碳纤维布加固技术在国外水电站厂房混凝土结构吊车梁的应用

吴浚源

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

碳纤维由于其强度高、密度小、厚度薄等特点，在公路、铁路、桥梁、隧道、住房建筑等的改造和加固中得到广泛应用。就加固效果和施工进度而言，尤其在空间有限的结构部位，可减少因对建筑进行加固而导致的原有建筑空间尺寸和重量增加的问题，大大增加了加固施工作业空间，有效加快施工进度，提高施工质量，保证工程的安全性、使用性和耐久性。因此，在荷载增大、改善结构状态、抗震加固、改变结构体系等钢筋混凝土结构加固工程中，采用碳纤维材料为基础的加固方案显得尤为重要。

1 工程概况

本文以非洲国家赞比亚慕松达水电站的供电厂房项目为例，该项目是当地政府为城市附近居民点和农村供配电而开发的水力发电项目，属中小型基础设施的民生工程，从建成到改造已有五十多年的历史。这座工业厂房为单层地面式布局，采用钢筋混凝土框架结构形式，原厂房设计安装了两台单卧式水轮发电机组，由于用电峰值较大，厂房内设备已扩容，先后增加了3台发电机组，现有电站发电机组5台，均维持在原设计允许荷载范围内。

该水力发电站因长时间运行，部分水工建筑物受损，维护非常不便、整体协调运行不畅、多数设备陈旧老化、技术落后，已严重影响电站的安全和使用。因此，当地政府委托我方对该工程进行修复和改造扩建，以延长工程的使用年限。在减少对原有施工设备运行影响的基础上，赞方提出增加2台大功率发电机组，使总装机达到7台，以满足供电区的电力需求。整体扩建方案为：将1#、2#、3#、4#、5#机组由 1MW 扩容至 1.1MW，再新建一座厂房，内装两台2.25MW水轮发电机组，总装机容量10MW。根据更换电机设备的设计要求，需将现厂房内一台7.5t重的手动桥机更换为10t重的电动桥机，设备升级后，机组重量比原来增加了33%，新桥机自重也比旧桥机增加，在老厂房机组安装前需完成吊车梁的加固施工任务，不得影响既有的安装施工。

2 方案比选

慕松达水电站老主厂房长47.85m，上下游宽7.6m，作业空间比较狭窄，如果采用传统的施工方法改造加固吊车梁，其施工技术严重受限。对于加固改造，提出采用增加吊车梁断面、增加支撑、钢板加固等方案，将影响下一步机组的安装，且增加吊车梁断面、增加支撑方案受空间狭窄的限制，施工机具无法施工。用钢板加固的方案还需要设置支撑，施工工期较长，同样受空间狭窄限制较多，并影响后续机组安装。经多种方案比较，赞方决定采用我方提出的“碳纤维布加固钢筋混凝土结构技术”，通过利用碳纤维材料本身具有较强的力学性能，配套使用黏结剂，增强与基层材料的握裹力，大大提高碳纤维布的抗拉强度，使碳纤维丝能很好地与钢筋混凝土结构共同工作，达到加固吊车梁的目的。

3 技术原理及适用范围

碳纤维加固法经济成本低、适用范围广、发展前景广阔，经过多年的研究应用，其原材料被证实具有轻质高强、耐腐耐酸、柔性好、抗拉强度高等特点。碳纤维布与聚合物砂浆配合使用，可较好地与混凝土黏接，达到结构补强、控制裂缝的效果。这是一种节能、环保、高效的新技术，具有防火性好、透气性好、耐久性好等优点，适合潮湿环境。碳纤维布加固钢筋混凝土结构技术的原理是：采用高性能黏结剂，将富含碳纤维丝的碳纤维布粘贴于建筑结构表面，充分发挥碳纤维的抗拉性能，使两者能共同工作，提高结构构件的抗拉、抗剪承载能力，实现对建筑物补强、加固的目的。这一新技术特别适用于作业空间有限，不能采用增加截面积或支撑等方法加固的混凝土结构。

4 碳纤维布加固技术应用

自2017年3月10日起对吊车梁进行表面打磨，3月25日开始吊车梁加固施工，根据厂房吊车梁的分缝位置，先进行1#～3#机组段的吊车梁加固施工，3月30日完成，养护3d后，再进行4#～5#机组段的吊车梁加固施工。

