（土木工程专业论文）混凝土结构裂纹分析与渗透型结构胶加固技术工程应用研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 混凝土工程的开裂问题、耐久性的问题一直是混凝土材料研究领域中的热点， 而各种开裂是导致目前混凝土结构耐久性差的主要原因。目前，混凝土裂缝的修 补方法有多种，本文研究的对象是一种以低粘度环氧树脂为基料，添加稀释剂、 固化剂等助剂，制备的新型的低粘度环氧结构胶一渗透型结构胶。这种结构胶适 用于桥梁、道路、港1 ：3 、房屋、工业厂房等结构的加固修复，可提高结构强度和 耐久性。 本文从材料方面、施工方面、结构与外力方面、环境方面、建筑物的使用和 管理等方面详细分析了混凝土裂缝产生的原因。采用宏观和微观相结合的方法， 研究了渗透型结构胶的性能；利用直接比较法、优水平法、极差分析法、趋势图 分析法研究了渗透型结构胶各组分对结构胶的粘度、抗压强度和抗拉强度等性能 的影响，确定了渗透型结构胶的最佳配方。最佳结构胶用量确定为：固化剂用量 为5 0 左右，活性稀释剂的最佳用量为1 0 1 5 ，促进剂的用量为0 5 1 0 9 6 。 研究结果表明：渗透型结构胶的粘度低( 2 0 0 m p a s - 3 0 0 0 m p a s ) 、强度高( 抗压 强度 一6 0 m p a ，拉伸强度l o m p a ) ，无需压力即可修补0 1 m m 以下的混凝土裂缝。 本文对我市的具体工程实例出现的裂缝原因进行分析，将渗透型结构胶应用到具 体房建工程中对裂缝进行了修复加固，简便快捷，经济合理，能满足建筑物正常 使用要求。 通过以上研究和理论分析，解决了建筑结构胶必须压力灌浆，施工复杂的技 术难题，提出了一种混凝土裂缝无压力修补新技术一渗透型结构胶技术的施工方 法，为简化混凝土裂缝压力灌浆技术及渗透型结构胶技术的工程应用奠定了必要 的理论依据和试验基础。 关键词混凝土结构；裂缝；渗透型结构胶；混凝土加固；低粘度环氧树脂；无压 力灌浆；工程应用 重量堡三銮耋三茎蝥圭主堡笙兰 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fc o n c r e t ec r a c k sa n dd u r a b i l i t yi sah o t s p o ta 1 1t h et i m ei nt h e d i s t r i c to fc o n c r e t em a t e r i a l c o n c r e t ec m c k sa r et h em a i ni m p o r t a n tr e a s o nf o r d e t e r i o r a t i n gt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e a tp r e s e n t ，t h e r ea r ek i n d so fm e t h o d st or e p a i r c o n c r e t ec r a k s t h eo b j e c to ft h i s p a p e ri s l o wv i s c o s i t ye x p ya d h e n s i v e ，n a m e l y p e r m e a n ta d h e u s i v e ，w h i c hh a sl o wv i s c o s i t ye x p yr e s i na sb a s i cm a t e r i a l ，i sa p p e n d e d b yc u r i n ga g e n ta n dr e a c t i v ed i l u e n t ，a n di sp r e p a r e db yn e wm e t h o d t h i sa d h e n s i v ei s s u i t a b l et or e p a i ra n ds t r e n g t h e nb r i d g e 、r o a d s 、p o r t 、b u i l d i n ga n di n d u s t r yw o r k s h o p ， a n dc a l le n h a n c et h es t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yo f c o n c r e t e t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r o p e r t i e so fp e r m e a n ta d h e n s i v et h r o u t hc o m b i n i n gm a c r o a n dm i c r om e t h o d s i ts t u d i e st h ei n f l u e n c eo f e v e r yc o m p o s i t i o no f p e r m e a n ta d h e n s i v e t ot h ev i s c o s i t y , c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t