新材料下如何控制混凝土裂缝

(重庆工商大学 重庆 400067)

一、本研究项目的科学依据及意义

(一)研究的现状分析

混凝土裂缝在现代较多建筑里是不可避免的问题，而人们也在不断探索解决这一问题的方法。混凝土裂缝是由于混凝土结构由于内外因素的作用而产生的物理结构变化，而裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因。在混凝土裂缝的作用下，房屋的整体性能下降，影响房屋理想寿命①，甚至给人们的生产生活带来巨大影响。而现行混凝土裂缝常见处理方法有表面修补法、灌浆嵌缝封堵法、结构加固法、混凝土置换法、电化学防护法、仿生自愈合法等等，其中灌浆嵌缝封堵法又可分为压力注浆法、开槽填补法和涂膜封闭法三种。

(二)选题的科学意义和应用前景

经收集整理混凝土裂缝的成因以及现有的解决办法，最终选择了“新材料下如何拯救混凝土裂缝”的课题。课题在现有解决方法的前提下以建筑新材料为中心展开对混凝土裂缝的解决方案的假设与讨论，积极探索日新月异的化工新材料对于建筑的应用性，对解决混凝土裂缝的解决具有一定意义。而基于该课题的假设，可结合现有的技术和知识对课题中所涉内容进行研究并最终应用于现代混凝土建筑，对建筑的性能可产生革命性意义，故具备广阔的应用前景。

(三)国内外研究概况，水平和发展展望

与国外相比，我国对混凝土收缩与徐变的研究工作起步较晚，在上世纪50-60年代的钢筋混凝土结构设计计算中，主要是参考国外的有关数据，不能足以解决工程设计中的很多问题。在上世纪80年代末我国科技人员根据我国的原材料特点，进行了大量的试验和研究工作，由中国建筑科学研究院混凝土研究所负责的“混凝土收缩与徐变的试验研究”专题，是根据原建工总局科技局1982年建筑发展计划的要求，组织天津大学等十个单位成立专题研究组，经过三年多的努力，在资金缺乏、试验条件差的情况下克服了各组苦难，按计划地完成了试验研究工作，取得了大量的规律性较好的可贵资料。

国外对混凝土早期开裂的问题研究较早，在20世纪30年代的北美一座坝体施工过程中，人们就已经认识到大体积水工混凝土会因为水泥水化时放热而产生明显的温升，并在随后的降温过程体积收缩受约束而出现开裂，开始采用掺火山灰的方法减少水化热的影响；对于大面积结构物因失水收缩产生的开裂，采用浇水、喷雾的方法来加以解决。欧共体国家进行的联合科研目Improved Production of Advanced Concrete Structures(IPACES)(1997-2001)研究了高性能混凝土从水泥水化，体积变形，早期力学性质到现场实测方法等方面的研究，并提出了一套用于设计和施工阶段控制早期混凝土裂缝的专家系统。

国内外对因荷载作用引起的“荷载裂缝”展开了大量的研究工作，编制出规范中有关“荷载裂缝”方面的设计规定，在工程中发挥了较好的裂缝控制作用；而对因变形原因引起的“非荷载裂缝”则主要是在设计和施工中规定了一些构造措施(如伸缩缝间距)来防止和减轻，所以对其发生发展机理函待更深入的研究并建立起有效的裂缝控制措施。一些构造措施的采用在实际工程中并不能有效地防止“非荷载裂缝”的发生。我国建设部曾将控制和防治结构物裂缝的问题列入重点攻关计划，但由于对“非荷载裂缝②”的机理研究的不够深入，在我国新颁布实施的“混凝土结构设计规范”(GB50010-2002)中对防止“非荷载裂缝”也未能取得明显突破，而将这一课题留待下一次修订时解决。在此情况下，对工程常见的收缩变形裂缝展开进一步的深入研究是十分现实和迫切的。

(四)学术思想理论依据

1.表面修补法。该方法是一种常见的处理方法是,如果裂缝出现后对结构承载力没有影响就可以使用这种方法来处理。通常的方法是在裂缝的表面涂抹水泥浆或者环氧胶泥,或者涂抹一些防腐材料如理清和油漆等等,为了防止在处理过程裂缝的开裂问题加重，可以在裂缝的表面粘贴玻璃纱布。

2.灌浆。灌浆法主要使用在对整体结构性能产生了影响,或者对防渗漏有很高要求的裂缝上,这种方法利用压力设备,在混凝土的裂缝当中加入胶结材料,胶结材料进入裂缝后,会和混凝土结构形成一个整体,从而实现对裂缝的封堵和加固。常用的胶结材料包括水泥浆、聚氨酯等化学材料。

3.嵌缝封堵。嵌缝封堵是当前最常用的一种裂缝封堵方法,该方法使用时需要沿着裂缝凿槽,在槽中加入塑性或者刚性的防水材料,从而实现对裂缝的封堵,常用的材料包括塑料油膏、丁基橡胶、聚合物水泥沙等等。

