng)過(guò)三年多的努力，在資金缺乏、試驗(yàn)條件差的情況下克服了各組苦難，按計(jì)劃地完成了試驗(yàn)研究工作，取得了大量的規(guī)律性較好的可貴資料。

國(guó)外對(duì)混凝土早期開(kāi)裂的問(wèn)題研究較早，在20世紀(jì)30年代的北美一座壩體施工過(guò)程中，人們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到大體積水工混凝土?xí)驗(yàn)樗嗨瘯r(shí)放熱而產(chǎn)生明顯的溫升，并在隨后的降溫過(guò)程體積收縮受約束而出現(xiàn)開(kāi)裂，開(kāi)始采用摻火山灰的方法減少水化熱的影響；對(duì)于大面積結(jié)構(gòu)物因失水收縮產(chǎn)生的開(kāi)裂，采用澆水、噴霧的方法來(lái)加以解決。歐共體國(guó)家進(jìn)行的聯(lián)合科研目Improved Production of Advanced Concrete Structures(IPACES)(1997-2001)研究了高性能混凝土從水泥水化，體積變形，早期力學(xué)性質(zhì)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法等方面的研究，并提出了一套用于設(shè)計(jì)和施工階段控制早期混凝土裂縫的專家系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)因荷載作用引起的“荷載裂縫”展開(kāi)了大量的研究工作，編制出規(guī)范中有關(guān)“荷載裂縫”方面的設(shè)計(jì)規(guī)定，在工程中發(fā)揮了較好的裂縫控制作用；而對(duì)因變形原因引起的“非荷載裂縫”則主要是在設(shè)計(jì)和施工中規(guī)定了一些構(gòu)造措施(如伸縮縫間距)來(lái)防止和減輕，所以對(duì)其發(fā)生發(fā)展機(jī)理函待更深入的研究并建立起有效的裂縫控制措施。一些構(gòu)造措施的采用在實(shí)際工程中并不能有效地防止“非荷載裂縫”的發(fā)生。我國(guó)建設(shè)部曾將控制和防治結(jié)構(gòu)物裂縫的問(wèn)題列入重點(diǎn)攻關(guān)計(jì)劃，但由于對(duì)“非荷載裂縫②”的機(jī)理研究的不夠深入，在我國(guó)新頒布實(shí)施的“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范”(GB50010-2002)中對(duì)防止“非荷載裂縫”也未能取得明顯突破，而將這一課題留待下一次修訂時(shí)解決。在此情況下，對(duì)工程常見(jiàn)的收縮變形裂縫展開(kāi)進(jìn)一步的深入研究是十分現(xiàn)實(shí)和迫切的。

(四)學(xué)術(shù)思想理論依據(jù)

1.表面修補(bǔ)法。該方法是一種常見(jiàn)的處理方法是,如果裂縫出現(xiàn)后對(duì)結(jié)構(gòu)承載力沒(méi)有影響就可以使用這種方法來(lái)處理。通常的方法是在裂縫的表面涂抹水泥漿或者環(huán)氧膠泥,或者涂抹一些防腐材料如理清和油漆等等,為了防止在處理過(guò)程裂縫的開(kāi)裂問(wèn)題加重，可以在裂縫的表面粘貼玻璃紗布。

2.灌漿。灌漿法主要使用在對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生了影響,或者對(duì)防滲漏有很高要求的裂縫上,這種方法利用壓力設(shè)備,在混凝土的裂縫當(dāng)中加入膠結(jié)材料,膠結(jié)材料進(jìn)入裂縫后,會(huì)和混凝土結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的封堵和加固。常用的膠結(jié)材料包括水泥漿、聚氨酯等化學(xué)材料。

3.嵌縫封堵。嵌縫封堵是當(dāng)前最常用的一種裂縫封堵方法,該方法使用時(shí)需要沿著裂縫鑿槽,在槽中加入塑性或者剛性的防水材料,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的封堵,常用的材料包括塑料油膏、丁基橡膠、聚合物水泥沙等等。

以上三種猜想是基于現(xiàn)有的有關(guān)混凝土裂縫解決辦法，對(duì)材料范圍的深入探討。表面修補(bǔ)法和灌漿分別是從建筑材料本身入手，一內(nèi)一外對(duì)新材料與混凝土裂縫的契合度分而論之。而第三種方法則從后期材料入手，用嵌合的方法對(duì)裂縫進(jìn)行封堵。

