碳纖維布加固技術在小龍門航電工程中的應用

胡 林,代慶明

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 610072)

1 前 言

碳纖維布加固技術是指由具有高抗拉強度的碳纖維束經(jīng)配套粘結(jié)樹脂粘結(jié)后形成碳纖維增強聚合物(簡稱 CFRP),粘貼在需加固構件的表面,使兩者共同作用,提高構件的承載能力,從而達到加固補強的目的。因其操作簡單,效果顯著,成本較低,是近年來國內(nèi)發(fā)展較快的一項新技術。

碳纖維布加固技術具有以下特點:

(1)抗拉強度高,是普通鋼筋的 10倍以上;

(2)施工方便,不增加構件的自重和幾何尺寸,不需要投入大型機械和大量人力;

(3)適用于多種結(jié)構類型,如梁、板、柱、剪力墻、屋架、橋墩等,尤其是適用于各種異型結(jié)構;

(4)施工周期短,成本低。

2 工程實例概況

小龍門航電工程是四川嘉陵江梯級開發(fā)的第十一個梯級,2003年開工建設。在廠房 3號機下游排架柱牛腿段澆筑后,經(jīng)取樣試塊檢驗和后來的回彈儀、鉆孔取芯復核,發(fā)現(xiàn) 9號柱的混凝土等級僅為C15,需要經(jīng)過加固處理后才能投入使用。

經(jīng)多方案對比研究決定,采用高強度碳纖維布(fcfk≥3000MPa)將需加固段環(huán)向包裹,使該段混凝土結(jié)構形成環(huán)向約束抗壓加固效果,使其達到在受壓時形成三向受壓而不易破壞的力學效果。

3 對比試驗

由于碳纖維布加固技術目前還缺乏權威的統(tǒng)一標準,且難以找到類似的工程實例作參考,同時為了工程在質(zhì)量驗收時有明確的數(shù)據(jù),決定通過對比試驗來確定施工參數(shù)并明確加固效果。試驗步驟為:用同一批混凝土料制作 4組(每組 3個)C15標準試件(150mm×150mm×150mm),并在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護 28天;在養(yǎng)護 21天后,分別按照試快環(huán)向表面積的 33.3%、50%、75%和不包裹四種規(guī)格用碳纖維布進行環(huán)向包裹,混凝土試塊表面粘貼的碳纖維布為一層,厚度 0.165mm,具體形式見圖 1。

試件經(jīng)包裹后再放到養(yǎng)護室養(yǎng)護 7天,養(yǎng)護期滿后做試塊抗壓強度試驗,試驗結(jié)果見表1。

表1 試件經(jīng)包裹后的抗壓強度

環(huán)向包裹面積比與抗壓強度提高百分比關系見圖2。

9號柱的實際強度等級為 C15,如將等級提高至C20,則提高的百分比為 33.33%。根據(jù)試驗結(jié)果及分析,包裹面積比為 33.3%的強度提高率較小,不滿足要求;包裹面積比為 50%的強度提高率為41.72%,超出所需提高值11.39%;而包裹面積比

圖1 試件包裹形式

圖2 環(huán)向包裹面積比與抗壓強度提高百分比關系曲線

為75%的強度提高率與包裹面積比為50%的強度提高率相差不大,且兩者之間曲線關系較為平滑。從試件受壓破壞的情況來看,在兩端及中間受到碳纖維布的包裹后,抗壓能力可以顯著提高。經(jīng)分析比較,采用包裹面積比為 50%的加固方案不僅可以滿足加固需要,而且經(jīng)濟成本較低。

4 加固方案設計及工藝流程

根據(jù)對比試驗的結(jié)果并結(jié)合工程的實際情況,制定出 9號柱牛腿段的具體加固方案(見圖 3)。

包裹面積計算如下:

圖3 9號柱牛腿段的加固(尺寸單位:cm)

排架柱牛腿段,粘貼 5條 250～500mm寬、0.167mm厚的 CF環(huán)形布帶對排架柱缺陷區(qū)段圍束抗壓加固。CF布粘貼加固范圍,下端超出柱缺陷區(qū)段延伸至無缺陷柱中,使加固區(qū)段的混凝土受壓時形成三向受壓而不易壓壞的力學效果,并實現(xiàn)柱加固區(qū)段與未加固區(qū)段的受壓承載力提高的連續(xù)過渡;柱加固區(qū)段 CF布纏包圍束面積 12.935m2,圍束面積比為 57.22%,可使柱加固區(qū)段的混凝土抗壓強度提高 40%以上,達到或超過未加固區(qū)段的混凝土強度等級。下游側(cè)粘貼長度分別延伸至兩側(cè)聯(lián)系梁 20cm長,以增強加固效果。

為消除 CF布帶在柱子轉(zhuǎn)角處的應力集中現(xiàn)象,柱子轉(zhuǎn)角處做圓弧化處理,圓弧半徑應不小于2.0cm。

與粘貼 CF布配套的底層樹脂、找平及修補材料、浸漬樹脂等嚴格按照生產(chǎn)廠家提供的施工工藝進行配制,材料力學、工藝性能滿足施工要求。

碳纖維布嚴格按照設計圖紙要求尺寸進行裁剪并預留搭接長度,搭接長度不得低于 10cm;施工結(jié)束后做好防護措施,在干燥狀態(tài)下養(yǎng)護 7天以上方可進行其它工序施工。表面防護材料顏色要與周圍混凝土顏色一致,以保證混凝土外觀質(zhì)量。

