碳纖維布加固技術(shù)在電站鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)中的應(yīng)用

王安明

（二灘水力發(fā)電廠，四川攀枝花617000）

1 工程概況

二灘水電站位于四川攀枝花市雅礱江干流，是一座以發(fā)電為主的大型水利樞紐，總裝機(jī)容量3300 MW。電站樞紐建筑物由攔河壩、泄洪建筑物、消能建筑物、地下廠房、引水和尾水建筑物及500 kV全封閉氣體絕緣組合開關(guān)站（GIS樓）等組成。

GIS樓為二灘電站500 kV開關(guān)站，主體結(jié)構(gòu)尺寸131.4×18.6×22.2 m（長(zhǎng)×寬×高），為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)位于較完整巖基上。屋面梁橫跨整個(gè)建筑，中間無柱支撐，屋面上布置有500 kV出線。

地下廠房系統(tǒng)以主廠房及安裝間、主變室、尾水調(diào)壓室為主體，包括母線洞、進(jìn)廠交通洞、排水洞、排風(fēng)洞、電纜斜井、上壩電梯豎井等洞室，形成上下重疊、縱橫交錯(cuò)的地下洞室群。主廠房長(zhǎng)280.3 m，跨度25.5 m。主廠房發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架板梁結(jié)構(gòu)，利用方形風(fēng)罩及獨(dú)立柱支撐梁板，梁系布置整齊，機(jī)組間設(shè)有伸縮縫分開。

2 存在問題

2003年3月汛前大檢查中發(fā)現(xiàn)，500 kV全封閉氣體絕緣組合開關(guān)站（GIS樓）絕大部分屋面梁有裂縫，尤其是第29軸線屋面大梁有裂縫且彎曲變形大，使得梁底與橋吊護(hù)欄發(fā)生擦刮；地下廠房發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層大部分牛腿及牛腿上簡(jiǎn)支梁端部有裂縫。問題一發(fā)現(xiàn)便引起了高度重視，立即組織原設(shè)計(jì)院相關(guān)專業(yè)人士進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并核實(shí)原設(shè)計(jì)資料、圖紙，核算結(jié)構(gòu)荷載、截面配筋、梁撓度值等，同時(shí)對(duì)部分裂縫抹灰層進(jìn)行剝離檢查。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)GIS樓第29軸線大梁腹部?jī)蓚?cè)表面各有10條寬約0.3～0.6 mm的對(duì)稱裂縫，裂縫從板底開始向下延伸，到距梁100～200 mm處消失，沒有貫穿通過梁底。梁底未發(fā)現(xiàn)超過0.2 mm的貫穿裂縫，鑿掉梁表層抹灰層后，發(fā)現(xiàn)梁腹部?jī)蓚?cè)的裂縫直達(dá)梁身混凝土層，初步判斷梁兩側(cè)對(duì)稱裂縫可能已貫穿梁身。檢查同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，其他絕大多數(shù)梁均存在裂縫，保護(hù)層極薄，有的箍筋外露，梁腰腹板兩側(cè)向內(nèi)側(cè)凹縮，梁腹部裂縫可能是因?yàn)槭┕ぶ谢炷帘Ｗo(hù)層不夠及養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或混凝土配合比不當(dāng)。

地下廠房發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層部分牛腿頂緣外側(cè)及牛腿上簡(jiǎn)支梁的下緣端部不同程度地存在斜裂縫，個(gè)別嚴(yán)重的裂縫已從上部簡(jiǎn)支梁貫穿到下部牛腿。經(jīng)剝離部分簡(jiǎn)支梁與牛腿相結(jié)合部位側(cè)表面（約2 cm深）的抹灰層，發(fā)現(xiàn)多數(shù)出現(xiàn)裂縫的牛腿上未埋設(shè)鋼墊板，這與原設(shè)計(jì)不相符。凡是埋設(shè)了鋼墊板的牛腿，都未發(fā)現(xiàn)裂縫或裂縫很小。裂縫產(chǎn)生的原因極可能是由于牛腿表面及對(duì)應(yīng)的梁底未埋設(shè)鋼板，在溫度變化混凝土收縮及廠房運(yùn)行震動(dòng)時(shí)，因梁底與牛腿摩擦力較大，導(dǎo)致梁端及牛腿拉裂。

3 結(jié)構(gòu)碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固處理

3.1 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固的原理及優(yōu)勢(shì)

3.1.1 原理

碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)所用碳纖維材料主要為兩種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強(qiáng)度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復(fù)材料；配套樹脂則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)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，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。

3.1.2 優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的加固技術(shù)相比，碳纖維布加固技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）強(qiáng)度高：碳纖維布具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度是普通鋼的8倍，達(dá)4000 MPa以上，且彈性模量與鋼接近，適合鋼筋混凝土的加固修補(bǔ)。

（2）性能穩(wěn)定：碳纖維布具有良好的耐久性和抗化學(xué)腐蝕能力，耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境腐蝕，且不需定期維護(hù)，對(duì)內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用，能達(dá)到雙重加固修補(bǔ)之目的。