(五)特色或創(chuàng)新之處

在學(xué)術(shù)理論依據(jù)的前提下，通過(guò)不懈的查找，以創(chuàng)新的思維對(duì)上述三種解決辦法進(jìn)行了大膽的改良，希望能夠?qū)崿F(xiàn)不同領(lǐng)域的技術(shù)對(duì)接，并最終使得現(xiàn)行的新型化工材料為混凝土裂縫的修補(bǔ)另辟蹊徑。

1.表面修復(fù)劑：

(1)以保溫板材為保溫層

這種情況下作為保溫層的保溫板可以是模塑聚苯板、擠塑聚苯板和硬泡聚氨酯板等。在這類系統(tǒng)中,建筑反射隔熱涂料的作用除了因涂膜產(chǎn)生的等效涂料熱阻能夠使保溫板材的厚度減薄外,還還因?yàn)槟軌蚪档拖募靖邷靥鞖鈺r(shí)的表面溫度而提高外墻外保溫系統(tǒng)的抗裂性。但實(shí)際上由于在達(dá)到節(jié)能50%的要求時(shí)所需要的板材厚度本來(lái)就很薄,因而應(yīng)用建筑反射隔熱涂料并不能取得直接的經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)際中幾乎沒(méi)有此類配套構(gòu)造,至少在安徽省的情況是如此。

(2)以保溫砂漿為保溫層

在外墻保溫砂漿-建筑反射隔熱涂料系統(tǒng)中,若簡(jiǎn)單地按照GB/T 25261-2010標(biāo)準(zhǔn)附錄中給出的計(jì)算結(jié)果,建筑反射隔熱涂料產(chǎn)生的等效涂料熱阻以南京地區(qū)為例為(0.16～0.20)(m2·K)/W,則可以將導(dǎo)熱系數(shù)為0.07 W/(m·K)的保溫砂漿厚度減薄(11.2～14.0)mm;將導(dǎo)熱系數(shù)為0.085 W/(m·K)的保溫砂漿厚度減薄(13.6～17.0)mm。若能夠保證保溫砂漿的質(zhì)量并正確使用,該系統(tǒng)是適用于夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用的良好節(jié)能措施。

——中國(guó)知網(wǎng)(夏熱冬冷地區(qū)建筑反射隔熱涂料應(yīng)用技術(shù) 薛黎明)

團(tuán)隊(duì)通過(guò)反復(fù)討論，決定以第二種方法作為研究對(duì)象之一。保溫砂漿的隔熱作用可為夏熱冬暖地區(qū)良好節(jié)能是否也可避免因溫差因此的混凝土內(nèi)外溫差引起的開(kāi)裂，若假設(shè)成立，則可以將保溫砂漿比熱容較大的特點(diǎn)與團(tuán)隊(duì)所選課題相結(jié)合，實(shí)行研究。

2.灌漿：采用聚乙二醇(PEG200)與環(huán)氧樹(shù)脂E-51在自制的催化劑下反應(yīng)，制得一種改良性環(huán)氧樹(shù)脂，再配以活性稀釋劑、胺類固化劑和促進(jìn)劑等制得彈性較大的環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料。在最佳配比時(shí)，改材料能夠反復(fù)壓縮到原長(zhǎng)的50%而不會(huì)破壞，且該材料的粘接強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度達(dá)到了環(huán)氧灌漿材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，適合變形較大的伸縮縫隙的補(bǔ)強(qiáng)加固。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)反復(fù)斟酌，決定以這種新型材料——環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)對(duì)混凝土裂縫的問(wèn)題進(jìn)行深入討論，根據(jù)該新型材料的彈性特性，大膽對(duì)其與混凝土裂縫的解決進(jìn)行了科學(xué)假設(shè)。提出在混凝土澆筑的過(guò)程中以適當(dāng)?shù)呐浔忍砑釉摬牧弦蕴岣呋炷翉椥裕苊獯罅芽p的形成，甚至徹底解決這一問(wèn)題。

3.嵌縫封堵：混凝土水泥路面裂縫修補(bǔ)是當(dāng)今建筑行業(yè)里難以解決的一個(gè)難題.當(dāng)水泥路面裂縫出現(xiàn)在我們面前的時(shí)候,可能我們會(huì)有不同的解決方法,但是可能效果都不會(huì)如常所愿。

注：混凝土水泥路面裂縫有幾張形態(tài):