e n s i v es t r e n g t hu s i n gc o m p a r a s i o nm e t h o d , b e s t l e v e lm e t h o d ，m u l t i p l er a n g em e t h o d ，c u r r e n tp i c t u r em e t h o d t h e n , t h eb e s td o s a g eo f p e r m e a n ta d h e u s i v ei sm a d es u r e t h eb e s td o s a g eo fa d h e n s i v ei st h e5 0 o fc u r i n g a g e n t 、1 0 1 5 o f r e a c t i v ed i l u e n ta n do 5 1 o o f a c c e l e r a t o r t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ev i s c o s i t yo ft h ep e r m e a n ta d h e n s i v ei sl o wa b o u t2 0 0 m p a s 3 0 0 0 m p a s ，t h e s t r e n g t ho ft h ep e r m e a n ta d h e n s i v ei sh i g h ( c o m p r e s s i v es t r e n g t h 一6 0 m p a , t e n s i v e s t r e n g t h 1 0 m p a ) ，a n dt h ea d b e n s i v ec a nr e p a i rt h ec r a c k sl e s st h a n0 1 m mv e r yw e l l u n d e rn o n p r e s s m t h i sp a p e r a n a l y z e st h ec r a c k sr e a s o u so fe n g i n e e r i n ge x a m p l e si n 0 1 1 1 c i t y p e r m e a n ta d h e n s i v ei sa p p l i e di np r a c t i c a lb u i l d i n ge n g i n e e r i n g st or e p a i r c r a c k s t h i sw a yi se a s y , e c o n o m i c a l ，a n dc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f b u i l d i n g t h ea b o v et e s ts t u d ya n dt h e o r e t i ca n a l y s i ss o l v et h et e c h n i q u ep r o b l e mt h a t b u i l d i n ga d h e u s i v em u s tb eg r o u t e db yp r e s s u r e ，a n dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ei s c o m p l i c a t e d t h e yp r o v i d et h et h e o r e t i ca n de x p e r i m e n tf o u n d a t i o nf o rs i m p l i n gt h e p r e s s u r eg r o u t i n gt e c h n i q u eo f t h ec o n c r e t er e p a i r e da n dt h ea p p l i c a t i o no nt h ep e r m e a n t a d h e n s i v e k e yw o r d s ：c o n c r e t es t r u c t u r e ；c r a c k s ；p e r m e a n ta d h e n s i v e ；c o n c r e t es t r e n g t l l e n ；l o w v i s c o s i t ye p o x yr e s i n ；n o n p r e s s t t r eg r o u t i n g ；e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 2 青岛理工大学t 程硕卜学位论文 第1 章绪论 i 1 研究的必要性 随着国民经济和建筑业的蓬勃发展，混凝土结构以其良好的美观性、抗压性能和耐 久性广泛地应用于工程结构之中，混凝土已成为最广泛使用的建筑结构材料。以往工程 中都比较重视混凝土的强度而容易忽视混凝土的耐久性。但试验和应用都表明，混凝土 在使用过程中，受到土壤、水和空气中有害介质的侵蚀或混凝土本身组成材料有害成分 的化学及物理作用，会产生开裂、溶蚀、剥落、膨胀、松软及强度等级下降等现象，在 工程中也暴露出弊端，小则影响美观且给用户造成不安全感，大则影响结构使用寿命或 结构物的破坏和倒塌。