碳纖維布在某電廠冷卻塔加固中的應(yīng)用

尹 濤

0 引言

碳纖維(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱 CFRP)加固主要采用布狀的形式,用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠將碳纖維布與混凝土牢固的粘結(jié)在一起并共同工作,達(dá)到結(jié)構(gòu)加固,提高結(jié)構(gòu)承載力和抗震性能、修補(bǔ)構(gòu)件缺陷的目的。

采用碳纖維布加固具有以下幾個優(yōu)點：

1)高強(qiáng)高效：抗拉強(qiáng)度2 500 MPa～3 550 MPa(約為二級鋼的十幾倍)。2)重量輕,厚度?。杭s200 g/m2,每層厚0.1 mm～0.2 mm,基本增加加固構(gòu)件自重及截面尺寸,經(jīng)加固后不影響結(jié)構(gòu)的外觀。3)適用面廣：廣泛適用于建筑物橋梁隧道等各種結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀的加固修復(fù)和抗震加固及節(jié)點的結(jié)構(gòu)加固。4)施工便捷：不需大型機(jī)具,沒有濕作業(yè),無需動火,無需現(xiàn)場固定設(shè)施,施工占用場地少,施工工效高。5)耐腐蝕性能和耐久性能極佳。

1 工程實例分析

1.1 工程背景

河南省某電廠的老冷卻塔建成于1978年,設(shè)計時未考慮抗震設(shè)計。老冷卻塔經(jīng)過近30年的運(yùn)行及外部自然氣候的影響,可靠性嚴(yán)重不符合國家現(xiàn)行規(guī)范要求,已不能正常使用。

2007年時按照國家有關(guān)政策電廠在關(guān)停拆除小機(jī)組的基礎(chǔ)上擴(kuò)建1×300 MW機(jī)組。為了利用有效資源,提高效益,電廠決定對原機(jī)組的老冷卻塔進(jìn)行加固后供本期工程使用,使加固后的這座冷卻塔能夠滿足當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范,并能滿足安全運(yùn)行30年的耐久性要求。

1.2 檢測與分析

經(jīng)檢測：1)老冷卻塔綜合評定為四級,即可靠性嚴(yán)重不符合國家現(xiàn)行規(guī)范要求,已不能正常使用,必須立即采取措施。2)垂直度變形：整體傾斜率為0.4‰,小于高聳結(jié)構(gòu)規(guī)定的允許傾斜限值5‰。3)混凝土強(qiáng)度：人字柱和外壁均小于原設(shè)計強(qiáng)度。4)塔筒內(nèi)外壁也存在不同程度的混凝土剝離、鋼筋外露、裂縫等現(xiàn)象。

按照當(dāng)前計算條件和現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了核算,老冷卻塔的關(guān)鍵受力部位人字柱和下環(huán)梁已經(jīng)不能滿足要求。從計算結(jié)果分析,很多部位配筋未達(dá)到計算配筋要求;從構(gòu)造上,筒壁許多部位不滿足ρ≥0.2%的要求。

1.3 加固方案

1.3.1 人字柱

人字柱采用擴(kuò)大截面加固方案,人字柱現(xiàn)截面尺寸400 mm×400 mm,加大截面至 550 mm×550 mm;單根柱長約6.2 m。采用鋼模板,高強(qiáng)無收縮無機(jī)粘結(jié)灌注材料配制C40微膨脹自密實混凝土澆灌,以提高新加混凝土的密實性和與原柱混凝土的連接效果。柱身縱筋采用4Φ 25+4Φ 18,箍筋Φ 8@200,柱兩端箍筋按抗震構(gòu)造要求加密。

1.3.2 筒壁

塔外壁均有大面積表面混凝土剝落,鋼筋外露生銹等現(xiàn)象,采用局部修復(fù)和粘貼碳纖維布,塔身表面全面防腐處理方案。主要程序如下：

1)鑿除已疏松混凝土,清理至堅實基面,外露鋼筋除銹防銹處理;2)用FPSC聚合物水泥復(fù)合砂漿修復(fù)。該種砂漿對酸、鹽有輕度防護(hù)作用,且耐大氣性好;3)修補(bǔ)部位局部粘貼環(huán)向碳纖維布加固,端部加100寬壓條;4)筒壁外表面刷防護(hù)材料。

