碳纖維加固工藝在清華水庫(kù)的成功運(yùn)用

周凱華，張 欣

(1.江西遂盛建設(shè)有限責(zé)任公司，江西遂川縣 343900;2.上饒市水利科學(xué)研究所，江西上饒市334000)

清華水庫(kù)位于樂(lè)安河支流清華水的鄣河上，清華水庫(kù)壩址位于江西省婺源縣清華鎮(zhèn)浮溪村，清華水庫(kù)是一座具有發(fā)電、灌溉、防洪和養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐的主要建筑物由大壩和引水隧洞等組成。

該水庫(kù)工作橋自建成至今已運(yùn)行30余年，梁底和梁側(cè)均出現(xiàn)一定程度的張拉裂縫，2010年該水庫(kù)除險(xiǎn)加固項(xiàng)目將該工作橋納入除險(xiǎn)范圍內(nèi)，原設(shè)計(jì)方案是全部拆除重建。

1 設(shè)計(jì)方案的選定

1.1 原設(shè)計(jì)方案與實(shí)施過(guò)程

該工作橋?yàn)椤癟”型梁結(jié)構(gòu)，采用C25鋼筋混凝土，主梁跨度為7m，共七跨工作橋段。2009年12月初按原設(shè)計(jì)(全部拆除重建)方案開(kāi)始實(shí)施。在具體拆除方案選取中，考慮了爆破拆除、機(jī)械拆除和人工拆除等多種方案比較。其中考慮爆破拆除會(huì)對(duì)原有老壩體結(jié)構(gòu)以及新澆筑完成的上游防滲面板可能造成擾動(dòng)或傷害，故排除該方案;因交通橋面寬度和承載能力限制以致大型設(shè)備無(wú)法進(jìn)入工作面，機(jī)械拆除方案也予以排除;后采用人工拆除方案，具體施工安排是安排兩臺(tái)風(fēng)鎬進(jìn)行拆除。

最開(kāi)始對(duì)大壩右側(cè)第一跨工作橋進(jìn)行拆除，因混凝土梁體強(qiáng)度等級(jí)較高，且在高空作業(yè)存在一定的危險(xiǎn)性，工作面也狹小，拆除工作進(jìn)度很緩慢，即使更換了更有經(jīng)驗(yàn)的拆除作業(yè)人員后進(jìn)度依然緩慢，施工單位有畏難懈怠情緒。最后用了1個(gè)月才完成第一跨的拆除工作。以這種當(dāng)前進(jìn)度顯然會(huì)大大影響后續(xù)工作和總進(jìn)度安排更為嚴(yán)重的是影響年后汛期的工程安全渡汛。

圖1 清華大壩水庫(kù)原工作橋全貌

1.2 設(shè)計(jì)變更過(guò)程

2011年初，業(yè)主緊急召集參建各方召開(kāi)專(zhuān)題會(huì)議。通過(guò)會(huì)議討論認(rèn)為:原梁體混凝土經(jīng)檢測(cè)部門(mén)檢測(cè)、設(shè)計(jì)部門(mén)復(fù)核，強(qiáng)度既然基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，橋梁底面的跨中和兩端位置的張拉裂縫大多在允許范圍內(nèi)，可以繼續(xù)工作，就沒(méi)有必要一定采用拆除重建方案。又考慮到工作橋上部還要新建景觀長(zhǎng)廊，會(huì)增加橋梁的工作荷載，故有必要對(duì)梁體進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，增加梁底面的整體抗拉強(qiáng)度，使裂縫控制住不再發(fā)育伸展即可。最后設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行了加固補(bǔ)強(qiáng)的方案比選和確定設(shè)計(jì)變更方案如下。

對(duì)已完全破壞了梁體的大壩右側(cè)第一跨工作橋采用原設(shè)計(jì)方案—拆除重建，對(duì)其他工作橋采用碳纖維對(duì)主梁加固并加寬工作平臺(tái)寬度至3.8m。通過(guò)變更，既達(dá)到了原設(shè)計(jì)意圖，也便于施工和滿(mǎn)足進(jìn)度要求且節(jié)省了投資。

1.3 具體設(shè)計(jì)方案

工作橋右邊第一跨為全部拆除新建項(xiàng)目，其他六跨皆為部分拆除加固項(xiàng)目，具體加固方案如下:采用300g/m2碳纖維布對(duì)工作橋梁底和梁側(cè)用A級(jí)膠進(jìn)行粘貼加固。底部采用與梁底面等寬的4層碳纖維布進(jìn)行粘貼加固，梁跨中采用一層20cm碳纖維布全斷面“U”型包箍，其他部位采用一層20cm碳纖維布均勻間隔20cm“U”型包箍，再在梁頂和梁中沿梁縱向粘貼兩條10cm寬的碳纖維布對(duì)“U”型包箍加固，使碳纖維布成為一個(gè)整體。

2 碳纖維加固施工組織方案

2.1 碳纖維加固工藝簡(jiǎn)介

碳纖維加固是近年來(lái)美日等國(guó)家所研發(fā)的應(yīng)用在土木工程中的新型加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。該方法采用同一方向排列的碳纖維織物，在常溫下用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，利用其緊密粘著于混凝土結(jié)構(gòu)表面，使二者作為一個(gè)新的整體，共同受力，是一種非常簡(jiǎn)單且優(yōu)良的加固補(bǔ)強(qiáng)方法，與傳統(tǒng)的粘鋼加固不同，碳纖維加固在不增加結(jié)構(gòu)物荷重的前提下達(dá)到高效加固的目的。