随着我国商品混凝土和高强混凝土的推广应用，混凝土的耐久性 和安全性已受到越来越广泛的关注。 混凝土耐久性是全世界关注的课题。目前，混凝土结构开裂的现象普遍存在，裂缝 导致结构持久承载力和建筑正常使用功能的降低，是混凝土耐久性降低的主要原因之 一。对混凝土结构裂纹产生的原因进行分析研究，是耐久性研究与防护的重要步骤，在 此基础上可以采取合适的措施进行加固与修复。结构胶加固技术是现有混凝土加固技术 中的常用技术之一，该技术采用环氧结构胶压力灌浆，存在环氧胶粘剂粘度高、韧性较 低、且必须采用压力注浆法施工、施工复杂等问题。本课题采用理论与实践相结合的方 法，在对混凝土结构裂纹原因进行系统地理论研究分析的基础上，针对具体工程，对渗 透型结构胶加固技术进行系统的工程应用研究，解决混凝土开裂导致的耐久性降低问 题。因此，本课题的研究是十分必要和迫切的。 混凝土的裂缝，长期以来一直是学术界和工程界所研究的一个重要课题。近年来， 尽管混凝土从原材料控制、配合比计量控制以及施工技术等均有了空前的提高，但混凝 土的裂缝却屡见不鲜，成了不可避免的事，真可谓是没有不裂的混凝土，也使得裂缝修 复工作日益显示出其重要性。本文认为，裂缝修复的研究和实践应当紧扣实际情况进行， 通过对混凝土裂缝的主要形式、特征及主要影响因素进行分析，以期对混凝土裂缝的防 治及修补提供有利的参考。 提高混凝土的耐久性对于当前实现可持续发展战略，更好地利用资源、节约能源和 保护环境，都具有十分重要的意义。本文着重从原料的生产和使用层面上分析影响混凝 青岛理下大学t 程硕 学位论文 土耐久性的因素及原因，有助于我们更新观念，从耐久性的角度评价水泥和混凝土的质 量。 1 2 研究现状及存在问题 1 2 1 国内外研究应用现状 以高分子合成材料为主要组分的建筑胶粘剂虽然已有较长的发展历史，但用于建筑 结构的构件粘接、水利水电工程加固修补以及新老建筑改造的建筑结构胶粘剂的问世与 应用，只是近4 0 年的事情。5 0 年代初，环氧树脂己获得广泛应用，美国首先用环氧树 脂结构胶对公路路面进行快速修复。6 0 年代，一些发达国家已将建筑结构胶广泛应用于 公路、桥梁、机场跑道等工程中，以及用于水利工程和军事设施的加固。7 0 年代，各类 性能优良的建筑结构胶相继出现，并将其应用领域扩大到更多的方面，如桥桩的基础施 工、高层建筑及公路桥等的加固、修复，用以提高建筑物的承载能力。例如：澳大利亚 著名的超级现代歌剧院将建筑胶用于屋盖的拼装粘接是建筑结构胶应用的经典。8 0 年 代，建筑结构胶的应用更为普遍，如：英国用建筑结构胶将6 3 m m 厚的钢板粘接于一座 公路桥面与侧面，使这座原来限载量l l o t 的桥通过了5 0 0 t 的载重卡车。进入9 0 年代 以来，应用更加普遍，如：日本的阪神大地震后，其损坏桥梁的钢筋混凝土柱及梁等， 均大量使用环氧结构胶( 乳液双组分型) 进行加固、修复；其胶种亦日益丰富，除粘接用 外还有锚固用、灌注用和堵漏用等，使建筑结构胶在建筑胶粘剂的发展中更具重要的地 位。与此同时，一些国家在普遍应用的基础上，一方面加强了粘接构件承载性能与行为 的研究，如：英国的运输与道路研究所、莫斯科建工学院等均进行过梁的加固试验，另 一方面又使施工规范化，美国、日本都制定了建筑结构胶的施工质量标准或施工规范， 使胶粘剂又得到了新的发展。 国内外目前正在开发粘度低、粘接性好、耐腐蚀、具阻燃性和耐热性好的、可低温 固化、高温使用的环氧胶粘剂，市场上陆续出现了增韧环氧胶粘剂、耐热环氧胶粘剂和 单组分环氧胶粘剂等新产品。在建筑领域国外开始使用低粘度、靠自重流入( g r a v i t y f l o w i n g ) 裂纹的胶粘剂新产品。这种低粘度自流动型胶粘剂产品适合于无压力注浆， 但在国内未见生产。我国建筑结构胶粘剂的出现是在2 0 世纪8 0 年代初期。1 9 8 3 年，中 国科学院大连化学物理研究所与辽宁建筑科学研究所共同研制出我国第一个实用型的 建筑结构胶粘剂一一j g n 型建筑结构胶粘剂，填补了国内在这方面的空白。8 0 年代中期， 除加固用建筑结构胶粘剂外，还出现了用于长桩接长的建筑结构胶粘剂、用于修补的修 2 青岛理t 大学t 程硕1 一学位论文 补胶等，不但产量大增而且品种不断丰富，进入一个迅速发展时期。1 9 9 0 年制定并公布 实施的混凝土结构加固技术规范促进了建筑结构胶粘剂的研究与开发，极大的推进 了此项应用技术的发展。近年来，由于适用国内外建筑物改造维修与施工需要而更加走 向成熟，向更高水平迈进。 1 2 2 存在问题 长期以来，人们对混凝土裂缝修补问题进行了大量的研究和探讨，取得了一定的研 究成果，但也存在一些问题，主要有以下几方面。 表面封闭法一般用于处理混凝土表面的微细裂缝，虽然施工简单，但不适合大于 0 2 m 的裂缝，而且无法深入到裂缝内部以及对延伸裂缝难于追踪变化；开槽填补法对 原有结构有损伤，混凝土梁、电杆、轨枕等不宜采用；压力灌浆法不损伤原有结构，但 目前国内所使用的灌浆材料粘度高，必须采用高压注浆，施工时若压力过大，可能导致 裂缝宽度加大。另外，由于机具笨重，使用和搬运不方便，高压注浆很不安全，因此， 现场并不欢迎( 如图1 1 ) 。国内市场上没有专用注浆机具和注浆材料供应，也没有相 应的技术规范，所以，这种压力灌浆法很难推广和普及。 