碳纤维布加固技术在水利工程中的应用

碳纤维布加固技术在水利工程中的应用

［摘要］碳纤维材料作为混凝土构造物补强材料的代替品，被广泛应用在高速公路、桥梁及建筑物抗震补强中。文中通过几个成功应用于水利工程的案例，说明碳纤维材料在水利工程混凝土加固中具有较高的推广价值。

［关键词］碳纤维布；加固技术；应用

［中图分类号］TV698.2+3 ［文献标识码］B ［文章编号］1002－0624（2010）02－0017－02

碳纤维布加固技术最早起源于德国、瑞士，在20 世纪80 年代后期，碳纤维复合材料被用于加固混凝土结构。碳纤维复合材料加固修复混凝土结构技术，是将碳素纤维这种高性能纤维应用于土木工程，利用树指类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体CFRP，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。加固修复混凝土结构所用碳纤维材料，主要为二种，碳纤维与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十几倍，而弹性模量与钢材相当，某些种类(如高弹性) 碳纤维的弹性模量甚至在钢材的2 倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好的加固修复材料；配套树指则包括底层树脂、整平材料及粘浸树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体，并且共同工作。
1 板梁构件加固中的应用
目前混凝土加固通常采用增大截面加固法、置换混凝土加固法、外粘型钢加固法、外粘钢板加固法、粘贴纤维复合材加固法等方法。粘贴纤维复合材法具有强度高（抗拉强度高于普通钢材十倍以上）、比重轻、耐久耐腐性好、施工便捷、技术成熟等优点。吉林省永吉县碾子沟水库泄洪洞建于50 年代，泄洪洞洞身长32.2 m，共3 孔，每孔过水断面尺寸3.55 m×3.4 m（B×H）。洞边墙及底板为钢筋混凝土U 型槽结构，顶部为钢筋混凝土T 形梁盖板。2003 年，水库进行了除险加固，由于土坝坝顶加高了0.38 m，经复核，泄洪洞洞顶T 形梁配筋不满足强度要求。通过计算，设计采用300 g/m2 碳纤维布粘于全梁底部。碳纤维粘贴采用碳纤维配套树脂（环氧树脂），具体施工方法如下：混凝土表面处理，即打磨混凝土表面，去除表面灰浆及疏松部分，使用吹风机吹去浮灰；配制并涂刷底胶，将底胶按主剂:固化剂，2∶1（质量比）的比例混合，搅拌3～5 min，至充分均匀后使用；配制找平胶并对不平整处修复处理；配制并涂刷浸渍胶，将混合后的浸渍胶涂刷在加固位置，粘贴碳纤维布。碳纤维补强对加固构筑物有着卓越的效果，它可以最大限度地保留原来建筑的结构特点，不增加构筑物的重量，不改变原建筑结构的外型，施工速度快且工程造价低。碾子沟水库泄洪洞加固施工仅用时4 d，投资4 万余元便解决了安全隐患，目前，泄洪洞运行良好。
2 牛腿加固中的应用
三河闸位于洪泽湖东南角，是淮河入江水道的控制口门，设计流量12 000 m3/s。1968 年加固时在闸身上游侧增设了钢筋混凝土结构的检修门起吊牛腿127 根。牛腿挑出工作桥面0.625 m，牛腿端部截面尺寸为0.2 m×0.24 m。由于牛腿结构设计不合理，施工质量较差，1998 年起牛腿混凝土出现破损、剥落、露筋等现象。多次采用传统的水泥砂浆方法进行修补，但仍有上述现象发生。2004 年7 月，三河闸管理所引进碳纤维对牛腿进行了加固。检修门起吊牛腿兼有抗剪和抗弯作用，原结构破坏形态主要为剪切破坏，部分为受拉筋不足破坏。根据工程实际情况，加固时采取粘贴横向和纵向碳纤维布相结合的方法提高牛腿的抗剪和抗弯性能。即垂直牛腿轴向粘贴全封闭300 g/m2 碳纤维包箍，提高牛腿的抗剪性能；在牛腿顶部沿轴向粘一层同型号碳纤维布，起抗拉及包箍接头压条作用。运用该技术加固的三河闸检修门，起吊牛腿抗剪、抗弯性能均得到很大提高，抗剪承载力从原来的43.6 kN，提高到140.80 kN，抗弯强度从原来的42.9 kN·m，提高到51 kN·m。
3 水工隧洞加固中的应用
水工隧洞受水流的冲刷、磨损、气蚀等，随运行时间的增长，会出现裂缝、渗漏、老化等问题，严重影响结构的安全性和耐久性。传统的喷混凝土或挂网浇筑混凝土等水工隧洞加固技术，相当于对隧洞进行二次衬砌，施工难度大、周期长，经济效益差，且改变了隧洞的过流断面，投入使用一段时间后，又要面临新的加固问题，周而复始形成恶性循环。
湖南桃花江的灌溉、发电引水道由坝内管道、压力隧洞和钢筋混凝土压力管道组成。钢筋混凝土压力管道为露天管道，灌溉管直径为2.4 m，壁厚0.4 m，管长11.5 m；发电管直径为1.75 m，壁厚0.3 m，管长5.4 m。输水管道运行至今已有30多年，钢筋混凝土压力管道混凝土碳化严重，管壁裂缝较多且漏水严重。修复加固具体做法是沿钢筋混凝土发电管、灌溉管的全长和全断面粘贴碳纤维布和玻璃纤维布。该工程2002 年12 月15 日开工，于2003 年1 月25 日基本完工。经过一年多运行检验，加固效果良好，工程造价比钢板衬砌加固降低了30%~40% 。碳纤维材料在隧洞加固中优点十分突出，主要如下：
（1）可以任意裁剪，加固各种形状（圆形或复杂曲面）的结构。
（2）加固补强时不需要使用大型加固机具，工程效率高，施工速度快。
（3）耐腐蚀、抗渗、抗冲刷。
（4）碳纤维布糙率（0.007），低于混凝土表面糙率（0.014），在加固段可以增大流量系数，提高管道的过流能力。
（5）可有效封闭混凝土裂缝，从而延缓或消除裂缝的出现和扩展。
（6）加固后不改变原有断面的大小和形状。
（7）加固效果好，不需要进行后期维修，较为经济。
4 施工中需注意的问题
（1）粘帖碳纤维布时，必须驱除纤维丝内的空气，使碳纤维布表面平整。当出现空鼓且面积少于100 cm2 时，采用针管注浆方法填实空鼓；空鼓面积超过100 cm2 时，应切除后重新粘贴。
（2）碳纤维布粘贴时需搭接的，搭接长度应满足规范要求，一般应不小于10 cm。
（3）粘贴碳纤维布时一定要根据碳纤维所起作用，选择正确的纤维方向。
（4）碳纤维布为导电材料，施工时应采取相应的有效保护措施。
（5）后续施工不得破坏已经完成的碳纤维，不得靠近碳纤维焊接、烘烤。
5 结语
碳纤维加固主要用于加固受拉、受剪、拉弯的钢筋混凝土构件，且理论已十分成熟，相应计算可依据《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006及《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146:2003）。
碳纤维材料虽然具有十分突出的优点，但也要注意以下几个问题，一是进口碳纤维布产品价格比较昂贵，而国内产品的质量性能还存在着一定的问题。例如材料的匀质性较差导致受力不均，碳纤维片预浸树脂含量过高，碳纤维断丝率过高，树脂质量也欠佳，这些都影响补强质量；二是对于一些特殊构件，加固理论还不成熟。