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配套粘結樹脂粘結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,需要經過加固處理后才能投入使用。

經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,試驗結果見表1。

表1 試件經包裹后的抗壓強度

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)對比試驗的結果并結合工程的實際情況,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。下游側粘貼長度分別延伸至兩側聯(lián)系梁 20cm長,以增強加固效果。

為消除 CF布帶在柱子轉角處的應力集中現(xiàn)象,柱子轉角處做圓弧化處理,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,最終露出混凝土結構新面。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。按照產品生產廠商提供的工藝規(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。按照產品生產廠商提供的工藝規(guī)定配制找平材料,粘結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、無氣泡產生。配制好的浸漬樹脂應盡快使用,防止失效和雜質混入。粘結劑的優(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。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,保證碳纖維布與結構面緊密粘結在一起。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量。在碳纖維布粘貼完成并在指觸干燥后,利用粘結樹脂和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,設計單位曾經復核計算,結果表明 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。

6 結束語

碳纖維布加固技術是一種新型的結構補強方法,有顯著的優(yōu)點、特點,但也存在一些不足。國內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,并結合大量工程實例進行分析論證,使該項技術日趨完善。