图1 1 压力注浆现场施工图 灌浆法存在灌浆材料粘度高、施工复杂等问题，限制了其应用。渗透型结构胶是近 年出现的低粘度、高强度新型结构胶，可采用无压力渗透灌浆，简便可靠，代表了结构 胶的发展方向。 分析开裂原因、鉴别裂缝的性质对于修复和加固工程裂缝非常重要。结构修复和加 固建立在对产生缺陷的原因进行全面分析的基础上，同时还应考虑消除这些原因的途径 和方法，只有这样才能对修补材料和技术作出正确选择。混凝土裂缝产生的原因有多方 面的，除了外荷载、温度收缩变形、地基不均匀沉降等常见原因外，设计失误、混凝土 3 青岛理t 大学t 程硕仁学位论文 材料使用与施工工艺不当等方面的许多原因都可能导致混凝土裂缝，需要进行系统地分 析和判断。目前，国际上将造成混凝土开裂的原因分为：材料、施工、结构与外力和使 用与环境四方面。不同原因导致的结构裂纹，由于其特征不同，应采用不同的修复与加 固措施。其中，结构胶加固技术是混凝土加固的重要技术之一。 我国建筑结构胶自1 9 8 3 年开始至今的2 0 年里发展迅速，结构胶品种及施工工艺日 益成熟，应用领域不断扩大，取得了可喜的成绩，但也存在一些不足。 ( 1 ) 国内已有许多品种可满足现今施工加固修补的需求，但在胶体性能方面存在一 些缺陷，如因胶液粘度高，无法对混凝土裂缝进行灌缝修补或需较长的灌注时间；可在 一2 0 低温环境下固化，但因低温使胶液粘度太大，给施工带来不便；常温固化型不能 在高温( 大于8 0 ) 长期使用等问题，有待于进一步改善胶粘剂的各项性能。 ( 2 ) 应用研究需加大投入，更深入的进行。不同加固工艺对结构胶的要求各有不同， 结构胶的性质在很大程度上影响了加固效果。但由于新工艺大范围应用的时间不长，对 所用胶粘剂的研究资料很少，有必要对建筑结构胶的组成、性能及应用进行深入的研究。 目前我国在结构胶推广应用方面还存在很多问题，特别是存在施工单位现场自行调配胶 粘剂的现象，为了满足施工要求降低结构胶的粘度而使用大量挥发性有机溶剂，既污染 环境又使结构胶性能( 如强度、固化收缩等) 恶化，不仅性能波动大而且没有可靠的性能 测试分析，给加固工程带来新的安全隐患。此外还有粘钢与其它传统加固方法复合互补 方案的研究、构件粘结加固防火问题的研究、预应力f r p 片材加固法等问题的研究，只 有大力推进应用研究才有可能将此类先进技术结合起来，使胶粘剂的研究开发和各项应 用技术得以迅速发展，更有效地利用材料和保证加固质量。 ( 3 ) 施工工艺向规范化、机械化发展。目前施工工艺基本上为手工操作，不仅造成 繁重的劳动强度，更重要的是施工质量无法控制。因为施工好坏是关系到粘结加固质量 的重要一环，所以，施工工艺规范化、操作机械化和施工过程的质量管理还需大力加强。 ( 4 ) 加固后先进检测技术的研究。建筑结构胶加固后一般采用简单的敲打法来粗略 看其粘结加固质量，但太粗糙。如何用简便的电测手段，使之数字化，能够快速、可靠、 方便地测其粘结质量，是当前研究的问题。只有先进的检测手段出现，才能使建筑结构 胶的应用更加科学和安全。 1 3 需要进一步研究的问题 4 青岛理t 大学1 = 程硕l ：学位论文 本文较系统地研究了混凝土裂缝产生的原因，采用宏观和微观相结合的方法，研究 了渗透型结构胶的性能；利用直接比较法、优水平法、极差分析法、趋势图分析法研究 了渗透型结构胶各组分对结构胶的粘度、抗压强度和抗拉强度等性能的影响，确定了渗 透型结构胶的最佳配方。对具体工程实例出现的裂缝原因进行分析，将渗透型结构胶应 用到具体房屋建筑工程当中，提出了一种混凝土裂缝无压力修补新技术一渗透型结构胶 技术的施工方法。对粘钢加固胶粘剂、碳纤维布浸渍胶、灌缝胶在混凝土裂缝加固中的 应用进行了比较。但由于时间的关系，对其性能的研究还不够全面，进一步的工作可从 以下方面开展：一是测定胶体的热变形温度，并考察渗透型结构胶在高温下的性能，如 强度、模量、蠕变等性能的变化；二是研究渗透型结构胶的耐久性。渗透型结构胶使用 后总处于各种环境中，如经受高、低温环境，长期暴露于大气中，在土木工程中处于潮 湿状态或接触碱性介质等，所以应对胶接件的湿热稳定性、耐热氧化性耐水耐介质性等 进行试验，以保证良好的性能。 1 4 渗透型结构胶技术简介 1 4 1 建筑胶粘剂的分类 建筑胶粘剂发展到今天己成为一类专用的特别胶种，其品种很多，按其组成分类， 见表卜1 。 表1 1 建筑胶粘剂按组成分类 硅酸盐类 无机类建筑胶粘剂磷酸盐类 其它 建筑胶粘剂环氧树脂及改性环氧树脂类 丙烯酸酯树脂类 有机类建筑胶粘剂不饱和聚酯树脂类 有机硅树脂类 其它 按此分类方法，本文研究对象属有机类建筑胶粘剂。 在有机类建筑胶粘剂中，丙烯酸酷树脂胶粘剂性脆、耐介质耐水性差，不饱和聚酷 树脂有粘结强度低、固化物收缩大的缺点，聚氨醋类胶粘剂的耐热性差等，与它们相比， 环氧树脂类胶粘剂具有良好的耐久性，对一般土木工程材料有很好的粘结性，且粘结强 度高、收缩率低、稳定性好、较易改性、价格较低等特点，因此，国内外建筑用胶中环 5 青岛理t 大学t 程硕 ：学位论文 氧树脂类占据绝对地位。环氧树脂是指大分子主链中含有两个( 或两个以上) 环氧基的缩 聚物，单独受热不会固化，但可与多种类型固化剂发生交联反应形成不溶、不熔的体型 结构的高聚物。 1 4 2 建筑结构胶的优点 随着道路、桥梁和建筑等工程的迅速发展，建筑结构的粘接、加固与维修的建筑结 构胶在近几年增加3 倍以上，以环氧树脂为主体的结构胶粘剂以其卓越的粘接、高的力 学强度等性能在建筑结构胶粘剂中占有非常重要的地位，已发展为当代建筑不可缺少的 修补加固材料之一。