碳纖維加固工藝在清華水庫的成功運用

周凱華，張 欣

(1.江西遂盛建設(shè)有限責任公司，江西遂川縣 343900;2.上饒市水利科學研究所，江西上饒市334000)

清華水庫位于樂安河支流清華水的鄣河上，清華水庫壩址位于江西省婺源縣清華鎮(zhèn)浮溪村，清華水庫是一座具有發(fā)電、灌溉、防洪和養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫樞紐的主要建筑物由大壩和引水隧洞等組成。

該水庫工作橋自建成至今已運行30余年，梁底和梁側(cè)均出現(xiàn)一定程度的張拉裂縫，2010年該水庫除險加固項目將該工作橋納入除險范圍內(nèi)，原設(shè)計方案是全部拆除重建。

1 設(shè)計方案的選定

1.1 原設(shè)計方案與實施過程

該工作橋為“T”型梁結(jié)構(gòu)，采用C25鋼筋混凝土，主梁跨度為7m，共七跨工作橋段。2009年12月初按原設(shè)計(全部拆除重建)方案開始實施。在具體拆除方案選取中，考慮了爆破拆除、機械拆除和人工拆除等多種方案比較。其中考慮爆破拆除會對原有老壩體結(jié)構(gòu)以及新澆筑完成的上游防滲面板可能造成擾動或傷害，故排除該方案;因交通橋面寬度和承載能力限制以致大型設(shè)備無法進入工作面，機械拆除方案也予以排除;后采用人工拆除方案，具體施工安排是安排兩臺風鎬進行拆除。

最開始對大壩右側(cè)第一跨工作橋進行拆除，因混凝土梁體強度等級較高，且在高空作業(yè)存在一定的危險性，工作面也狹小，拆除工作進度很緩慢，即使更換了更有經(jīng)驗的拆除作業(yè)人員后進度依然緩慢，施工單位有畏難懈怠情緒。最后用了1個月才完成第一跨的拆除工作。以這種當前進度顯然會大大影響后續(xù)工作和總進度安排更為嚴重的是影響年后汛期的工程安全渡汛。

圖1 清華大壩水庫原工作橋全貌

1.2 設(shè)計變更過程

2011年初，業(yè)主緊急召集參建各方召開專題會議。通過會議討論認為:原梁體混凝土經(jīng)檢測部門檢測、設(shè)計部門復(fù)核，強度既然基本滿足設(shè)計要求，橋梁底面的跨中和兩端位置的張拉裂縫大多在允許范圍內(nèi)，可以繼續(xù)工作，就沒有必要一定采用拆除重建方案。又考慮到工作橋上部還要新建景觀長廊，會增加橋梁的工作荷載，故有必要對梁體進行加固補強，增加梁底面的整體抗拉強度，使裂縫控制住不再發(fā)育伸展即可。最后設(shè)計部門進行了加固補強的方案比選和確定設(shè)計變更方案如下。

對已完全破壞了梁體的大壩右側(cè)第一跨工作橋采用原設(shè)計方案—拆除重建，對其他工作橋采用碳纖維對主梁加固并加寬工作平臺寬度至3.8m。通過變更，既達到了原設(shè)計意圖，也便于施工和滿足進度要求且節(jié)省了投資。

1.3 具體設(shè)計方案

工作橋右邊第一跨為全部拆除新建項目，其他六跨皆為部分拆除加固項目，具體加固方案如下:采用300g/m2碳纖維布對工作橋梁底和梁側(cè)用A級膠進行粘貼加固。底部采用與梁底面等寬的4層碳纖維布進行粘貼加固，梁跨中采用一層20cm碳纖維布全斷面“U”型包箍，其他部位采用一層20cm碳纖維布均勻間隔20cm“U”型包箍，再在梁頂和梁中沿梁縱向粘貼兩條10cm寬的碳纖維布對“U”型包箍加固，使碳纖維布成為一個整體。

2 碳纖維加固施工組織方案

2.1 碳纖維加固工藝簡介

碳纖維加固是近年來美日等國家所研發(fā)的應(yīng)用在土木工程中的新型加固補強技術(shù)。該方法采用同一方向排列的碳纖維織物，在常溫下用環(huán)氧樹脂膠粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，利用其緊密粘著于混凝土結(jié)構(gòu)表面，使二者作為一個新的整體，共同受力，是一種非常簡單且優(yōu)良的加固補強方法，與傳統(tǒng)的粘鋼加固不同，碳纖維加固在不增加結(jié)構(gòu)物荷重的前提下達到高效加固的目的。