以上三种猜想是基于现有的有关混凝土裂缝解决办法，对材料范围的深入探讨。表面修补法和灌浆分别是从建筑材料本身入手，一内一外对新材料与混凝土裂缝的契合度分而论之。而第三种方法则从后期材料入手，用嵌合的方法对裂缝进行封堵。

(五)特色或创新之处

在学术理论依据的前提下，通过不懈的查找，以创新的思维对上述三种解决办法进行了大胆的改良，希望能够实现不同领域的技术对接，并最终使得现行的新型化工材料为混凝土裂缝的修补另辟蹊径。

1.表面修复剂：

(1)以保温板材为保温层

这种情况下作为保温层的保温板可以是模塑聚苯板、挤塑聚苯板和硬泡聚氨酯板等。在这类系统中,建筑反射隔热涂料的作用除了因涂膜产生的等效涂料热阻能够使保温板材的厚度减薄外,还还因为能够降低夏季高温天气时的表面温度而提高外墙外保温系统的抗裂性。但实际上由于在达到节能50%的要求时所需要的板材厚度本来就很薄,因而应用建筑反射隔热涂料并不能取得直接的经济效益,实际中几乎没有此类配套构造,至少在安徽省的情况是如此。

(2)以保温砂浆为保温层

在外墙保温砂浆-建筑反射隔热涂料系统中,若简单地按照GB/T 25261-2010标准附录中给出的计算结果,建筑反射隔热涂料产生的等效涂料热阻以南京地区为例为(0.16～0.20)(m2·K)/W,则可以将导热系数为0.07 W/(m·K)的保温砂浆厚度减薄(11.2～14.0)mm;将导热系数为0.085 W/(m·K)的保温砂浆厚度减薄(13.6～17.0)mm。若能够保证保温砂浆的质量并正确使用,该系统是适用于夏热冬暖地区应用的良好节能措施。

——中国知网(夏热冬冷地区建筑反射隔热涂料应用技术 薛黎明)

团队通过反复讨论，决定以第二种方法作为研究对象之一。保温砂浆的隔热作用可为夏热冬暖地区良好节能是否也可避免因温差因此的混凝土内外温差引起的开裂，若假设成立，则可以将保温砂浆比热容较大的特点与团队所选课题相结合，实行研究。

2.灌浆：采用聚乙二醇(PEG200)与环氧树脂E-51在自制的催化剂下反应，制得一种改良性环氧树脂，再配以活性稀释剂、胺类固化剂和促进剂等制得弹性较大的环氧树脂灌浆材料。在最佳配比时，改材料能够反复压缩到原长的50%而不会破坏，且该材料的粘接强度、剪切强度和拉伸强度达到了环氧灌浆材料行业标准的要求，适合变形较大的伸缩缝隙的补强加固。

团队通过反复斟酌，决定以这种新型材料——环氧树脂来对混凝土裂缝的问题进行深入讨论，根据该新型材料的弹性特性，大胆对其与混凝土裂缝的解决进行了科学假设。提出在混凝土浇筑的过程中以适当的配比添加该材料以提高混凝土弹性，避免大裂缝的形成，甚至彻底解决这一问题。

3.嵌缝封堵：混凝土水泥路面裂缝修补是当今建筑行业里难以解决的一个难题.当水泥路面裂缝出现在我们面前的时候,可能我们会有不同的解决方法,但是可能效果都不会如常所愿。

注：混凝土水泥路面裂缝有几张形态:

表面裂缝-混凝土路面从里而外开裂，断层裂缝-伸缩缝裂缝。

“当这些裂缝出现在我们面前的时候，是不是很头疼呢？目前为止，没有什么绝对的材料能很好的修补这样的裂缝。而市面上有很多裂缝修补材料，都说这样那样的好，把自己的修补料说的无所不能，误导了很多客户，使客户蒙受了巨大的损失。

我们公司专注研究混凝土水泥路面裂缝，从它的形成，形态，以及裂缝后期延伸，研究并生产出一种专门修补混凝土水泥路面裂缝的材料,水泥路面裂缝修补料”。

——混凝土水泥路面裂缝修补方案及修补材料(水泥路面裂缝修补剂)

在修补嵌缝方面投入大量精力，力图实现材料创新和领域的对接，上述材料在混凝土路面有广泛应用，团队对其进行大胆迁移，假设其在建筑混凝土裂缝修补的可行性，试图冷僻蹊径，找到基于相似领域技术及原材料的突破。

二、研究内容与预期成果(说明研究项目的具体内容并明确重点解决的科学问题，预期成果)