表面裂縫-混凝土路面從里而外開(kāi)裂，斷層裂縫-伸縮縫裂縫。

“當(dāng)這些裂縫出現(xiàn)在我們面前的時(shí)候，是不是很頭疼呢？目前為止，沒(méi)有什么絕對(duì)的材料能很好的修補(bǔ)這樣的裂縫。而市面上有很多裂縫修補(bǔ)材料，都說(shuō)這樣那樣的好，把自己的修補(bǔ)料說(shuō)的無(wú)所不能，誤導(dǎo)了很多客戶，使客戶蒙受了巨大的損失。

我們公司專注研究混凝土水泥路面裂縫，從它的形成，形態(tài)，以及裂縫后期延伸，研究并生產(chǎn)出一種專門修補(bǔ)混凝土水泥路面裂縫的材料,水泥路面裂縫修補(bǔ)料”。

——混凝土水泥路面裂縫修補(bǔ)方案及修補(bǔ)材料(水泥路面裂縫修補(bǔ)劑)

在修補(bǔ)嵌縫方面投入大量精力，力圖實(shí)現(xiàn)材料創(chuàng)新和領(lǐng)域的對(duì)接，上述材料在混凝土路面有廣泛應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行大膽遷移，假設(shè)其在建筑混凝土裂縫修補(bǔ)的可行性，試圖冷僻蹊徑，找到基于相似領(lǐng)域技術(shù)及原材料的突破。

二、研究?jī)?nèi)容與預(yù)期成果(說(shuō)明研究項(xiàng)目的具體內(nèi)容并明確重點(diǎn)解決的科學(xué)問(wèn)題，預(yù)期成果)

(一)研究?jī)?nèi)容

1.建立一個(gè)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)了解墻體各個(gè)部位裂縫產(chǎn)生的原因、形狀、縫隙的寬度和深度；

2.根據(jù)數(shù)據(jù)分析形成較為嚴(yán)重的裂縫的原因。將原因分為多個(gè)不同板塊，例如地基不均勻沉降引起的裂縫；溫度變化引起的裂縫；原材料的配比不適引起的裂縫等等。找到大致的幾個(gè)方向之后，對(duì)于不同種類的裂縫需要采取不同的方案去修補(bǔ)裂縫或者避免裂縫的產(chǎn)生。

3.找到問(wèn)題過(guò)后，多角度分析問(wèn)題，我們需要根據(jù)相關(guān)科學(xué)理論比如結(jié)構(gòu)力學(xué)，復(fù)合材料力學(xué)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論等來(lái)尋求相應(yīng)的解決辦法；

4.對(duì)于已有的相關(guān)辦法可學(xué)習(xí)借鑒，而我研究的主要對(duì)象在于新材料的利用及裂縫產(chǎn)生后的填充；

5.對(duì)于新型材料我們需查閱大量的相關(guān)資料，參考各種材料的不同特性，將其融入到我的課程研究當(dāng)中來(lái)(如何在黏合裂縫上起到積極的作用)；

6.在實(shí)驗(yàn)墻體裂縫中填入相關(guān)物質(zhì)后我們需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)墻體的自身強(qiáng)度，二次抗裂期限，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做一系列的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析；

7.對(duì)前期的數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析進(jìn)行參考對(duì)比，已擬定最佳的解決方案。

(二)預(yù)期成果

1.建立和完善一套關(guān)于裂縫研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；

2.在逐步實(shí)驗(yàn)分析的過(guò)程中，建立一套實(shí)驗(yàn)墻體填充方案以及修建實(shí)驗(yàn)墻體；

3.在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，建立一個(gè)墻體力學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)，以便后期在實(shí)驗(yàn)墻體上的檢測(cè)應(yīng)用；

4.在探究新材料性質(zhì)的過(guò)程中，完成對(duì)新材料的全面分析以及報(bào)告；

5.在大量實(shí)驗(yàn)后，對(duì)新材料及新方法形成一套相關(guān)體系，體系包括填充墻體的使用期限，自身強(qiáng)度等相關(guān)研究成果；

6.通過(guò)前期的研究能夠使墻體裂縫得到一個(gè)很好的解決，延長(zhǎng)受損墻體的使用壽命和強(qiáng)度，裂縫墻體重生的希望。

三、擬采用的研究方法和技術(shù)路線

(一)本項(xiàng)目擬采用的研究方法

1.文獻(xiàn)分析法。根據(jù)本項(xiàng)目研究的主題，依靠網(wǎng)絡(luò)中的文獻(xiàn)資料、相關(guān)專業(yè)的各類書籍，從相關(guān)研究中尋找有助于本課題研究的理論內(nèi)容，形成對(duì)研究對(duì)象的一般印象，進(jìn)而了解事物全貌。

