新材料下如何控制混凝土裂縫

(重慶工商大學 重慶 400067)

一、本研究項目的科學依據(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題，而人們也在不斷探索解決這一問題的方法。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)生活帶來巨大影響。而現(xiàn)行混凝土裂縫常見處理方法有表面修補法、灌漿嵌縫封堵法、結(jié)構(gòu)加固法、混凝土置換法、電化學防護法、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、開槽填補法和涂膜封閉法三種。

(二)選題的科學意義和應(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對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于建筑的應(yīng)用性，對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)和知識對課題中所涉內(nèi)容進行研究并最終應(yīng)用于現(xiàn)代混凝土建筑，對建筑的性能可產(chǎn)生革命性意義，故具備廣闊的應(yīng)用前景。

(三)國內(nèi)外研究概況，水平和發(fā)展展望

與國外相比，我國對混凝土收縮與徐變的研究工作起步較晚，在上世紀50-60年代的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中，主要是參考國外的有關(guān)數(shù)據(jù)，不能足以解決工程設(shè)計中的很多問題。在上世紀80年代末我國科技人員根據(jù)我國的原材料特點，進行了大量的試驗和研究工作，由中國建筑科學研究院混凝土研究所負責的“混凝土收縮與徐變的試驗研究”專題，是根據(jù)原建工總局科技局1982年建筑發(fā)展計劃的要求，組織天津大學等十個單位成立專題研究組，經(jīng)過三年多的努力，在資金缺乏、試驗條件差的情況下克服了各組苦難，按計劃地完成了試驗研究工作，取得了大量的規(guī)律性較好的可貴資料。

國外對混凝土早期開裂的問題研究較早，在20世紀30年代的北美一座壩體施工過程中，人們就已經(jīng)認識到大體積水工混凝土會因為水泥水化時放熱而產(chǎn)生明顯的溫升，并在隨后的降溫過程體積收縮受約束而出現(xiàn)開裂，開始采用摻火山灰的方法減少水化熱的影響；對于大面積結(jié)構(gòu)物因失水收縮產(chǎn)生的開裂，采用澆水、噴霧的方法來加以解決。歐共體國家進行的聯(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，早期力學性質(zhì)到現(xiàn)場實測方法等方面的研究，并提出了一套用于設(shè)計和施工階段控制早期混凝土裂縫的專家系統(tǒng)。

國內(nèi)外對因荷載作用引起的“荷載裂縫”展開了大量的研究工作，編制出規(guī)范中有關(guān)“荷載裂縫”方面的設(shè)計規(guī)定，在工程中發(fā)揮了較好的裂縫控制作用；而對因變形原因引起的“非荷載裂縫”則主要是在設(shè)計和施工中規(guī)定了一些構(gòu)造措施(如伸縮縫間距)來防止和減輕，所以對其發(fā)生發(fā)展機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)造措施的采用在實際工程中并不能有效地防止“非荷載裂縫”的發(fā)生。我國建設(shè)部曾將控制和防治結(jié)構(gòu)物裂縫的問題列入重點攻關(guān)計劃，但由于對“非荷載裂縫②”的機理研究的不夠深入，在我國新頒布實施的“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范”(GB50010-2002)中對防止“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解決。在此情況下，對工程常見的收縮變形裂縫展開進一步的深入研究是十分現(xiàn)實和迫切的。

(四)學術(shù)思想理論依據(jù)

1.表面修補法。該方法是一種常見的處理方法是,如果裂縫出現(xiàn)后對結(jié)構(gòu)承載力沒有影響就可以使用這種方法來處理。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,為了防止在處理過程裂縫的開裂問題加重，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整體結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生了影響,或者對防滲漏有很高要求的裂縫上,這種方法利用壓力設(shè)備,在混凝土的裂縫當中加入膠結(jié)材料,膠結(jié)材料進入裂縫后,會和混凝土結(jié)構(gòu)形成一個整體,從而實現(xiàn)對裂縫的封堵和加固。常用的膠結(jié)材料包括水泥漿、聚氨酯等化學材料。

3.嵌縫封堵。嵌縫封堵是當前最常用的一種裂縫封堵方法,該方法使用時需要沿著裂縫鑿槽,在槽中加入塑性或者剛性的防水材料,從而實現(xiàn)對裂縫的封堵,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，對材料范圍的深入探討。表面修補法和灌漿分別是從建筑材料本身入手，一內(nèi)一外對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，用嵌合的方法對裂縫進行封堵。

(五)特色或創(chuàng)新之處

在學術(shù)理論依據(jù)的前提下，通過不懈的查找，以創(chuàng)新的思維對上述三種解決辦法進行了大膽的改良，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,還還因為能夠降低夏季高溫天氣時的表面溫度而提高外墻外保溫系統(tǒng)的抗裂性。但實際上由于在達到節(jié)能50%的要求時所需要的板材厚度本來就很薄,因而應(yīng)用建筑反射隔熱涂料并不能取得直接的經(jīng)濟效益,實際中幾乎沒有此類配套構(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,若簡單地按照GB/T 25261-2010標準附錄中給出的計算結(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)