(一)研究内容

1.建立一个基础的数据库了解墙体各个部位裂缝产生的原因、形状、缝隙的宽度和深度；

2.根据数据分析形成较为严重的裂缝的原因。将原因分为多个不同板块，例如地基不均匀沉降引起的裂缝；温度变化引起的裂缝；原材料的配比不适引起的裂缝等等。找到大致的几个方向之后，对于不同种类的裂缝需要采取不同的方案去修补裂缝或者避免裂缝的产生。

3.找到问题过后，多角度分析问题，我们需要根据相关科学理论比如结构力学，复合材料力学，结构稳定理论等来寻求相应的解决办法；

4.对于已有的相关办法可学习借鉴，而我研究的主要对象在于新材料的利用及裂缝产生后的填充；

5.对于新型材料我们需查阅大量的相关资料，参考各种材料的不同特性，将其融入到我的课程研究当中来(如何在黏合裂缝上起到积极的作用)；

6.在实验墙体裂缝中填入相关物质后我们需要通过大量实验对墙体的自身强度，二次抗裂期限，结构的稳定性做一系列的数据统计与分析；

7.对前期的数据库和实验结果分析进行参考对比，已拟定最佳的解决方案。

(二)预期成果

1.建立和完善一套关于裂缝研究的基础数据库；

2.在逐步实验分析的过程中，建立一套实验墙体填充方案以及修建实验墙体；

3.在统计数据的过程中，建立一个墙体力学感应系统，以便后期在实验墙体上的检测应用；

4.在探究新材料性质的过程中，完成对新材料的全面分析以及报告；

5.在大量实验后，对新材料及新方法形成一套相关体系，体系包括填充墙体的使用期限，自身强度等相关研究成果；

6.通过前期的研究能够使墙体裂缝得到一个很好的解决，延长受损墙体的使用寿命和强度，裂缝墙体重生的希望。

三、拟采用的研究方法和技术路线

(一)本项目拟采用的研究方法

1.文献分析法。根据本项目研究的主题，依靠网络中的文献资料、相关专业的各类书籍，从相关研究中寻找有助于本课题研究的理论内容，形成对研究对象的一般印象，进而了解事物全貌。

2.观察法。对本次研究对象，选址进行实地考察，用辅助工具直接观察研究对象，并通过拍照、笔记等方式做相应记录。

3.调查问卷法。综合运用历史法、观察法等方法以及谈话、问卷、个案研究、测验等科学方式，对搜集材料、前期问题记录，进行有计划的、周密的和系统的了解，并对调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳，从而提供规律性的知识。

4.层次分析法③。将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的方案的顺序分解为不同的层次结构，面临一个由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统，层次分析法提供了一种新的、简洁的、实用的决策方法，系统且有科学依据的产生最优方案。

5.探索性研究法。利用已知的信息，探索、创造新知识，根据新知识产生出新颖而独特的成果或产品，是一种高层次的科学研究活动。

6.实证研究法。依据现有的科学理论和实践的需要，提出设计，利用科学仪器和设备，在自然条件下，通过有目的有步骤地操纵，根据观察、记录、测定与此相伴随的现象的变化来确定条件与现象之间的因果关系的活动。

(二)本项目拟采用的技术路线

1.通过文献分析法、观察法确定研究对象性质以及产生原由；

2.通过调查问卷法全面了解解决问题的已有途径，以及分析出目前存在漏洞；

3.通过层次分析法对所得信息进行全面分析，作出综合评价，得出初步解决方案；

4.利用探索性研究法、实证研究法找寻解决问题所需的成果，后进行实验验证；

5.通过案例分析或者现实实验考察方法的合理性、可实施性。

四、研究进度与安排

1、2019年4月，与指导老师进行课题讨论，对混凝土裂缝的成因及补救措施进行深入了解；

2、2019年5-6月，搜集 “新材料下如何拯救混凝土裂缝”的相关知识，并进行集中讨论、分析；

3、2019年7-9月，查阅不同省份、不同地区的施工工地的相关资料，研究当今新型建筑材料对混凝土产生裂缝的影响，并记录工地对已产生裂缝的补救措施及效果；

4、2019年10月，与老师集中讨论7-9月份的记录和研究成果，确定下一步重点研究的混凝土裂缝补救措施；

5、2019年11月-2020年1月，对以保温砂浆为保温层的混凝土裂缝补救方法开展深入研究，并找寻合作工地进行试验，记录并分析实验结果，进行进一步改良；

6、2019年2月，与老师进行研究交流与总结，确定最终的研究成果并完成研究报告。

【注释】

① 建筑物有经济寿命，自然寿命之分，这里是指房屋的理想自然寿命，即在理想状况下房屋从竣工验收之日起，至房屋构件或主体结构无法满足正常安全的需求为止。

② 非荷载裂缝，主要是由于化学变化，施工不当等并非由荷载引起的裂缝。

③ 层次分析法，简称AHP，是指将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。