在土木工程中，应用建筑结构胶对各类构件进行连接、补强、维护 加固，较传统方法具有很多优点，如： ( 1 ) 胶粘剂能将不同性质的材料牢固地胶接在一起，这是胶接法所特有的优点， 是其它传统连接方法无法比拟的。 ( 2 ) 胶粘剂固化后粘接强度高，其粘接强度大大超过混凝土本身强度，有良好的耐 水性和耐介质性能，还具有很好的物理力学性能，能满足不同使用要求。 ( 3 ) 用胶粘剂粘接、加固的构件，比一般铆接、焊接的构件在连接处受力要均匀， 不会产生应力集中现象，耐疲劳抗裂性好，整体性好。 ( 4 ) 使用胶粘剂施工工艺简单，操作方便，施工速度快，效率高，工期短，成本相 对较低，效果好。 ( 5 ) 胶粘剂固化时间短，修补的构件在3 天内即可受力投入使用，且固化时间还可 进行调整，能较好地满足工程需要。 ( 6 ) 使用胶粘剂增加重量小，维修、补强、加固的构件断面增加很少，不改变构件 外形，不影响建筑物使用净空，外观好。 ( 7 ) 胶粘剂便于进行各种改性，以满足工程复杂性、多样性的要求。 1 4 3 渗透型结构胶原理 本文主要研究一种应用于混凝土裂缝修补的新型环氧结构胶渗透型结构胶。这 种渗透型结构胶最大的特点是粘度低，这一特点使得该胶非常适合应用于无压力灌浆 法，解决了建筑结构胶粘度高、必须压力灌浆、施工复杂的技术难题。另外，该结构胶 具有粘结力高，渗透性好，室温快速固化，结构增强性好，无毒性，无污染，使用安全、 可靠，修补混凝土后的耐久性好，无压力灌浆便可加固0 i n e r t 以下的微裂纹，施工简便 可靠等优点，为工程提供了一种新型混凝土修补加固材料。 6 青岛理丁大学t 程硕 学位论文 众所周知，由于环氧树脂具有与混凝土相同的性质，即在碱性介质中固化，据此， 将环氧树脂调配成具有良好渗透性、粘度较低的树脂胶浆，通过极性吸附和扩散作用面 将裂开的混凝土粘牢，达到修补混凝土构件的目的。目前国内生产使用的结构胶粘剂， 包括常用的环氧胶粘剂存在的问题是粘度高，必须采用压力注浆法施工，并且现有混凝 土结构胶的韧性较低，也限制了其在混凝土结构中的使用。 为了解决结构胶粘度过高以及韧性较低的问题，可以采取：( 1 ) 选用低粘度坏氧结 构胶，通过活性稀释剂和低粘度固化剂，降低胶粘剂的粘度。( 2 ) 采用柔韧性固化剂和 增韧剂等助剂提高韧性，改善承受动荷载和冲击荷载的能力。因此，本文采用一种低粘 度环氧树脂为基料、添加低粘度固化剂、增韧剂等助剂，研究适用于无压力灌浆的新型 混凝土裂缝修补材料渗透型结构胶。 以往用做灌浆材料的环氧树脂多为e 4 4 型，它的主要优点是粘结力强，收缩性小， 稳定性高，缺点主要是低温下粘度很大，操作不便。e 5 1 型环氧树脂除具有e 4 4 型环氧树 脂的优点外，还具有低温条件下粘度相对较低，操作简便，价格适中等特点。因此，本 文采用低粘度的e 5 1 型环氧树脂进行研究。 活性稀释剂是由二个或二个以上环氧基与脂肪链直接相连而成，在分子结构中没有 苯环、脂环和杂环等环状结构。这类树脂绝大多数粘度很小，大多数品种具有水溶性且 是长链型分子，因此富有柔韧性，可作环氧树脂的改性剂。活性稀释剂与双酚a 型环氧 树脂混合使用，以降低树脂的粘度，增加固化物的柔韧性。 为了解决结构胶韧性较低问题，本研究采用以下两种物理方法增韧：( 1 ) 添加增韧 剂。采用聚酰胺活性增韧剂，它带有活性基团，直接参加固化反应，能很大程度上改善 环氧树脂的脆性，增韧效果好，对固化物冲击强度提高明显。( 2 ) 采用柔韧性固化剂。 国产柔韧性酸酐的固化物具有良好的耐冷热冲击性，固化反应速度也较一般酸酐固化剂 慢，但是其粘度较大，不适合无压力渗透注浆。为了提高韧性，同时降低粘度，采用 h u n t s m a n 公司的生产的j a f f a m i n e 系列聚醚胺t 一4 0 3 作柔韧性固化剂。 固化剂对环氧树脂固化反应起决定性作用。从某种意义上讲，固化剂决定环氧树脂 固化反应机理和固化产物的理化性能。固化剂的选用十分重要。为了降低粘度，在选用 柔韧性固化剂的同时，选用低粘度的脂环族多胺固化剂作低粘度固化剂。此外，为控制 固化时间，选用苄基二甲胺作为固化促进剂。 渗透型结构胶的总体性能优于目前国内其它混凝土结构胶，固化效果好，可避免材 料本身性能差造成的开裂现象，为国家节约大量维护修补费用。该产品是绿色环保产 7 青岛理t 大学t 程硕 。学位论文 品，具有不污染环境、不浪费资源、使用安全等特点，使用这种新型结构可节约大量有 机溶剂。因此，本项目具有良好的技术、经济和社会效益。 1 5 本文的研究目的及主要内容 1 5 1 研究目的 导致混凝土开裂的原因来自于材料、结构设计、施工和维护保养等多个方面。只有 在系统地分析研究混凝土结构裂纹产生原因的基础上，才能针对工程特点，采取切合实 际的修复或加固措施，以保证结构的耐久性和安全性。以往采用的压力灌浆法是借助压 力将浆液注入混凝土裂缝中而将裂缝充满补牢，这种方法施工复杂、不可靠，限制了该 技术的使用。 建筑结构胶在结构加固工程中的应用日益广泛，加固工艺及胶粘剂品种也越来越 多。在灌注粘钢加固、c f r p 加固和修补裂缝中都需使用低粘度建筑结构胶，三种加固工 艺对结构胶的要求各有不同，结构胶的性质在很大程度上影响了加固效果。