加固工藝流程為:

(1)施工準備。施工前認真閱讀設計方案,在加固部位放線定位。搭設好施工平臺,對所使用的碳纖維布、配套樹脂、機具等做好施工前的準備工作。

(2)混凝土表面處理。利用打磨機對混凝土表面進行打磨處理,要求除去表層浮漿、油污、拉筋頭、焊渣等雜質(zhì),最終露出混凝土結(jié)構新面。對于局部出現(xiàn)的蜂窩、麻面、凹陷、缺角等現(xiàn)象,首先利用刷子或風機將打磨后殘留的灰塵清掃干凈,再用配制好的修復材料進行修補平整。由于本工程要求處理后保持與其他柱外觀一致,因此需要將混凝土面打磨至低于原混凝土面 2～3mm,以便于在包裹碳纖維布后涂刷水泥漿,保持與其它柱的外觀及幾何尺寸一致。

(3)底層樹脂配制及涂刷。按照產(chǎn)品生產(chǎn)廠商提供的工藝規(guī)定配制底層樹脂,采用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面,底層樹脂表面在指觸干燥后盡快進行下一道工序。

(4)粘貼面找平處理。按照產(chǎn)品生產(chǎn)廠商提供的工藝規(guī)定配制找平材料,粘結(jié)能力必須符合施工要求?；炷帘砻嫘扪a選用丙酮將表面浮塵擦去,凹陷處使用修補膠找平;有段差或轉(zhuǎn)角部位,抹成平滑曲面。用刮刀對凹坑實施填補找平,找平程度按目測無明顯痕跡紋路為準。在找平材料指觸干燥后盡快進行下一道工序。

(5)碳纖維布裁剪。按設計尺寸裁剪碳纖維布,嚴禁斜切,并防止出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象。必須保證裁剪后的碳纖維方向與粘貼方向一致。注意保護裁剪成型的碳纖維布,保持其潔凈不受污染。

(6)浸漬樹脂涂刷及碳纖維布粘貼。按照需要粘貼的面積確定配制浸漬樹脂的多少,根據(jù)廠家配合比和工藝要求嚴格配制。攪拌時向一個方向攪拌,直至顏色均勻、無氣泡產(chǎn)生。配制好的浸漬樹脂應盡快使用,防止失效和雜質(zhì)混入。粘結(jié)劑的優(yōu)劣直接關系到碳纖維布與混凝土之間能否協(xié)調(diào)變形、是否會出現(xiàn)滑移,最終影響到能否發(fā)揮其優(yōu)越的力學性能,因此需要特別重視該工序。

粘貼碳纖維布前對混凝土表面再次清潔,確保粘貼面無粉塵雜質(zhì)。先在粘貼部位均勻地涂刷一道浸漬樹脂,然后將裁剪好的碳纖維布用手輕輕壓貼于需要粘貼的部位,再利用專用滾筒沿碳纖維方向多次滾壓排除氣泡,保證碳纖維布與結(jié)構面緊密粘結(jié)在一起。浸漬樹脂應充分浸透碳纖維布,滾壓時不能損壞碳纖維布。

(7)混凝土表面的防護和處理。業(yè)主要求,在處理完成后不能影響混凝土外觀質(zhì)量。在碳纖維布粘貼完成并在指觸干燥后,利用粘結(jié)樹脂和P.O.325水泥拌制成表面防護材料,防護材料的配制應通過試驗確定,其涂刷后的顏色必須與混凝土顏色一致。防護材料應均勻涂抹于碳纖維布表層。

施工現(xiàn)場要遠離火源、電源,尤其是高壓電線或輸電線路。配制浸漬樹脂時應保持良好的通風。

5 實施效果及評價

從小龍門航電工程 4臺機組安裝(牛腿承受最大荷載時期)已順利完成來看,本次采用碳纖維布加固技術增加牛腿的承載力是成功的。但尚需指出:

(1)由于試驗條件受限,試件尺寸和現(xiàn)場實際施工的構件尺寸相差較大,因此對于尺寸效應需作進一步研究。

(2)筆者認為,低強度的構件經(jīng)高強度的材料包裹后,其抗壓強度提高的比例應更大。

(3)在發(fā)現(xiàn) 9號柱的強度為 C15后,設計單位曾經(jīng)復核計算,結(jié)果表明 C15的強度也滿足使用要求,只是安全系數(shù)有所降低。因此通過碳纖維加固技術來增加一定的承載力,工程風險仍在控制范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

碳纖維布加固技術是一種新型的結(jié)構補強方法,有顯著的優(yōu)點、特點,但也存在一些不足。國內(nèi)引進和應用于工程實踐中也就是幾年的時間,而且大部分是用于橋梁加固等工程,用于水利水電項目的工程實例并不多見。因此該技術的理論研究、計算方法、設計方案、施工工藝等方面都需要繼續(xù)深入研究,并結(jié)合大量工程實例進行分析論證,使該項技術日趨完善。