碳纤维布加固技术在小龙门航电工程中的应用

胡 林,代庆明

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川 成都 610072)

1 前 言

碳纤维布加固技术是指由具有高抗拉强度的碳纤维束经配套粘结树脂粘结后形成碳纤维增强聚合物(简称 CFRP),粘贴在需加固构件的表面,使两者共同作用,提高构件的承载能力,从而达到加固补强的目的。因其操作简单,效果显著,成本较低,是近年来国内发展较快的一项新技术。

碳纤维布加固技术具有以下特点:

(1)抗拉强度高,是普通钢筋的 10倍以上;

(2)施工方便,不增加构件的自重和几何尺寸,不需要投入大型机械和大量人力;

(3)适用于多种结构类型,如梁、板、柱、剪力墙、屋架、桥墩等,尤其是适用于各种异型结构;

(4)施工周期短,成本低。

2 工程实例概况

小龙门航电工程是四川嘉陵江梯级开发的第十一个梯级,2003年开工建设。在厂房 3号机下游排架柱牛腿段浇筑后,经取样试块检验和后来的回弹仪、钻孔取芯复核,发现 9号柱的混凝土等级仅为C15,需要经过加固处理后才能投入使用。

经多方案对比研究决定,采用高强度碳纤维布(fcfk≥3000MPa)将需加固段环向包裹,使该段混凝土结构形成环向约束抗压加固效果,使其达到在受压时形成三向受压而不易破坏的力学效果。

3 对比试验

由于碳纤维布加固技术目前还缺乏权威的统一标准,且难以找到类似的工程实例作参考,同时为了工程在质量验收时有明确的数据,决定通过对比试验来确定施工参数并明确加固效果。试验步骤为:用同一批混凝土料制作 4组(每组 3个)C15标准试件(150mm×150mm×150mm),并在标准养护室养护 28天;在养护 21天后,分别按照试快环向表面积的 33.3%、50%、75%和不包裹四种规格用碳纤维布进行环向包裹,混凝土试块表面粘贴的碳纤维布为一层,厚度 0.165mm,具体形式见图 1。

试件经包裹后再放到养护室养护 7天,养护期满后做试块抗压强度试验,试验结果见表1。

表1 试件经包裹后的抗压强度

环向包裹面积比与抗压强度提高百分比关系见图2。

9号柱的实际强度等级为 C15,如将等级提高至C20,则提高的百分比为 33.33%。根据试验结果及分析,包裹面积比为 33.3%的强度提高率较小,不满足要求;包裹面积比为 50%的强度提高率为41.72%,超出所需提高值11.39%;而包裹面积比

图1 试件包裹形式

图2 环向包裹面积比与抗压强度提高百分比关系曲线

为75%的强度提高率与包裹面积比为50%的强度提高率相差不大,且两者之间曲线关系较为平滑。从试件受压破坏的情况来看,在两端及中间受到碳纤维布的包裹后,抗压能力可以显著提高。经分析比较,采用包裹面积比为 50%的加固方案不仅可以满足加固需要,而且经济成本较低。

4 加固方案设计及工艺流程

根据对比试验的结果并结合工程的实际情况,制定出 9号柱牛腿段的具体加固方案(见图 3)。

包裹面积计算如下:

图3 9号柱牛腿段的加固(尺寸单位:cm)

排架柱牛腿段,粘贴 5条 250～500mm宽、0.167mm厚的 CF环形布带对排架柱缺陷区段围束抗压加固。CF布粘贴加固范围,下端超出柱缺陷区段延伸至无缺陷柱中,使加固区段的混凝土受压时形成三向受压而不易压坏的力学效果,并实现柱加固区段与未加固区段的受压承载力提高的连续过渡;柱加固区段 CF布缠包围束面积 12.935m2,围束面积比为 57.22%,可使柱加固区段的混凝土抗压强度提高 40%以上,达到或超过未加固区段的混凝土强度等级。下游侧粘贴长度分别延伸至两侧联系梁 20cm长,以增强加固效果。

为消除 CF布带在柱子转角处的应力集中现象,柱子转角处做圆弧化处理,圆弧半径应不小于2.0cm。

与粘贴 CF布配套的底层树脂、找平及修补材料、浸渍树脂等严格按照生产厂家提供的施工工艺进行配制,材料力学、工艺性能满足施工要求。

碳纤维布严格按照设计图纸要求尺寸进行裁剪并预留搭接长度,搭接长度不得低于 10cm;施工结束后做好防护措施,在干燥状态下养护 7天以上方可进行其它工序施工。表面防护材料颜色要与周围混凝土颜色一致,以保证混凝土外观质量。