4.1 施工工艺流程

碳纤维布加固吊车梁的施工工艺流程主线为：施工准备—原构件表面处理—构件界面处理—涂刷底胶—修补找平—刷胶、粘贴纤维材料及养护—施工质量检验—防护面层施工，详见图1。

图1 碳纤维布加固施工工艺流程

4.1.1 施工准备

观察加固构件混凝土的实际情况，结合设计、图纸要求，做好施工机具准备，配备相应的施工资源，确定施工方案和计划，做好施工前的准备。

4.1.2 胶黏剂配置

采用配套胶黏剂，其配比为：A料∶B料=2∶1，原材料按份称量准确，分别配置底涂胶料、整平胶料和黏接胶料，重量偏差在±5%范围内。可先将稀释剂加入聚合物内搅拌均匀，然后依次加入填料、固化剂，采用低速搅拌2～3min，充分搅拌均匀后方可使用。胶料一次配置不宜过多，一般情况下，底涂胶料配置1～2kg为宜、整平胶料配置0.5～1kg为宜、黏接胶料配置1～2kg为宜，配置的胶料应在配置后1h内用完，否则不得用于加固工程。

4.1.3 基底处理

①混凝土表面出现剥落、蜂窝、腐蚀等质量问题时，应对劣质层进行剔凿处理，并在凿除后用水泥砂浆聚合物修复找平，混凝土裂缝宽度不超过2mm时，采用表面密封处理，当裂缝宽度超过3mm且裂缝较深时，采用压力灌浆封闭处理。

②清除混凝土外部装饰层和油污物，露出混凝土表面。一般使用角磨机配合砂轮、砂纸，打磨基底混凝土，打磨修平构件表面凹凸不平的部位，除去混凝土表层1～2mm厚的浮浆和杂质，直至完全露出混凝土结构新外层表面。

③混凝土吊车梁的阴阳角部位应修整成直径20mm的圆弧，用混凝土磨光机将吊车梁混凝土表面打磨平整，棱角磨成圆角（见图2）。

图2 混凝土构件阳角部位处理示意图

④磨平处理后，用吹风机将混凝土表面的粉尘、砂粒清理干净，保持混凝土构件表面干净和干燥。

⑤再次修补混凝土构件表面凹陷部分，检测处理后的构件平整度，用靠尺检查各个方向的平整度偏差，尽量满足偏差范围为±5mm/m。

4.1.4 涂刷底胶

①吊车梁混凝土表面打磨完成后，用水清洗干净、晾干，根据加固设计图纸，对粘贴碳纤维布的部位画线。

②将主剂和固化剂按一定比例放入容器中，用搅拌器低速搅拌均匀，制成底胶。依据施工现场实际温度确定每次用量，采用悬挂计时装置等措施，严格控制使用时间。

③用滚筒刷或毛刷将底胶均匀涂在已清洁的混凝土吊车梁表面，涂刷厚度不超过0.4mm，不得流淌、起泡或漏涂，等待2h胶水固化后，再进行下道工序。

④用手指触摸底胶，使其达到指干状态后，用修补材料将混凝土表面坑洼部位找平，并立即粘贴碳纤维布。涂刷碳纤维底胶时，施工温度不低于-5℃，且湿度应为85%以下。

⑤底胶的容量和环境温度决定修复的效果，如果底胶已超过有效期，则不能应用于工程施工中。为防止底胶面染污，涂底胶时应避免使用纤维手套。

4.1.5 整平胶料找平

①配制整平胶，按比例配比和工艺要求进行搅拌，整平胶应严格按照使用说明配制，混合后充分搅拌均匀，主剂与硬化剂的重量配制比例应为 2∶1。

②混凝土表面凹陷部位应使用工具嵌填整平胶料修补填平。按照说明配置整平胶料，用刮刀或铲刀将配置好的整平胶料刮在混凝土表面凹陷部位，对于局部突起部分，应用砂轮或磨片磨平，如果表面仍存在凹凸糙纹，则可用砂纸打磨平整，修复部位的表面与原结构偏差不得超过1mm。

③转角处用整平胶料修整成光滑的圆弧状，半径不小于20mm，整平胶料的固化时间应结合施工现场温度来确定，一般2h左右，可采用手指触感干燥检验，固化后方可进行下道工序。