塔內(nèi)壁原來未作過防腐處理,有大片混凝土剝落,鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象,多數(shù)外露鋼筋基本銹斷,此外還有多條沿豎向鋼筋的裂縫。對該塔采用混凝土修復(fù)后外粘碳纖維布加固方案,程序如下：

1)鑿除已疏松混凝土,清理至堅實基面,外露鋼筋除銹防銹處理;2)用FPSC聚合物水泥復(fù)合砂漿修復(fù);3)筒壁內(nèi)面豎向、環(huán)向粘貼碳纖維布,寬100@400;4)專用不銹鋼錨釘錨固,雙向間距800 mm,錨釘位于縱橫碳纖維布的交叉點上;5)表面刷防腐材料。

1.4 碳纖維布加固的施工

1)鋼筋除銹。a.清除被加固構(gòu)件表面剝落、疏松、蜂窩腐蝕等劣化混凝土;b.剔除銹蝕鋼筋外包混凝土,使鋼筋外露;c.用鋼絲刷和角磨機(jī)除去鋼筋表面的銹蝕層;d.用丙酮或無水酒精擦拭鋼筋表面至露出鋼筋本質(zhì)。

2)基面處理。a.將構(gòu)件表面凸出部分磨平,露出砂、石、水泥。轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀(圓弧半徑10 mm≤R≤20 mm);b.裂縫部分用修復(fù)材料修復(fù)磨平;c.壓縮空氣除去表面粉塵,用丙酮擦拭表面。

3)涂刷底膠。用滾筒或刷子將底膠均勻涂刷于混凝土表面。膠層厚度應(yīng)滿足設(shè)計要求。底膠硬化后,若表面有凸起部分,用磨光機(jī)或砂紙打磨平整。待底膠指觸干燥后,再進(jìn)行下一步施工。

4)粘貼面修補(bǔ)。對粘貼面上的凹入部位,用環(huán)氧膩子修補(bǔ),以保證粘貼面平整,確保加固效果。待環(huán)氧膩子指觸干燥后,再進(jìn)行下一步施工。

5)碳纖維布粘貼。a.按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維布,應(yīng)盡量避免搭接。如若搭接,則碳維布沿纖維方向的搭接長度不得少于100 mm;b.配制浸漬樹脂膠均勻涂抹于所要粘貼部位,在搭接、拐角等部位要多涂抹一遍;c.粘貼碳纖維布,用滾筒沿纖維方向多次滾壓,擠除氣泡,使樹脂膠充分浸透碳纖維布;d.碳纖維布表面均勻涂抹一層面膠,要求涂刷均勻,不得有漏涂或涂刷不飽滿之處;e.端部用橫向碳纖維布固定,翹起部分用注射器補(bǔ)膠;f.表面防護(hù)處理。為保證膠的耐久性、耐火性等性能,可在表面涂抹砂漿或噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。

施工中應(yīng)注意如下問題：

1)施工溫度應(yīng)在5℃～35℃范圍內(nèi),相對濕度不大于70%。

2)裁剪及使用碳纖維布時應(yīng)遠(yuǎn)離電源,尤其是高壓電線及輸電線路。

3)碳纖維布配套膠的原料應(yīng)密封儲存、遠(yuǎn)離火源,避免陽光直接照射。

4)膠的配制和使用場所,必須保持通風(fēng)良好。

5)現(xiàn)場施工人員應(yīng)穿工作服,同時還須戴口罩和手套。嚴(yán)禁在施工現(xiàn)場吸煙。

6)施工現(xiàn)場應(yīng)配備必要的滅火器以備救護(hù)。

2 結(jié)語

經(jīng)過加固處理后,冷卻塔能夠滿足當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范,并能滿足安全運(yùn)行30年的耐久性要求,但應(yīng)定期檢查和正常維護(hù),且第一次檢查時間不應(yīng)遲于10年。目前已經(jīng)正常使用2年無異常。帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,同時也具有巨大的社會效益。

碳纖維布加固技術(shù)在我國快速發(fā)展,目前已經(jīng)制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程(《CECS 146-2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》),隨著碳纖維布和樹脂等材料的國產(chǎn)化及碳纖維布加固技術(shù)的成熟,該技術(shù)將會被越來越廣泛地應(yīng)用。

[1]趙 彤,謝 劍.碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社,2001.

[2]張立人.建筑結(jié)構(gòu)檢測、鑒定與加固[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2003.

[3]蔣文勇,李碧雄.碳纖維在土木工程加固中的應(yīng)用研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2007(12)：69-72.

[4]CECS 146-2003,碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].