（3）重量輕：碳纖維布的常用規(guī)格為200 g／m2和300 g／m2，厚度分別為0.111 mm和0.167 mm，自重輕，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。

（4）施工便捷：沒有濕作業(yè)，無需大型施工機(jī)具，無需現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，碳纖維布可任意剪裁，施工簡(jiǎn)單，無灰塵和噪聲污染，且施工周期短。

（5）施工質(zhì)量易保證：碳纖維布是柔軟的，即便被加固表面不是非常平整，也可以利用粘結(jié)材料膠保證100%面積的有效粘貼。

3.2 加固材料選用

為盡量不影響電廠正常運(yùn)行，不損傷結(jié)構(gòu)原配筋、恢復(fù)結(jié)構(gòu)原貌，克服混凝土收縮，增加結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪能力，防止新裂縫產(chǎn)生，對(duì)屋面梁及牛腿裂縫采用碳纖維片材進(jìn)行加固處理，碳纖維布采用UT70－30型東麗碳素纖維布，自重為300 g／m2，厚度為0.167mm；粘結(jié)料采用配套的WSX型碳纖維樹脂。

3.3 GIS樓屋面梁加固

3.3.1 裂縫修補(bǔ)

根據(jù)GIS樓屋面梁存在裂縫的寬度及深淺程度，采用表面鑿“U”型槽方式，用IFS－Ⅱ無機(jī)快速封堵材料進(jìn)行表面涂抹封縫處理，必要時(shí)采用WEP型結(jié)構(gòu)注縫膠進(jìn)行化學(xué)灌漿封縫處理。

3.3.2 結(jié)構(gòu)加固

在第29軸線屋面梁兩側(cè)、距梁底和梁面400 mm處，沿梁的長(zhǎng)度方向各粘貼一層寬300 mm的碳纖維，以克服混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力?？朔炷潦湛s后，為了補(bǔ)償梁開裂變形后其承載力的損失，還應(yīng)增強(qiáng)梁的抗彎抗剪能力。沿梁底通長(zhǎng)粘貼一層寬500 mm的碳纖維以提高梁的抗彎能力；沿梁通長(zhǎng)粘貼一層寬300 mm的“U”型碳纖維箍，間距200 mm，以提高梁的抗剪能力，如圖1所示。

其他有縫的屋面梁，由于裂縫多出現(xiàn)在梁的端部，故在梁的端部粘貼一層寬150 mm的“U”型碳纖維箍，間距200 mm，長(zhǎng)度不小于2 m（具體長(zhǎng)度視裂縫情況而定），以提高梁的抗剪能力；同時(shí)為防止梁側(cè)面出現(xiàn)裂縫，在梁的兩側(cè)、距梁底和梁面400 mm處，沿梁的長(zhǎng)度方向各粘貼一層寬150 mm的碳纖維，以克服混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，如圖2所示。

3.4 地下廠房牛腿及梁加固

3.4.1 裂縫修補(bǔ)

圖1 第29軸線屋面大梁加固示意圖Fig.1 Schematic drawing of the reinforcement with carbon fiber cloth for the 29th axis roof beam

為了盡可能恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性，防止縫面繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)考慮到注縫材料的粘結(jié)強(qiáng)度不宜太高，因此采取C20的超細(xì)水泥基灌注材料——ICG-I型無機(jī)粘結(jié)灌注材料灌縫，再用IFS-Ⅱ快速封堵材料對(duì)裂縫表面進(jìn)行涂抹封縫。

3.4.2 結(jié)構(gòu)加固

地下廠房牛腿及梁的加固，經(jīng)設(shè)計(jì)核算后，各結(jié)構(gòu)加固如下：

（1）牛腿采用三層環(huán)形縫補(bǔ)箍：第一、第二層高0.5m，第三層高0.2 m；

（2）梁支座端沿梁長(zhǎng)方向粘貼兩層，高0.5 m，長(zhǎng)1.5 m；

（3）方牛腿采用“U”型箍，粘貼三層，高0.44 m，長(zhǎng)1.5 m。如圖3、4所示。

圖2 其他屋面大梁加固示意圖Fig.2 Schematic drawing of the reinforcement with carbon fiber cloth for other roof beams

圖3 邊牛腿、梁補(bǔ)強(qiáng)示意圖Fig.3 Schematic drawing of the reinforcement for the side corbel and beam

圖4 方牛腿補(bǔ)強(qiáng)示意圖Fig.4 Schematic drawing of the reinforcement for square corbel

3.5 施工工藝流程

結(jié)構(gòu)表面處理→定位劃線→粘結(jié)膠的配置→涂刷底膠→找平→碳纖維粘貼→涂面層膠→保護(hù)。

3.5.1 結(jié)構(gòu)表面處理

鑿除結(jié)構(gòu)的粉刷層，混凝土表面如出現(xiàn)剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予剔除，對(duì)于較大面積的劣質(zhì)抹灰層，在剔除后用聚合物水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)。

如表面發(fā)現(xiàn)裂縫，應(yīng)對(duì)裂縫進(jìn)行灌漿或封閉處理。

用混凝土角磨機(jī)、砂輪（砂紙）等工具，去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土打磨平整，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20 mm）。