加固工艺流程为:

(1)施工准备。施工前认真阅读设计方案,在加固部位放线定位。搭设好施工平台,对所使用的碳纤维布、配套树脂、机具等做好施工前的准备工作。

(2)混凝土表面处理。利用打磨机对混凝土表面进行打磨处理,要求除去表层浮浆、油污、拉筋头、焊渣等杂质,最终露出混凝土结构新面。对于局部出现的蜂窝、麻面、凹陷、缺角等现象,首先利用刷子或风机将打磨后残留的灰尘清扫干净,再用配制好的修复材料进行修补平整。由于本工程要求处理后保持与其他柱外观一致,因此需要将混凝土面打磨至低于原混凝土面 2～3mm,以便于在包裹碳纤维布后涂刷水泥浆,保持与其它柱的外观及几何尺寸一致。

(3)底层树脂配制及涂刷。按照产品生产厂商提供的工艺规定配制底层树脂,采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面,底层树脂表面在指触干燥后尽快进行下一道工序。

(4)粘贴面找平处理。按照产品生产厂商提供的工艺规定配制找平材料,粘结能力必须符合施工要求。混凝土表面修补选用丙酮将表面浮尘擦去,凹陷处使用修补胶找平;有段差或转角部位,抹成平滑曲面。用刮刀对凹坑实施填补找平,找平程度按目测无明显痕迹纹路为准。在找平材料指触干燥后尽快进行下一道工序。

(5)碳纤维布裁剪。按设计尺寸裁剪碳纤维布,严禁斜切,并防止出现拉丝现象。必须保证裁剪后的碳纤维方向与粘贴方向一致。注意保护裁剪成型的碳纤维布,保持其洁净不受污染。

(6)浸渍树脂涂刷及碳纤维布粘贴。按照需要粘贴的面积确定配制浸渍树脂的多少,根据厂家配合比和工艺要求严格配制。搅拌时向一个方向搅拌,直至颜色均匀、无气泡产生。配制好的浸渍树脂应尽快使用,防止失效和杂质混入。粘结剂的优劣直接关系到碳纤维布与混凝土之间能否协调变形、是否会出现滑移,最终影响到能否发挥其优越的力学性能,因此需要特别重视该工序。

粘贴碳纤维布前对混凝土表面再次清洁,确保粘贴面无粉尘杂质。先在粘贴部位均匀地涂刷一道浸渍树脂,然后将裁剪好的碳纤维布用手轻轻压贴于需要粘贴的部位,再利用专用滚筒沿碳纤维方向多次滚压排除气泡,保证碳纤维布与结构面紧密粘结在一起。浸渍树脂应充分浸透碳纤维布,滚压时不能损坏碳纤维布。

(7)混凝土表面的防护和处理。业主要求,在处理完成后不能影响混凝土外观质量。在碳纤维布粘贴完成并在指触干燥后,利用粘结树脂和P.O.325水泥拌制成表面防护材料,防护材料的配制应通过试验确定,其涂刷后的颜色必须与混凝土颜色一致。防护材料应均匀涂抹于碳纤维布表层。

施工现场要远离火源、电源,尤其是高压电线或输电线路。配制浸渍树脂时应保持良好的通风。

5 实施效果及评价

从小龙门航电工程 4台机组安装(牛腿承受最大荷载时期)已顺利完成来看,本次采用碳纤维布加固技术增加牛腿的承载力是成功的。但尚需指出:

(1)由于试验条件受限,试件尺寸和现场实际施工的构件尺寸相差较大,因此对于尺寸效应需作进一步研究。

(2)笔者认为,低强度的构件经高强度的材料包裹后,其抗压强度提高的比例应更大。

(3)在发现 9号柱的强度为 C15后,设计单位曾经复核计算,结果表明 C15的强度也满足使用要求,只是安全系数有所降低。因此通过碳纤维加固技术来增加一定的承载力,工程风险仍在控制范围内。

6 结束语

碳纤维布加固技术是一种新型的结构补强方法,有显著的优点、特点,但也存在一些不足。国内引进和应用于工程实践中也就是几年的时间,而且大部分是用于桥梁加固等工程,用于水利水电项目的工程实例并不多见。因此该技术的理论研究、计算方法、设计方案、施工工艺等方面都需要继续深入研究,并结合大量工程实例进行分析论证,使该项技术日趋完善。