但由于新工 艺大范围应用的时间不长，对所用结构胶的研究资料很少，而且结构胶性能的影响因素 较为复杂，有必要对低粘度技术要求下的建筑结构胶的组成、性能及应用进行深入研究。 目前我国在胶粘剂的研究和推广应用方面还存在很多问题，特别是存在施工单位现 场自行调配结构胶的现象，为了满足施工要求降低胶粘剂的粘度而使用大量挥发性有机 溶剂，既污染环境又使胶粘剂性能( 如强度、固化收缩等) 恶化。另一方面，自行调胶的 做法看似经济，其实无论是从材料性能还是施工质量都没有技术保证，不仅性能波动大 而且没有可靠的性能测试分析，给加固工程带来新的安全隐患。此外，目前用于结构加 固改造的国产结构胶性能不够理想，品种与施工工艺不配套，针对性不强，先进的结构 加固新工艺己推广应用，而与之相配套的新材料相对落后，而国外进口产品的价格却相 当昂贵，己明显限制了结构胶在维护加固工程中的应用。所以，对建筑结构胶进行深入 的研究是其发展和应用的需要。 本文研究的渗透型结构胶最大的特点是粘度低，这使得该胶非常适合应用于无压力 灌浆法，解决了建筑结构胶粘度高、必须压力灌浆、施工复杂的技术难题。另外，该结 构胶具有粘结力高，室温快速固化，无污染，修补混凝土后的耐久性好，无压力灌浆便 可加固0 1 m m 以下的微裂纹，施工简便可靠等优点，为工程提供一种新型混凝土修补加 固材料。 8 青岛理t 大学t 程硕 一学位论文 另外从现场施工的角度讲，粘度低给施工操作带来了便利，不仅去掉了繁琐的工序， 而且也省去了笨重的机具，大大提高了工作效率。基于上述目的及意义，本文对渗透型 结构胶的组成、性能及应用进行了试验研究，对渗透型结构胶在结构加固工程中的推广 和应用具有积极的指导意义。本课题对渗透型结构胶技术进行工程应用研究，找出该新 技术及材料在房屋建筑工程中应用的技术规律，为该新技术的工程应用奠定基础，解决 建筑结构胶必须压力灌浆，施工复杂的技术难题，把该新技术应用到实际混凝土结构中， 为工程提供一种新型混凝土加固实用技术。 1 5 2 研究内容 查阅有关渗透型结构胶的文献资料，因胶粘剂种类繁多，在土木工程应用的渗透型 结构胶的研究并不多见。首先对混凝土结构裂纹产生的原因进行分析，通过总结国内外 建筑结构胶研究成果，通过工程实例，结合渗透型结构胶的特点，以其物理和力学性能 为测试指标，对渗透型结构胶的固化体系、配方优化及其不同用途下的性能和应用等进 行了试验研究。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 裂缝现象在混凝土工程中很普遍，导致混凝土开裂的因素很多，本文从材料方 面、施工方面、结构与外力作用方面、环境方面、建筑物的使用和管理方面作了详细分 析，只有在实际工作中仔细分析，根据具体实际情况找出主要问题，做好预防措施，才 能有效减少这一问题出现和发生。 ( 2 ) 本文研究了混凝土裂缝修补新技术一渗透型结构胶技术中结构胶的性质。所采 用的渗透型结构胶具有低粘度的特点，适合于无压力灌浆，解决了施工复杂的难题。结 合土木工程应用，采用直接比较法、优水平法、极差分析法、趋势图分析法，考察了渗 透型结构胶的粘度、抗压强度、拉伸强度等性能，确定了最佳结构胶用量。其次，通过 强度对比及显微研究，研究了渗透型结构胶与混凝土的粘结性能，为后继试验工作的开 展做好了准备。 ( 3 ) 通过分析具体工程的裂缝原因，找出了具体对策，并采用渗透型结构胶对裂缝 进行了处理，效果良好。通过具体工程实例的研究探讨了渗透型结构胶应用技术，通过 分析建筑结构胶在粘钢加固、贴碳纤维布、裂缝修补三种加固技术中的应用情况以及对 建筑结构胶的性能要求，选择适当的固化体系，得到三种加固方法使用的胶粘剂的较佳 配比。并结合低粘度建筑结构胶的特点，提出相应的施工工艺。 9 青岛理t 大学t 程硕，：学位论文 第2 章混凝土结构裂纹原因分析 混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均质脆性材料。 钢筋混凝土是耐久材料吗? 传统观点人为：混凝土是一种“人工石”，在这种“石材” 的保护下，钢筋不会锈蚀；钢筋混凝土构件具有使用寿命长和无须维护的特点。在这种 观点的影响下，几十年来钢筋混凝土的耐久性问题被忽视了。由于混凝土施工和本身变 形、约束等一系列问题，硬化成型的混凝土中存在着众多的微孔隙、气穴和微裂缝，由 于这些混凝土建筑和构件通常都是带缝工作的，随着使用年数的增长，裂缝的存在和发 展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀，降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗 渗能力，钢筋锈蚀致使混凝土保护层开裂、剥落的现象到处可见，影响建筑物的外观、 使用寿命，使用期十几年的结构或必须大修或被拆除的例子不胜枚举，因钢筋锈蚀造成 房屋倒塌、人员伤亡的恶性事故时有发生。 混凝土裂缝产生的原因很多，有变形引起的裂缝：如温度变化、收缩、膨胀、不均 匀沉陷等原因引起的裂缝；有外载作用引起的裂缝；有养护环境不当和化学作用引起的 裂缝等等。