用無油壓縮空氣吹除粉塵，使粘貼面干凈并保持干燥。

3.5.2 定位劃線

根據(jù)加固施工圖，準(zhǔn)確地在構(gòu)件表面劃出粘貼部位輪廓線。

3.5.3 粘結(jié)膠的配置

按說明要求，將原材料A、B兩種組分按配比配制。先將稀釋劑A組分倒入干凈容器內(nèi)，再將固化劑B組分倒入，充分?jǐn)嚢杈鶆颍⒁夥慈萜鞯撞康念伾?，確保配好的膠液色澤一致。

配置膠料時(shí)應(yīng)注意：粘結(jié)膠料每次配置量以1～2 kg為宜，要求于1 h內(nèi)施工完畢。

3.5.4 涂刷底膠

用滾筒刷或毛刷將膠均勻涂抹于混凝土構(gòu)件表面，厚度不超過0.4mm，并不得漏刷或有流淌、氣泡，等膠固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2h），再進(jìn)行下一道工序。

3.5.5 找平

混凝土表面凹陷的部位、模板接頭處等出現(xiàn)高度差的部位，應(yīng)用整平膠料修補(bǔ)填平，以盡量減少高差。

轉(zhuǎn)角的處理，應(yīng)用整平膠料將其修補(bǔ)為光滑的圓弧，半徑不小于20 mm。

整平膠料須固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2 h），方可進(jìn)行下一道工序。

3.5.6 粘貼碳纖維布

按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長(zhǎng)度應(yīng)在3 m以內(nèi)。粘貼應(yīng)盡量避免搭接，如必須搭接，則沿纖維方向的搭接長(zhǎng)度不得少于l00 mm。

調(diào)制浸漬膠時(shí)，按產(chǎn)品說明書調(diào)制，然后用滾筒刷均勻涂刷于所要粘貼的部位，膠層厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，在搭接、拐角等部位要多涂抹一遍。

粘貼碳纖維布時(shí)，用特制光滑滾筒在碳纖維布表面沿同一方向反復(fù)滾壓至膠料滲出碳纖維布外表面，以去除氣泡，使浸漬膠充分浸透碳纖維布。多層粘貼應(yīng)重復(fù)上述步驟,待纖維表面指觸干燥后方可進(jìn)行下一層的粘貼。

3.5.7 涂面層膠

在纖維表面涂抹浸漬膠,以起保護(hù)作用，要求涂刷均勻,不得有漏涂或涂刷不飽滿之處。

3.5.8 養(yǎng)護(hù)

碳纖維片施工后應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)保證溫度不低于專用粘結(jié)劑的允許使用溫度；養(yǎng)護(hù)期一般在1～2周內(nèi)；對(duì)施工部位應(yīng)進(jìn)行遮擋封閉養(yǎng)護(hù)，防止人為擾動(dòng)造成損壞。

3.6 混凝土表面修復(fù)

為了恢復(fù)碳纖維布修復(fù)后的大梁及牛腿外觀，故采用砂漿抹面修復(fù)混凝土表面，并補(bǔ)刷乳膠漆，以與周圍墻體保持一致。

4 碳纖維拉拔檢測(cè)

4.1 設(shè)計(jì)要求

測(cè)試位置：復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)施作區(qū)域。

測(cè)試頻率：施作區(qū)域原則上每500m2測(cè)試一次。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：拉拔結(jié)果破壞面必須為混凝土破壞或拉拔強(qiáng)度大于2 MPa視為合格（結(jié)構(gòu)混凝土不得低于C25）。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)拉拔實(shí)驗(yàn)及鉆芯取樣

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分別對(duì)地下廠房及GIS樓補(bǔ)強(qiáng)施工區(qū)進(jìn)行抽樣檢測(cè)，結(jié)果見表1。

表1 碳纖維現(xiàn)場(chǎng)拉拔實(shí)驗(yàn)檢測(cè)成果表Table 1:Result of the drawing test for the carbon fiber cloth

現(xiàn)場(chǎng)碳纖維布拉拔實(shí)驗(yàn)均為混凝土破壞，拉拔強(qiáng)度大于2 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

GIS樓屋面梁及地下廠房牛腿裂縫經(jīng)過灌漿、碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)處理，其混凝土構(gòu)件的抗彎、抗拉、抗剪強(qiáng)度能力得到了有效提高，克服了混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，可防止新裂縫的產(chǎn)生。碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)工程施工方便，時(shí)間短，修補(bǔ)后基本上能保證原狀結(jié)構(gòu)外觀。該工程施工完畢投入運(yùn)行后，主體結(jié)構(gòu)至今未見任何異常，取得了良好的加固效果?！?/p>

[1]CECS25：90，混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S].

[2]CECS146：2003，碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]JG／T166-2004，纖維片材加固修復(fù)結(jié)構(gòu)用粘結(jié)樹脂[S].

[4]JG／T167-2004，結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材[S].

[5]結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)施工說明與檢驗(yàn)規(guī)范[S].