4.1.6 粘贴碳纤维布

①按设计要求尺寸，将碳纤维布裁剪成行。碳纤维的受力方向应沿着纤维的方向，严禁将纤维斜向切断，一般情况下，碳纤维布长度应在3m以内。

②配置适量的粘贴胶料，避免胶料时间过长，使用滚筒刷均匀地涂在粘贴部位，对搭接处、阴阳角等部位适量增加胶料涂刷。碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不小于150mm，用特制的光滑滚子在其表面沿着同一方向反复滚压至胶料渗出表面，使粘贴胶料充分浸润碳纤维布，再在最外层碳纤维布的外表面均匀涂抹一层黏接胶料，等待纤维布表面指触感干燥。

4.1.7 固化养护

①碳纤维布粘贴完后24h内要防止雨淋或受潮，适当采用薄膜覆盖，防止风尘、雨水侵扰，避免加固表面和构件受外界因素干扰，采取自然养护的方法，静置24h以上，达到初期固化。

②碳纤维布粘贴完成至达到设计强度所需的自然养护时间与气温有较大关系：

平均气温≤10℃时，养护时间≥14d；

10℃＜平均气温≤20℃时，7d≤养护时间≤14d；

平均气温≥20℃时，养护时间≥7d。

③养护期间，使用硬质材料进行防护，防止加固部位受到硬性冲击，养护完成后，表面施作水泥砂浆保护层。

4.2 质量控制要点

（1）碳纤维布应严格按照设计尺寸进行施工，确保实际粘贴面积≥设计面积，施工粘贴水平和垂直位置偏差≤10mm，被加固的混凝土构件抗压强度等级≥C15，5℃≤施工期间温度≤35℃。

（2）用手轻轻按压或小锤轻轻敲击的方法，检查碳纤维布与加固构件之间的黏接质量，保证整体有效黏接面积≥95%。

（3）当粘贴的碳纤维布空鼓面积≤100cm2时，可用针管注胶的方法进行局部修补。当粘贴的碳纤维布空鼓面积＞100cm2时，为保证施工质量，可先将空鼓部位的碳纤维布切除，再按照搭接粘贴的施工原则粘贴碳纤维布，搭接长度≥150mm。必要时可采用正拉试验对施工质量进行现场抽样检验。

（4）碳纤维布及配套胶料的原料应密封贮存、避免阳光直射、远离火源、防止碳纤维弯折。碳纤维布为导电材料，一定要采取可靠的防护措施，施工时尽量远离电气设备及电源，施工场地要保持良好的通风，另外，碳纤维布应尽量通长布置，如不能通长布置时，应沿纤维方向进行搭接，搭接长度≥150mm。

4.3 安全技术措施

施工过程中，施工人员必须坚决执行《建筑安装工程安全技术操作规程》，严格遵守现场安全规章制度，服从现场统一安全管理，施工人员在进场工作前应严格进行三级安全教育和技术交底；现场配置胶料会产生甲醛、苯等有害气体，需要加强通风排气，施工人员应佩戴必要的防护用具，如护目镜、口罩、手套等，确保施工作业条件良好。另外，黏接胶料和碳纤维材料属于易燃物品，严禁在施工现场吸烟、明火，操作电动工具时要穿绝缘鞋、绝缘手套，施工现场必须配备灭火器等消防器材。

5 结语

在赞比亚慕松达水电站改造项目中，通过碳纤维布加固工业厂房吊车梁建造技术方案比选和实际应用，改进了施工工序，有利于工业设备的安装施工，拓宽了新材料、新技术的应用市场，取得了良好的社会效益和经济效益。

（1）选用碳纤维布加固混凝土结构技术，对慕松达水电站老厂房这种空间比较狭窄的混凝土结构优势明显，其施工占地小、效率高、加固效果好，养护3d后就能承受荷载。该方案可行性高，施工完成3d即可满足桥机在吊车梁上行走的要求。2017年4月9日，老厂房吊车梁加固全部完成，为老厂房机组提前安装创造了有利条件。

（2）该研究项目从课题确立到实施完成，仅用了99d，施工时间只用了30d，施工速度较快。用碳纤维布加固吊车梁施工时，做了1组试件（共3块），通过万能材料试验机进行抗拉试验，试验破坏都是混凝土被破坏，碳纤维布及碳纤维布黏接面均未被破坏。

（3）该技术方案的实施，实现了国内研发技术成果的落地转化和技术出口，利用技术优势提出了经济改造方案，实现了国外业主对水电厂房工程改造加固的总体目标，减少了人工量，缩短了工期，避免了危险性较大的支撑工程，提高了工程整体经济效益和社会效益。