團隊通過反復(fù)討論，決定以第二種方法作為研究對象之一。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)外溫差引起的開裂，若假設(shè)成立，則可以將保溫砂漿比熱容較大的特點與團隊所選課題相結(jié)合，實行研究。

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

團隊通過反復(fù)斟酌，決定以這種新型材料——環(huán)氧樹脂來對混凝土裂縫的問題進行深入討論，根據(jù)該新型材料的彈性特性，大膽對其與混凝土裂縫的解決進行了科學假設(shè)。提出在混凝土澆筑的過程中以適當?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題。

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

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裂，斷層裂縫-伸縮縫裂縫。

“當這些裂縫出現(xiàn)在我們面前的時候，是不是很頭疼呢？目前為止，沒有什么絕對的材料能很好的修補這樣的裂縫。而市面上有很多裂縫修補材料，都說這樣那樣的好，把自己的修補料說的無所不能，誤導了很多客戶，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)出一種專門修補混凝土水泥路面裂縫的材料,水泥路面裂縫修補料”。

——混凝土水泥路面裂縫修補方案及修補材料(水泥路面裂縫修補劑)

在修補嵌縫方面投入大量精力，力圖實現(xiàn)材料創(chuàng)新和領(lǐng)域的對接，上述材料在混凝土路面有廣泛應(yīng)用，團隊對其進行大膽遷移，假設(shè)其在建筑混凝土裂縫修補的可行性，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、研究內(nèi)容與預(yù)期成果(說明研究項目的具體內(nèi)容并明確重點解決的科學問題，預(yù)期成果)

(一)研究內(nèi)容

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

2.根據(jù)數(shù)據(jù)分析形成較為嚴重的裂縫的原因。將原因分為多個不同板塊，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。找到大致的幾個方向之后，對于不同種類的裂縫需要采取不同的方案去修補裂縫或者避免裂縫的產(chǎn)生。

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

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

5.對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中來(如何在黏合裂縫上起到積極的作用)；

6.在實驗墻體裂縫中填入相關(guān)物質(zhì)后我們需要通過大量實驗對墻體的自身強度，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)計與分析；

7.對前期的數(shù)據(jù)庫和實驗結(jié)果分析進行參考對比，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；

2.在逐步實驗分析的過程中，建立一套實驗墻體填充方案以及修建實驗墻體；

3.在統(tǒng)計數(shù)據(jù)的過程中，建立一個墻體力學感應(yīng)系統(tǒng)，以便后期在實驗墻體上的檢測應(yīng)用；

4.在探究新材料性質(zhì)的過程中，完成對新材料的全面分析以及報告；

5.在大量實驗后，對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，自身強度等相關(guān)研究成果；

6.通過前期的研究能夠使墻體裂縫得到一個很好的解決，延長受損墻體的使用壽命和強度，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)本項目擬采用的研究方法

1.文獻分析法。根據(jù)本項目研究的主題，依靠網(wǎng)絡(luò)中的文獻資料、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，形成對研究對象的一般印象，進而了解事物全貌。

2.觀察法。對本次研究對象，選址進行實地考察，用輔助工具直接觀察研究對象，并通過拍照、筆記等方式做相應(yīng)記錄。

3.調(diào)查問卷法。綜合運用歷史法、觀察法等方法以及談話、問卷、個案研究、測驗等科學方式，對搜集材料、前期問題記錄，進行有計劃的、周密的和系統(tǒng)的了解，并對調(diào)查搜集到的大量資料進行分析、綜合、比較、歸納，從而提供規(guī)律性的知識。

4.層次分析法③。將決策問題按總目標、各層子目標、評價準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、簡潔的、實用的決策方法，系統(tǒng)且有科學依據(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，根據(jù)新知識產(chǎn)生出新穎而獨特的成果或產(chǎn)品，是一種高層次的科學研究活動。

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

(二)本項目擬采用的技術(shù)路線

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

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

3.通過層次分析法對所得信息進行全面分析，作出綜合評價，得出初步解決方案；

4.利用探索性研究法、實證研究法找尋解決問題所需的成果，后進行實驗驗證；

5.通過案例分析或者現(xiàn)實實驗考察方法的合理性、可實施性。

四、研究進度與安排

1、2019年4月，與指導老師進行課題討論，對混凝土裂縫的成因及補救措施進行深入了解；

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，并進行集中討論、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，研究當今新型建筑材料對混凝土產(chǎn)生裂縫的影響，并記錄工地對已產(chǎn)生裂縫的補救措施及效果；

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

5、2019年11月-2020年1月，對以保溫砂漿為保溫層的混凝土裂縫補救方法開展深入研究，并找尋合作工地進行試驗，記錄并分析實驗結(jié)果，進行進一步改良；

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

【注釋】

① 建筑物有經(jīng)濟壽命，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收之日起，至房屋構(gòu)件或主體結(jié)構(gòu)無法滿足正常安全的需求為止。

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

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