2.2 碳纖維加固特性

(1)強(qiáng)度高:碳纖維加固材料強(qiáng)度普遍較鋼材為高，一些特制強(qiáng)化碳纖維強(qiáng)度可達(dá)鋼材的數(shù)倍以上。

(2)超強(qiáng)防水效果:用環(huán)氧樹(shù)脂膠點(diǎn)附于混凝土結(jié)構(gòu)表面，防水效果好，可抑制鋼筋腐蝕生銹。

(3)重量輕:其比重比鋁厚還要輕，在不增加落重的情況下達(dá)到高強(qiáng)度的加固效果。

(4)施工簡(jiǎn)便:碳纖維重量輕，一般只需手工操作，不受施工空間的限制。施工進(jìn)度快。不受形狀限制不論方形、矩形、六角形及各類(lèi)不規(guī)則形，加固后均可保持物體原狀，不影響表面裝飾。

2.3 碳纖維施工流程

基底處理→膠粘劑的配置→涂底膠→用整平膠料找平→涂面膠→粘貼碳纖維布→碳纖維布表層涂面膠。

2.3.1 基底處理

(1)混凝土表面如出現(xiàn)剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予剔除，對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層，在剔除后應(yīng)用C30以上級(jí)細(xì)石混凝土進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于水平面以下構(gòu)件應(yīng)帶水抽干后混凝土表面干燥的情況下方可進(jìn)行施工。

(2)用混凝土角磨機(jī)去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整。拐角處須將拐角磨圓。

圖2 工作橋處理過(guò)程中

圖3 工作橋梁體碳纖維補(bǔ)強(qiáng)

(3)用吹風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈并保持干燥。

2.3.2 膠粘劑的配置

(1)將碳纖維膠按配合比要求稱(chēng)量準(zhǔn)確，充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂谩?/p>

(2)配置膠料時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng):膠料每次配置量不宜太多，于1小時(shí)內(nèi)用完為宜。

2.3.3 用整平材料找平

混凝土表面凹陷部位應(yīng)用刮刀嵌刮補(bǔ)平材料修補(bǔ)填平，高度落差較大的部位應(yīng)用整平材料填補(bǔ)，盡量減少落差。

2.3.4 粘貼碳纖維布

(1)按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布。

(2)將配置、攪拌好的粘貼膠料用滾筒刷均勻涂刷于所粘貼部位，在搭接、拐角部位適當(dāng)多涂一些。

(3)配合刮片等工具將碳纖維粘貼于需粘貼部位，用槽滾在碳纖維布表面沿同一方向反復(fù)滾壓，以去除氣泡，使碳纖維布充分浸潤(rùn)膠料。

(4)多層粘貼應(yīng)重復(fù)以上步驟。

(5)在最外一層碳纖維布的外表面均勻涂刷一層粘貼膠料。

3 碳纖維加固施工過(guò)程

3.1 原材料檢驗(yàn)

表1 碳纖維布和配套A 級(jí)膠送檢數(shù)據(jù)

由表1可知碳纖維布和配套A級(jí)膠符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工控制措施

(1)原材料經(jīng)過(guò)檢測(cè)合格后方可使用。

(2)施工人員資格審查后方可上崗。

(3)嚴(yán)格按監(jiān)理審批后的施工組織方案施工。

(4)嚴(yán)格各工序執(zhí)行檢查驗(yàn)收制度。

(5)已澆混凝土面板終凝后即蓋上氈布進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)直到28天以上。

4 碳纖維加固處理效果

4.1 施工質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)

在施工過(guò)程中，與當(dāng)前施工條件同樣的環(huán)境下取了一組粘貼鋼標(biāo)準(zhǔn)塊，采用經(jīng)檢定的粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其正拉粘結(jié)強(qiáng)度值為3.1～3.6MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求原構(gòu)件混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(2.01MPa)的1.5倍的要求，且破壞形式為內(nèi)聚破壞(為正常破壞形式)，根據(jù)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146∶2003)評(píng)定為合格。

4.2 運(yùn)行實(shí)際效果

工作橋工程竣工后，通過(guò)幾次啟閉機(jī)運(yùn)行過(guò)程觀測(cè)，梁體碳纖維布與混凝土面粘結(jié)良好，無(wú)碳布撕裂、脫膠等異常現(xiàn)象。

圖4 竣工后工作橋全貌

整個(gè)工作橋碳纖維加固工作施工過(guò)程很順利，只用了2周的時(shí)間，不但把按原拆除重建設(shè)計(jì)方案延誤的工期搶了回來(lái)還提前了2個(gè)月，為實(shí)現(xiàn)總工期目標(biāo)作出了貢獻(xiàn)。

原拆除重建設(shè)計(jì)方案需耗費(fèi)透支約30萬(wàn)元，采用碳纖維技術(shù)只用了15萬(wàn)元，節(jié)約了近一半的投資。

5 結(jié)語(yǔ)

碳纖維加固工藝在此次清華水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的成功運(yùn)用，完成了質(zhì)量、進(jìn)度、費(fèi)用的三控制目標(biāo)。是參建各方通力協(xié)作、積極思維、敢于從新、科學(xué)工作的成果，成功之處供水利同仁借鑒。