裂缝的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力，影响建筑物的使用功能，而且会 引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响建筑物的承载能力，因此要 对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，采用合理的方法进行处理，并在施工中采取各 种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，保证建筑物和构件安全、稳定地工作。 2 1 材料方面原因 在影响混凝土耐久性问题上，其原因涉及多方面，其中裂纹是导致混凝土耐久性降 低的一个关键因素。就材料本身来说，影响混凝土抗裂性的主要因素则是水泥。 2 1 1 水泥在生产中存在的问题和原因 ( 1 ) 过多追求水泥强度，尤其是早期强度。 综合多种因素分析，混凝土的开裂有着相当复杂的多方面的原因。但在对其中一个 主因的认知上大家的看法是比较接近的，即：为满足现代高速施工所采用的高早强水泥 及其混凝土拌合物是使混凝土结构早期开裂的一个重要的原因。 在水泥的质量要求中，水泥的强度是很重要的指标。对水泥标准的修改也主要在于 强度的检测上。随着三次标准的修改，对水泥的强度要求越来越高。同时，随着混凝土 建筑业越来越受高速建设的经济利益所驱动，使得水泥企业越来越重视生产早强水泥来 l o 青岛理工大学t 程硕卜学位论文 满足现代建筑工业的要求，其方式主要是通过改变水泥的矿物组成和提高水泥的细度。 如增加c 3 s 、c 3 a 的含量，将水泥磨至3 5 0 0 c m 2 g 以上等措施。水泥熟料中四种主要矿 物的水化热和收缩率，c 3 a 的水化热和收缩率均高于其他矿物。其次为c 3 s ，其水化热 在反应初期也是c 2 s 的数倍。因此，在水泥生产中提高c 3 a 和c 3 s 的含量，对于水泥水 化早期是很容易因温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。这样就自然使得混凝土的耐久 性下降。提高水泥的细度，虽能提高水泥的早期强度，但对混凝土的耐久性也是不利的。 在目前的施工过程中，施工单位为了加快施工的进度，往往希望水泥生产企业提供 早强水泥。在这种背景下，水泥生产企业包括新型干法水泥厂也为了适应这个要求而生 产出比表面积高的早强水泥。这种做法对混凝土的耐久性方面是相当不利的。 ( 2 ) 混合材的掺入 我国水泥标准中规定在普通硅酸盐水泥生产中可以掺加1 5 以内的混合材。但现在 存在的问题是水泥生产企业往往并不标明混合材的品种和掺加的数量。而随着现代混凝 土工业的发展，混合材在混凝土的使用中也越来越广泛，多的可达3 0 以上。如果混凝 土行业不了解所采用的水泥中混合材的品种和数量，而自己再加入相同的混合材，这样 以来就会带来力学性能和其他性能有显著的变化，这样就可能造成混凝土早期开裂，从 而影响混凝土的耐久性。 高强混凝土一般含有较多水泥，因此收缩大，并在硬化时产生更高的温度。现代水 泥又因为细度更高而更易开裂。经验说明，最经济有效的解决办法是将混凝土中的部分 水泥用粉煤灰或矿渣来替代。含有粉煤灰或矿渣的混凝土在砂浆与粗集料的结合区的强 度更高，不易发生微裂，因而具有更高的水密性和耐久性及使用寿命。目前混凝土工业 中混合材主要包括粉煤灰、硅灰、高炉矿渣等。但由于不正确的观念或技术方面的束缚， 在混合材的使用中也会存在一些影响混凝土耐久性的因素。 过去由于认识上的误解，往往重视水泥在混凝土中的作用，认为越多加水泥，则就 能得到高强的混凝土，其实这是片面的。在混凝土中掺加混合材，一方面降低了成本， 另外对改善混凝土的耐久性也有重要的影响。现在一些企业也开始多掺加混合材。但在 一些边远地区，还是没有彻底的转变认识，在混凝土制备过程中很少加入混合材。另外 一个问题，我国普通硅酸盐水泥中已掺有一定量的混合材，在使用过程中，一定要注意 其叠加效应。 采用高混合材的混凝土如果不注意养护条件同样会带来问题。从5 0 年代我国就大 量使用掺粉煤灰和矿渣。但在工程中也发现早强低、易碳化，抗冻性能也不太好等问题， 青岛理1 = 大学1 = 程硕士学位论文 从而使混凝土耐久性降低。其实这是与混凝土的养护条件有关的。国外的混凝土掺入大 量粉煤灰，其试验条件是长期湿养护。如果这种混凝土没有在长期湿养护条件下而盲目 强调多掺粉煤灰，很容易出现问题。 2 1 2 水泥使用中存在问题和原因 水泥的用量也会影响到混凝土的耐久性。由于高水泥用量在早期和后期易产生裂 纹。而裂纹对混凝土的耐久性是致命的。强度过低显然对耐久性是不利的，但强度过高 又会给耐久性带来风险。同济大学黄士元认为，水泥用量在3 5 0 k g m 3 的c 4 0 混凝土一般 不易开裂，是优质混凝土。水泥用量在4 0 0 5 0 0 k g m 很难满足。国家标准中对建筑工 程使用沙石的粒径和级配有严格的要求，建筑用砂的最大粒径为5 舢，石子的最小粒径 为5 m ：而目前实际混凝土用沙石一般做不到连续级配。这样以来，就必须增加高效减 水剂掺量来满足拌合物流动性的要求，不仅不经济，而且使混凝土弹性模量降低，收缩 增大，从而影响耐久性。 2 1 3 集料和水泥之间的结合 沙石和水泥之间的结合程度也影响到混凝土的耐久性。沙石和水泥的结合界面体现 二者之间的弹性模量上：当石子和混凝土弹性模量差别很大时，在水泥水化减缩和温度、 湿度变化时，二者变形不一致，会导致界面产生微裂缝，从而影响混凝土的耐久性；如 果二者弹性模量差别缩小，则界面结合可得到加强。 