碳纖維布加固技術(shù)最早起源于德國、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泄洪洞建于50 年代,泄洪洞洞身長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,不改變原建筑結(jié)構(gòu)的外型,施工速度快且工程造價(jià)低。碾子溝水庫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,會出現(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)于對隧洞進(jìn)行二次襯砌,施工難度大、周期長,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11.5 m;發(fā)電管直徑為1.75 m,壁厚0.3 m,管長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)加固后不改變原有斷面的大小和形狀。
(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。