2.觀察法。對(duì)本次研究對(duì)象，選址進(jìn)行實(shí)地考察，用輔助工具直接觀察研究對(duì)象，并通過(guò)拍照、筆記等方式做相應(yīng)記錄。

3.調(diào)查問(wèn)卷法。綜合運(yùn)用歷史法、觀察法等方法以及談話、問(wèn)卷、個(gè)案研究、測(cè)驗(yàn)等科學(xué)方式，對(duì)搜集材料、前期問(wèn)題記錄，進(jìn)行有計(jì)劃的、周密的和系統(tǒng)的了解，并對(duì)調(diào)查搜集到的大量資料進(jìn)行分析、綜合、比較、歸納，從而提供規(guī)律性的知識(shí)。

4.層次分析法③。將決策問(wèn)題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則直至具體的方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，面臨一個(gè)由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，層次分析法提供了一種新的、簡(jiǎn)潔的、實(shí)用的決策方法，系統(tǒng)且有科學(xué)依據(jù)的產(chǎn)生最優(yōu)方案。

5.探索性研究法。利用已知的信息，探索、創(chuàng)造新知識(shí)，根據(jù)新知識(shí)產(chǎn)生出新穎而獨(dú)特的成果或產(chǎn)品，是一種高層次的科學(xué)研究活動(dòng)。

6.實(shí)證研究法。依據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)理論和實(shí)踐的需要，提出設(shè)計(jì)，利用科學(xué)儀器和設(shè)備，在自然條件下，通過(guò)有目的有步驟地操縱，根據(jù)觀察、記錄、測(cè)定與此相伴隨的現(xiàn)象的變化來(lái)確定條件與現(xiàn)象之間的因果關(guān)系的活動(dòng)。

(二)本項(xiàng)目擬采用的技術(shù)路線

1.通過(guò)文獻(xiàn)分析法、觀察法確定研究對(duì)象性質(zhì)以及產(chǎn)生原由；

2.通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷法全面了解解決問(wèn)題的已有途徑，以及分析出目前存在漏洞；

3.通過(guò)層次分析法對(duì)所得信息進(jìn)行全面分析，作出綜合評(píng)價(jià)，得出初步解決方案；

4.利用探索性研究法、實(shí)證研究法找尋解決問(wèn)題所需的成果，后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；

5.通過(guò)案例分析或者現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)考察方法的合理性、可實(shí)施性。

四、研究進(jìn)度與安排

1、2019年4月，與指導(dǎo)老師進(jìn)行課題討論，對(duì)混凝土裂縫的成因及補(bǔ)救措施進(jìn)行深入了解；

2、2019年5-6月，搜集 “新材料下如何拯救混凝土裂縫”的相關(guān)知識(shí)，并進(jìn)行集中討論、分析；

3、2019年7-9月，查閱不同省份、不同地區(qū)的施工工地的相關(guān)資料，研究當(dāng)今新型建筑材料對(duì)混凝土產(chǎn)生裂縫的影響，并記錄工地對(duì)已產(chǎn)生裂縫的補(bǔ)救措施及效果；

4、2019年10月，與老師集中討論7-9月份的記錄和研究成果，確定下一步重點(diǎn)研究的混凝土裂縫補(bǔ)救措施；

5、2019年11月-2020年1月，對(duì)以保溫砂漿為保溫層的混凝土裂縫補(bǔ)救方法開(kāi)展深入研究，并找尋合作工地進(jìn)行試驗(yàn)，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行進(jìn)一步改良；

6、2019年2月，與老師進(jìn)行研究交流與總結(jié)，確定最終的研究成果并完成研究報(bào)告。

【注釋】

① 建筑物有經(jīng)濟(jì)壽命，自然壽命之分，這里是指房屋的理想自然壽命，即在理想狀況下房屋從竣工驗(yàn)收之日起，至房屋構(gòu)件或主體結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足正常安全的需求為止。

② 非荷載裂縫，主要是由于化學(xué)變化，施工不當(dāng)?shù)炔⒎怯珊奢d引起的裂縫。

③ 層次分析法，簡(jiǎn)稱AHP，是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。