2 1 4 碱一骨料反应 碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱与骨料中的活 性成分的反应，在混凝土浇筑成型后若干年( 数年至二三十年) 逐渐反应，反应生成物 吸水膨胀使混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布，所以一旦 发生碱骨料反应，混凝土内部各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂，发展严重的 只能拆除，无法补救，因而被成为混凝土的癌症。所以砂石骨料( 集料) 的碱活性指标 是一项重要的指标，必须引起重视，否则后果是严重的。 2 1 5 外加剂的生产和使用 1 、外加剂与水泥的适应性 每一种混凝土外加剂都有它特有的功能，掺加这种外加剂，能够改善混凝土某一方 面或某几方面的性能。不注意外加剂和水泥的适应性问题，就会对工程带来影响。如： 1 2 青岛理1 = 大学t 程硕f ：学位论文 用几种普通硅酸盐水泥并掺加某种高效减水剂( 经检验符合高效减水剂质量标准) 配制 混凝土，在配制条件都相同的情况下，有种水泥所配制的混凝土水泥在减水率方面出现 了严重不足，则说明这种水泥与该高效减水剂不适应，而其他几种水泥与该高效减水剂 相适应。再如，当某种水泥所配制的混凝土中掺加经检验符合相关质量标准要求的速凝 剂却得不到速凝效果，或掺加缓凝剂却得到了假凝效果，都可以认为是由于外加剂与水 泥之间不相适应所致。 几乎所有品种的外加剂与水泥之间都存在适应性问题，只是目前来说减水剂使用最 普遍，而且当其与水泥产生不适应的时候能够比较直观快速地反应出来( 如流动性差、 减水率低、或拌合物板结发热、流动度损失过快等现象) 。 水泥与外加剂的相容性是一个很有意义的科学问题，更是一个工程实际问题，这个 问题出自于工程事故。因此必须引起生产单位和工程应用部门的高度重视。 2 、高效减水剂带来的问题 目前外加剂的主要种类为各种高效减水剂。混凝土中掺加减水剂，使得水灰比降低 至0 4 甚至是0 3 以下，从而使得较低标号的水泥同样可以配制出高强度的混凝土，这 种认识被大家所熟悉。但是，水灰比降低相应带来的其他变化，就不容易检测了。一般 来说，水灰比降低，容易造成混凝土尤其是暴露面积很大的混凝土构件由于表面蒸发而 出现收缩。这种现在基本上发生在早期。表面水分向外蒸发引起的收缩是主要问题，而 当水灰比较大时，上升的泌水还可以使其表面得到补充，不容易出现开裂。 此外，随着水灰比( 水胶比) 的降低，在骨料质量不变的前提下，填充间隙并包裹 与润滑骨料的胶凝材料用量必然加大，因此通常要增大混凝土的温升。低水灰比和高水 化环境温度是加速混凝土强度发展的两个“催化剂”，然而随之发生弹性模量的迅速提 高( 比强度发展更迅速) 、徐变松弛作用的减小和降温阶段混凝土发生的温度收缩，这 些因素的叠加导致了现代混凝土易于开裂的趋势。 2 2 施工方面的原因 ( 1 ) 混凝土水灰比、坍落度过大，或使用过量粉砂混凝上强度值对水灰比的变化 十分敏感，基本上是水和水泥计量变动对强度影响的叠加。因此，水、水泥、外渗混合 材料外加剂溶液的计量偏差，将直接影响混凝土的强度。而采用含泥量大的粉砂配制的 混凝土收缩大，抗拉强度低，容易因塑性收缩而产生裂缝，泵送砼为了满足泵送条件： 1 3 青岛理1 = 大学t 程硕 ：学位论文 坍落度大，流动性好，易产生局部粗骨料少、砂浆多的现象，此时，砼脱水干缩时，就 会产生表面裂缝。 ( 2 ) 混凝土施工中过分振捣，模板、垫层过于干燥混凝土浇筑振捣后，粗骨料沉 落挤出水分、空气，表面呈现泌水而形成竖向体积缩小沉落，造成表面砂浆层，它比下 层混凝土有较大的干缩性能，待水分蒸发后，易形成凝缩裂缝。而模板、垫层在浇筑混 凝上之间洒水不够，过于干燥，则模板吸水量大，引起混凝土的塑性收缩，产生裂缝。 ( 3 ) 混凝土浇捣后过分抹干压光和养护不当过度的抹平压光会使混凝土的细骨料 过多地浮到表面，形成含水量很大的水泥浆层，水泥浆中的氢氧化钙与空气中二氧化碳 作用生成碳酸钙，引起表面体积碳水化收缩，导致混凝土板表面龟裂。而养护不当也是 造成现浇混凝土板裂缝的主要原因。过早养护会影响混凝土的胶结能力。过迟养护，由 于受风吹日晒，混凝土板表面游离水分蒸发过快，水泥缺乏必要的水化水，而产生急剧 的体积收缩，此时混凝土早期强度低，不能抵抗这种应力而产生开裂。特别是夏、冬两 季，因昼夜温差大，养护不当最易产生温差裂缝。 ( 4 ) 楼板的弹性变形及支座处的负弯矩施工中在混凝土未达到规定强度，过早拆 模，或者在混凝土未达到终凝时间就上荷载等。这些因素都可直接造成混凝土楼板的弹 性变形，致使砼早期强度低或无强度时，承受弯、压、拉应力，导致楼板产生内伤或断 裂。施工中不注意钢筋的保护，把板面负筋踩弯等，将会造成支座的负弯矩，导致板面 出现裂缝。此外，大梁两侧的楼板不均匀沉降也会使支座产生负穹矩造成横向裂缝。 ( 5 ) 后浇带施工不慎而造成的板面裂缝为了解决钢筋混凝土收缩变形和温度应力， 规范要求采用施工后浇带法，有些施工后浇带不完全按设计要求施工，例如施工未留企 口缝；板的后浇带不支模板，造成斜坡搓；疏松混凝土未彻底凿除等都可能造成板面的 裂缝。 2 3 结构与外力方面的原因 ( 1 ) 水泥用量增大：c 2 0 c 6 0 泵送混凝土的水泥用量通常采用3 5 0 5 5 0k g m 3 ， 为便于管道泵送混凝土，相同强度等级的泵送混凝