粘碳纤维布在穿黄输水隧洞中的研究与应用

2023-05-25郑晓阳张建伟

河南水利与南水北调 2023年4期

郑晓阳，张建伟

（1.中国南水北调集团中线有限公司河南分公司，河南郑州 450000；2.中国南水北调集团江汉水网建设开发有限公司，湖北武汉 430040）

1 工程概况

穿黄工程线路总长19.30 km，设计流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。穿黄隧洞共长4.25 km，采用双洞平行布置，中心线距离28 m。隧洞采用内外双层衬砌结构，两层衬砌间用透水垫层隔开，该结构形式在国内外均属先例。隧洞外衬采用C50钢筋混凝土预制管片拼装而成，管片外径8.70 m，内径7.90 m，管片厚度40 cm，管片环宽1.60 m，采用7 等分管片分块形式。内衬为后张法有黏结预应力混凝土结构，设置有纵向及环向预应力锚索，穿于波纹管中布置于两层钢筋网之间。

2 研究背景

粘碳纤维布常见的有桥梁、隧道、烟囱、楼房等结构补强，但在输水隧洞中的补强并不常见，项目考虑到该材料的诸多优点，采用粘碳纤维布进行隧洞补强，并开展相关研究。

3 输水隧洞应用的分析与探讨

3.1 粘碳纤维布试验

3.1.1 试验目的

在正式施工前，对隧洞局部性缺陷采用粘碳纤维布配套专用修补胶进行处理修补，以验证碳纤维布黏接强度指标。

3.1.2 试验步骤

①基面处理：试验选择基面3 块，尺寸为50 cm×50 cm，间隔50 cm并标示边缘，打磨平整且露出骨料后将基面清理干净并保持干燥，随后对3块基面分别按照干燥基面、潮湿基面（用水桶盛清水泼在基面上，泼水5 次，每次泼水确保湿润整个基面范围，每次间隔1 min，5次完成后，使用毛巾擦干基面区以及上方，确保基面湿润但无明水且上方无水流下）、明水基面（用水桶盛清水泼在基面上，确保清水全部覆盖整个基面范围，泼水5次，每次间隔1 min）进行处理。②底胶涂刷及粘贴碳纤维布：基面处理完成后采用浸渍胶均匀涂抹于混凝土表面，底胶涂刷好后随即粘贴碳纤维布。粘贴时采用专用滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，并使碳纤维布完全浸润。③涂覆浸渍胶并养护：将配制好的浸渍胶树脂，均匀涂抹在碳纤维布上，用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍胶充分浸透碳纤维布，并与底胶充分结合，随后养护7 d。④拉拔试验：根据拉拔头的尺寸，切割出40×40 cm2的尺寸，粘贴拉拔头，然后进行使用拉拔试验仪黏结性能检测。

3.1.3 试验结果

试验采用某纤维厂家生产的碳纤维布、CXs-3/2浸渍胶对进行碳纤维布黏接拉拔试验。从材料养护7 d后，进行拉拔试验检测结果看，干燥基面和潮湿基面的黏接强度均满足要求：拉拔试验检测，粘结强度大于2.50 MPa，且破坏发生在混凝土内，表明浸渍胶的黏接效果较好；明水基面的黏接强度不满足要求，原因归结于水在浸渍胶和基层之间形成隔离层，破坏了底涂对基层的附着力，从而降低了整体的黏接强度。

3.2 粘碳纤维布施工

穿黄隧洞下穿黄河内衬较薄、对过流能力要求很高及粘碳纤维布具有质量轻、施工便捷、防腐性能优异，在不增大截面、不增加重量、不改变外形的条件下对输水隧洞局部混凝土缺陷采用粘碳纤维布进行补强。粘贴碳纤维布加固施工工艺流程：基底处理→找平→涂底胶→粘贴→压板→碳纤维浸渍胶封闭。

3.2.1 基底处理及找平

粘碳纤维布的处理基础处理是关键，通过“3.1粘碳纤维布试验”不难看出，混凝土基础面对粘碳纤维布的拉拔力产生直接影响，结合试验结果，首先需将混凝土基面打磨至露出骨料，打磨后要求要光滑、平整，压结钢板凹陷部位坡度应尽量平缓，不得陡于设计坡度，坡脚处必须平滑过渡。基面应干燥、洁净。为检查基础面清洁程度可用白手套擦拭无痕迹即可。

