碳纖維布加固技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

碳纖維材料作為混凝土構(gòu)造物補(bǔ)強(qiáng)材料的代替品，被廣泛應(yīng)用在高速公路、橋梁及建筑物抗震補(bǔ)強(qiáng)中。文中通過幾個(gè)成功應(yīng)用于水利工程的案例，說明碳纖維材料在水利工程混凝土加固中具有較高的推廣價(jià)值。
　　碳纖維布加固技術(shù)最早起源于德國(guó)、瑞士，在20 世紀(jì)80 年代后期，碳纖維復(fù)合材料被用于加固混凝土結(jié)構(gòu)。

　　碳纖維復(fù)合材料加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，是將碳素纖維這種高性能纖維應(yīng)用于土木工程，利用樹指類材料把碳纖維粘貼于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體CFRP，通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。

　　加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)所用碳纖維材料，主要為二種，碳纖維與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強(qiáng)度為建筑鋼材的十幾倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，某些種類(如高彈性) 碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的2 倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復(fù)材料；配套樹指則包括底層樹脂、整平材料及粘浸樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個(gè)復(fù)合性整體，并且共同工作。

　　1 板梁構(gòu)件加固中的應(yīng)用

　　目前混凝土加固通常采用增大截面加固法、置換混凝土加固法、外粘型鋼加固法、外粘鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材加固法等方法。粘貼纖維復(fù)合材法具有強(qiáng)度高（抗拉強(qiáng)度高于普通鋼材十倍以上）、比重輕、耐久耐腐性好、施工便捷、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。

　　吉林省永吉縣碾子溝水庫(kù)泄洪洞建于50 年代，泄洪洞洞身長(zhǎng)32.2 m，共3 孔，每孔過水?dāng)嗝娉叽?.55 m×3.4 m（B×H）。洞邊墻及底板為鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu)，頂部為鋼筋混凝土T 形梁蓋板。2003 年，水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，由于土壩壩頂加高了0.38 m，經(jīng)復(fù)核，泄洪洞洞頂T 形梁配筋不滿足強(qiáng)度要求。通過計(jì)算，設(shè)計(jì)采用300 g/m2 碳纖維布粘于全梁底部。碳纖維粘貼采用碳纖維配套樹脂（環(huán)氧樹脂），具體施工方法如下：

　　混凝土表面處理，即打磨混凝土表面，去除表面灰漿及疏松部分，使用吹風(fēng)機(jī)吹去浮灰；配制并涂刷底膠，將底膠按主劑:固化劑，2∶1（質(zhì)量比）的比例混合，攪拌3～5 min，至充分均勻后使用；配制找平膠并對(duì)不平整處修復(fù)處理；配制并涂刷浸漬膠，將混合后的浸漬膠涂刷在加固位置，粘貼碳纖維布。

　　碳纖維補(bǔ)強(qiáng)對(duì)加固構(gòu)筑物有著卓越的效果，它可以最大限度地保留原來建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不增加構(gòu)筑物的重量，不改變?cè)ㄖY(jié)構(gòu)的外型，施工速度快且工程造價(jià)低。碾子溝水庫(kù)泄洪洞加固施工僅用時(shí)4 d，投資4 萬余元便解決了安全隱患，目前，泄洪洞運(yùn)行良好。

　　2 牛腿加固中的應(yīng)用

　　三河閘位于洪澤湖東南角，是淮河入江水道的控制口門，設(shè)計(jì)流量12 000 m3/s。1968 年加固時(shí)在閘身上游側(cè)增設(shè)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢修門起吊牛腿127 根。牛腿挑出工作橋面0.625 m，牛腿端部截面尺寸為0.2 m×0.24 m。由于牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，施工質(zhì)量較差，1998 年起牛腿混凝土出現(xiàn)破損、剝落、露筋等現(xiàn)象。多次采用傳統(tǒng)的水泥砂漿方法進(jìn)行修補(bǔ)，但仍有上述現(xiàn)象發(fā)生。2004 年7 月，三河閘管理所引進(jìn)碳纖維對(duì)牛腿進(jìn)行了加固。

　　檢修門起吊牛腿兼有抗剪和抗彎作用，原結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)主要為剪切破壞，部分為受拉筋不足破壞。根據(jù)工程實(shí)際情況，加固時(shí)采取粘貼橫向和縱向碳纖維布相結(jié)合的方法提高牛腿的抗剪和抗彎性能。即垂直牛腿軸向粘貼全封閉300 g/m2 碳纖維包箍，提高牛腿的抗剪性能；在牛腿頂部沿軸向粘一層同型號(hào)碳纖維布，起抗拉及包箍接頭壓條作用。

