碳纖維布加固技術在水利工程中的應用

朱立冬，李亞利，齊寶瑩

（吉林市水利水電勘測設計研究院，吉林 吉林市 132000）

碳纖維布加固技術最早起源于德國、瑞士，在20世紀80年代后期，碳纖維復合材料被用于加固混凝土結構。

碳纖維復合材料加固修復混凝土結構技術，是將碳素纖維這種高性能纖維應用于土木工程，利用樹指類材料把碳纖維粘貼于結構或構件表面，形成復合材料體CFRP，通過其與結構或構件的協(xié)同工作，達到對結構構件補強加固及改善受力性能的目的。

加固修復混凝土結構所用碳纖維材料，主要為二種，碳纖維與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強度為建筑鋼材的十幾倍，而彈性模量與鋼材相當，某些種類（如高彈性）碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的2倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復材料；配套樹指則包括底層樹脂、整平材料及粘浸樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結質量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復合性整體，并且共同工作。

1 板梁構件加固中的應用

目前混凝土加固通常采用增大截面加固法、置換混凝土加固法、外粘型鋼加固法、外粘鋼板加固法、粘貼纖維復合材加固法等方法。粘貼纖維復合材法具有強度高（抗拉強度高于普通鋼材十倍以上）、比重輕、耐久耐腐性好、施工便捷、技術成熟等優(yōu)點。

吉林省永吉縣碾子溝水庫泄洪洞建于50年代，泄洪洞洞身長32.2m，共3孔，每孔過水斷面尺寸3.55m×3.4m（B×H）。洞邊墻及底板為鋼筋混凝土U型槽結構，頂部為鋼筋混凝土T形梁蓋板。2003年，水庫進行了除險加固，由于土壩壩頂加高了0.38m，經復核，泄洪洞洞頂T形梁配筋不滿足強度要求。通過計算，設計采用300g/m2碳纖維布粘于全梁底部。碳纖維粘貼采用碳纖維配套樹脂（環(huán)氧樹脂），具體施工方法如下：

混凝土表面處理，即打磨混凝土表面，去除表面灰漿及疏松部分，使用吹風機吹去浮灰；配制并涂刷底膠，將底膠按主劑:固化劑，2∶1（質量比）的比例混合，攪拌3～5min，至充分均勻后使用；配制找平膠并對不平整處修復處理；配制并涂刷浸漬膠，將混合后的浸漬膠涂刷在加固位置，粘貼碳纖維布。

碳纖維補強對加固構筑物有著卓越的效果，它可以最大限度地保留原來建筑的結構特點，不增加構筑物的重量，不改變原建筑結構的外型，施工速度快且工程造價低。碾子溝水庫泄洪洞加固施工僅用時4d，投資4萬余元便解決了安全隱患，目前，泄洪洞運行良好。

2 牛腿加固中的應用

三河閘位于洪澤湖東南角，是淮河入江水道的控制口門，設計流量12 000m3/s。1968年加固時在閘身上游側增設了鋼筋混凝土結構的檢修門起吊牛腿127根。牛腿挑出工作橋面0.625m，牛腿端部截面尺寸為0.2m×0.24m。由于牛腿結構設計不合理，施工質量較差，1998年起牛腿混凝土出現破損、剝落、露筋等現象。多次采用傳統(tǒng)的水泥砂漿方法進行修補，但仍有上述現象發(fā)生。2004年7月，三河閘管理所引進碳纖維對牛腿進行了加固。

檢修門起吊牛腿兼有抗剪和抗彎作用，原結構破壞形態(tài)主要為剪切破壞，部分為受拉筋不足破壞。根據工程實際情況，加固時采取粘貼橫向和縱向碳纖維布相結合的方法提高牛腿的抗剪和抗彎性能。即垂直牛腿軸向粘貼全封閉300g/m2碳纖維包箍，提高牛腿的抗剪性能；在牛腿頂部沿軸向粘一層同型號碳纖維布，起抗拉及包箍接頭壓條作用。

運用該技術加固的三河閘檢修門，起吊牛腿抗剪、抗彎性能均得到很大提高，抗剪承載力從原來的43.6kN，提高到140.80kN，抗彎強度從原來的42.9kN·m，提高到51kN·m。

3 水工隧洞加固中的應用

水工隧洞受水流的沖刷、磨損、氣蝕等，隨運行時間的增長，會出現裂縫、滲漏、老化等問題，嚴重影響結構的安全性和耐久性。傳統(tǒng)的噴混凝土或掛網澆筑混凝土等水工隧洞加固技術，相當于對隧洞進行二次襯砌，施工難度大、周期長，經濟效益差，且改變了隧洞的過流斷面，投入使用一段時間后，又要面臨新的加固問題，周而復始形成惡性循環(huán)。

湖南桃花江的灌溉、發(fā)電引水道由壩內管道、壓力隧洞和鋼筋混凝土壓力管道組成。鋼筋混凝土壓力管道為露天管道，灌溉管直徑為2.4m，壁厚0.4m，管長11.5m；發(fā)電管直徑為1.75m，壁厚0.3m，管長5.4m。輸水管道運行至今已有30多年，鋼筋混凝土壓力管道混凝土碳化嚴重，管壁裂縫較多且漏水嚴重。

修復加固具體做法是沿鋼筋混凝土發(fā)電管、灌溉管的全長和全斷面粘貼碳纖維布和玻璃纖維布。該工程2002年12月15日開工，于2003年1月25日基本完工。經過一年多運行檢驗，加固效果良好，工程造價比鋼板襯砌加固降低了30％～40％。

碳纖維材料在隧洞加固中優(yōu)點十分突出，主要如下：

（1）可以任意裁剪，加固各種形狀（圓形或復雜曲面）的結構。

（2）加固補強時不需要使用大型加固機具，工程效率高，施工速度快。

（3）耐腐蝕、抗?jié)B、抗沖刷。

（4）碳纖維布糙率（0.007），低于混凝土表面糙率（0.014），在加固段可以增大流量系數，提高管道的過流能力。

（5）可有效封閉混凝土裂縫，從而延緩或消除裂縫的出現和擴展。

（6）加固后不改變原有斷面的大小和形狀。

（7）加固效果好，不需要進行后期維修，較為經濟。

4 施工中需注意的問題

（1）粘帖碳纖維布時，必須驅除纖維絲內的空氣，使碳纖維布表面平整。當出現空鼓且面積少于100cm2時，采用針管注漿方法填實空鼓；空鼓面積超過100cm2時，應切除后重新粘貼。

（2）碳纖維布粘貼時需搭接的，搭接長度應滿足規(guī)范要求，一般應不小于10cm。

（3）粘貼碳纖維布時一定要根據碳纖維所起作用，選擇正確的纖維方向。

（4）碳纖維布為導電材料，施工時應采取相應的有效保護措施。

（5）后續(xù)施工不得破壞已經完成的碳纖維，不得靠近碳纖維焊接、烘烤。

5 結語

碳纖維加固主要用于加固受拉、受剪、拉彎的鋼筋混凝土構件，且理論已十分成熟，相應計算可依據《混凝土結構加固設計規(guī)范》GB50367-2006及《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》（CECS146:2003）。

碳纖維材料雖然具有十分突出的優(yōu)點，但也要注意以下幾個問題，一是進口碳纖維布產品價格比較昂貴，而國內產品的質量性能還存在著一定的問題。例如材料的勻質性較差導致受力不均，碳纖維片預浸樹脂含量過高，碳纖維斷絲率過高，樹脂質量也欠佳，這些都影響補強質量；二是對于一些特殊構件，加固理論還不成熟。