基面处理验收后，将底层碳纤维布粘结胶均匀涂刷于混凝土表面，在底层粘结胶指干后进行下一步工序施工。粘贴基面局部有凹凸部位，应先采用找平胶将混凝土填补平整。

3.2.2 粘贴碳纤维布

①底胶表面指干后吹除或擦掉表面灰尘，要求白手套擦拭无痕迹，然后涂刷一层粘结胶，要求涂刷均匀、无漏刷，且不能太薄。粘结胶按A：B=2：1分别称重后混合，机械拌和，拌和时间3 min，拌和完成后色泽均匀，无结块、气泡。每次拌和胶量不宜过多，若发现拌和或涂刷过程中胶液明显发热、变稠，禁止使用。②涂刷后立即粘贴，涂胶时若发现涂在基面的胶液有局部或个别地方发白情况，必须立即用刮板刮掉胶液后重新涂刷。③粘贴纤维布时要求挤出气泡，用专用的滚筒（或刮板）顺纤维方向多次滚（刮）压，挤除气泡，使胶液充分浸透碳纤维布。④多层粘贴重复上述步骤，应在碳纤维表面指干后，立即进行下一层粘贴；每层粘贴的有效面积不得低于95%，粘贴过程不得出现碳纤维布下坠或气泡增多现象。为了更好地起到对粘碳纤维布的保护，无论单层还是多层均需在最后一层碳纤维布表面均匀涂碳纤维布粘结胶，并在粘贴完成3 d内不得扰动。

3.2.3 不锈钢压结钢板安装

压结钢板为不锈钢材质，对于处理缺陷部位存在压结钢板的，见图1。安装压结钢板不得扰动碳纤维布，应在粘贴完成3 d 后安装压结钢板，见图2。为避免压结钢板钻孔时伤及结构钢筋或钢绞线，用仪器探测钢筋（钢绞线）位置，避开钢筋并钻直径不小于5 mm，深度不小于6 cm孔，孔间距20 cm。不锈钢板厚3 mm，宽4 cm，相应位置开直径5～6 mm孔。塑料套管浸透黏结胶后塞入孔内，钢板表面涂抹粘结胶用不锈钢螺钉固定。钢板表面防护采用碳纤维浸渍胶涂刷2遍。

图1 碳纤维布补强示意图

图2 压结钢板布置图

3.3 粘碳纤维布缺陷分析及处理

在输水隧洞排水及混凝土面面干后立即排查，避免时间滞后缺陷不宜被排查发现。粘碳纤维布缺陷类型主要包含以下5种：分别是空鼓脱开、渗水、翘边、压结钢板螺丝钉锈蚀、环氧胶泥开裂翘边，其中空鼓脱开问题相对较少，渗水、翘边问题相对较多，针对不同的缺陷类型应采取不同的处理方式。

3.3.1 空鼓脱开

①面积不大于100 cm2的空鼓部位采用注胶，对于面积大于100 cm2的采用切割后重新粘碳纤维布处理。②碳纤维布表面空鼓面积大于100 cm2，以脱开部位最大边缘为切割范围，切割形状为“矩形”，重新按原设计层数粘贴碳纤维布，随后对矩形边缘外侧清理环氧胶泥并搭接（沿纤维方向搭接20 cm）；搭接粘贴碳纤维布时若碰到压结钢板，采用切割机切断压结钢板，碳纤维布补贴完成后恢复压结钢板；表面防护范围为新粘碳纤维布表面及周边外延5 cm，外延部分提前打磨环氧胶泥，要求打磨露出新鲜面。防护方式为涂刷碳纤维浸渍胶2遍。

3.3.2 渗水

排查中渗水作业前已不再渗水的，需割开排查时渗水点部位，是空鼓的按照空鼓处理；如非空鼓，则清除原渗点周边环氧胶泥，清除范围20×20 cm2，刷2层碳纤维浸渍胶封闭。

对于作业前仍在渗水的，切开渗水点部位碳纤维布，按照纵向2 cm，环向5 cm切口查找渗水点并处理，为精确查找渗水点，需根据切开后的渗点情况沿水源方向扩大切割范围，考虑碳纤维布的特性最终切割形状应为矩形。查找渗点过程中碰到压结钢板时，可用切割机切断压结钢板，补贴碳纤维布后再恢复压结钢板。渗水点按照混凝土点渗、面渗处理技术处理，按照空鼓处理相关要求，采用碳纤维修补及防护。

3.3.3 翘边

翘边宽度不大于5 cm，割除翘起的碳纤维布，清理基面；基面验收合格后，上涂2层碳纤维浸渍胶。翘边宽度大于5 cm，割除翘起的碳纤维布，按照空鼓处理要求补贴碳纤维布。

3.3.4 压结钢板螺丝钉锈蚀

针对该问题需先清除锈蚀部位环氧胶泥，打磨除锈后采用碳纤维浸渍胶涂刷2遍即可。对于输水隧洞、潮湿部位粘碳纤维布施工时压结钢板固定螺丝建议采用不锈钢螺丝。

3.3.5 环氧胶泥开裂翘边

环氧胶泥的缺陷处理：一是，对于已与粘碳纤维布脱落环氧胶泥，采用刮刀翘的方式去除；二是，对于与碳纤维布粘贴牢固的需采用打磨方式尽量去除其表层的环氧胶泥，去除时避免伤及碳纤维布。最后再采用碳纤维浸渍胶涂刷两遍。