　　運(yùn)用該技術(shù)加固的三河閘檢修門，起吊牛腿抗剪、抗彎性能均得到很大提高，抗剪承載力從原來的43.6 kN，提高到140.80 kN，抗彎強(qiáng)度從原來的42.9 kN·m，提高到51 kN·m。

　　3 水工隧洞加固中的應(yīng)用

　　水工隧洞受水流的沖刷、磨損、氣蝕等，隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)裂縫、滲漏、老化等問題，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。傳統(tǒng)的噴混凝土或掛網(wǎng)澆筑混凝土等水工隧洞加固技術(shù)，相當(dāng)于對(duì)隧洞進(jìn)行二次襯砌，施工難度大、周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益差，且改變了隧洞的過流斷面，投入使用一段時(shí)間后，又要面臨新的加固問題，周而復(fù)始形成惡性循環(huán)。

　　湖南桃花江的灌溉、發(fā)電引水道由壩內(nèi)管道、壓力隧洞和鋼筋混凝土壓力管道組成。鋼筋混凝土壓力管道為露天管道，灌溉管直徑為2.4 m，壁厚0.4 m，管長(zhǎng)11.5 m；發(fā)電管直徑為1.75 m，壁厚0.3 m，管長(zhǎng)5.4 m。輸水管道運(yùn)行至今已有30多年，鋼筋混凝土壓力管道混凝土碳化嚴(yán)重，管壁裂縫較多且漏水嚴(yán)重。

　　修復(fù)加固具體做法是沿鋼筋混凝土發(fā)電管、灌溉管的全長(zhǎng)和全斷面粘貼碳纖維布和玻璃纖維布。該工程2002 年12 月15 日開工，于2003 年1 月25 日基本完工。經(jīng)過一年多運(yùn)行檢驗(yàn)，加固效果良好，工程造價(jià)比鋼板襯砌加固降低了30%~40% 。

　　碳纖維材料在隧洞加固中優(yōu)點(diǎn)十分突出，主要如下：

　　（1）可以任意裁剪，加固各種形狀（圓形或復(fù)雜曲面）的結(jié)構(gòu)。

　　（2）加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)不需要使用大型加固機(jī)具，工程效率高，施工速度快。

　　（3）耐腐蝕、抗?jié)B、抗沖刷。

　　（4）碳纖維布糙率（0.007），低于混凝土表面糙率（0.014），在加固段可以增大流量系數(shù)，提高管道的過流能力。

　　（5）可有效封閉混凝土裂縫，從而延緩或消除裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展。

　　（6）加固后不改變?cè)袛嗝娴拇笮『托螤睢?br style="margin: 0px; padding: 0px;"/>
　　（7）加固效果好，不需要進(jìn)行后期維修，較為經(jīng)濟(jì)。

　　4 施工中需注意的問題

　　（1）粘帖碳纖維布時(shí)，必須驅(qū)除纖維絲內(nèi)的空氣，使碳纖維布表面平整。當(dāng)出現(xiàn)空鼓且面積少于100 cm2 時(shí)，采用針管注漿方法填實(shí)空鼓；空鼓面積超過100 cm2 時(shí)，應(yīng)切除后重新粘貼。

　　（2）碳纖維布粘貼時(shí)需搭接的，搭接長(zhǎng)度應(yīng)滿足規(guī)范要求，一般應(yīng)不小于10 cm。

　　（3）粘貼碳纖維布時(shí)一定要根據(jù)碳纖維所起作用，選擇正確的纖維方向。

　　（4）碳纖維布為導(dǎo)電材料，施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的有效保護(hù)措施。

　　（5）后續(xù)施工不得破壞已經(jīng)完成的碳纖維，不得靠近碳纖維焊接、烘烤。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　碳纖維加固主要用于加固受拉、受剪、拉彎的鋼筋混凝土構(gòu)件，且理論已十分成熟，相應(yīng)計(jì)算可依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50367-2006及《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146:2003）。

　　碳纖維材料雖然具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)，但也要注意以下幾個(gè)問題，一是進(jìn)口碳纖維布產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)量性能還存在著一定的問題。例如材料的勻質(zhì)性較差導(dǎo)致受力不均，碳纖維片預(yù)浸樹脂含量過高，碳纖維斷絲率過高，樹脂質(zhì)量也欠佳，這些都影響補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量；二是對(duì)于一些特殊構(gòu)件，加固理論還不成熟。