2.2 碳纖維加固特性

(1)強度高:碳纖維加固材料強度普遍較鋼材為高，一些特制強化碳纖維強度可達鋼材的數(shù)倍以上。

(2)超強防水效果:用環(huán)氧樹脂膠點附于混凝土結(jié)構(gòu)表面，防水效果好，可抑制鋼筋腐蝕生銹。

(3)重量輕:其比重比鋁厚還要輕，在不增加落重的情況下達到高強度的加固效果。

(4)施工簡便:碳纖維重量輕，一般只需手工操作，不受施工空間的限制。施工進度快。不受形狀限制不論方形、矩形、六角形及各類不規(guī)則形，加固后均可保持物體原狀，不影響表面裝飾。

2.3 碳纖維施工流程

基底處理→膠粘劑的配置→涂底膠→用整平膠料找平→涂面膠→粘貼碳纖維布→碳纖維布表層涂面膠。

2.3.1 基底處理

(1)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，對于較大面積的劣質(zhì)層，在剔除后應(yīng)用C30以上級細石混凝土進行修復(fù)。對于水平面以下構(gòu)件應(yīng)帶水抽干后混凝土表面干燥的情況下方可進行施工。

(2)用混凝土角磨機去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整。拐角處須將拐角磨圓。

圖2 工作橋處理過程中

圖3 工作橋梁體碳纖維補強

(3)用吹風機將混凝土表面清理干凈并保持干燥。

2.3.2 膠粘劑的配置

(1)將碳纖維膠按配合比要求稱量準確，充分攪拌后即可使用。

(2)配置膠料時應(yīng)注意以下事項:膠料每次配置量不宜太多，于1小時內(nèi)用完為宜。

2.3.3 用整平材料找平

混凝土表面凹陷部位應(yīng)用刮刀嵌刮補平材料修補填平，高度落差較大的部位應(yīng)用整平材料填補，盡量減少落差。

2.3.4 粘貼碳纖維布

(1)按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維布。

(2)將配置、攪拌好的粘貼膠料用滾筒刷均勻涂刷于所粘貼部位，在搭接、拐角部位適當多涂一些。

(3)配合刮片等工具將碳纖維粘貼于需粘貼部位，用槽滾在碳纖維布表面沿同一方向反復(fù)滾壓，以去除氣泡，使碳纖維布充分浸潤膠料。

(4)多層粘貼應(yīng)重復(fù)以上步驟。

(5)在最外一層碳纖維布的外表面均勻涂刷一層粘貼膠料。

3 碳纖維加固施工過程

3.1 原材料檢驗

表1 碳纖維布和配套A 級膠送檢數(shù)據(jù)

由表1可知碳纖維布和配套A級膠符合設(shè)計與規(guī)范要求。

3.2 現(xiàn)場施工控制措施

(1)原材料經(jīng)過檢測合格后方可使用。

(2)施工人員資格審查后方可上崗。

(3)嚴格按監(jiān)理審批后的施工組織方案施工。

(4)嚴格各工序執(zhí)行檢查驗收制度。

(5)已澆混凝土面板終凝后即蓋上氈布進行灑水養(yǎng)護直到28天以上。

4 碳纖維加固處理效果

4.1 施工質(zhì)量檢測評價

在施工過程中，與當前施工條件同樣的環(huán)境下取了一組粘貼鋼標準塊，采用經(jīng)檢定的粘結(jié)強度檢測儀進行室內(nèi)試驗，其正拉粘結(jié)強度值為3.1～3.6MPa，達到設(shè)計要求原構(gòu)件混凝土的抗拉強度標準值(2.01MPa)的1.5倍的要求，且破壞形式為內(nèi)聚破壞(為正常破壞形式)，根據(jù)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146∶2003)評定為合格。

4.2 運行實際效果

工作橋工程竣工后，通過幾次啟閉機運行過程觀測，梁體碳纖維布與混凝土面粘結(jié)良好，無碳布撕裂、脫膠等異?，F(xiàn)象。

圖4 竣工后工作橋全貌

整個工作橋碳纖維加固工作施工過程很順利，只用了2周的時間，不但把按原拆除重建設(shè)計方案延誤的工期搶了回來還提前了2個月，為實現(xiàn)總工期目標作出了貢獻。

原拆除重建設(shè)計方案需耗費透支約30萬元，采用碳纖維技術(shù)只用了15萬元，節(jié)約了近一半的投資。

5 結(jié)語

碳纖維加固工藝在此次清華水庫除險加固工程的成功運用，完成了質(zhì)量、進度、費用的三控制目標。是參建各方通力協(xié)作、積極思維、敢于從新、科學工作的成果，成功之處供水利同仁借鑒。