碳纖維材料在水利工程修復(fù)中的應(yīng)用研究初探

萬忠海白文斌馮颯趙川

(1.四川省都江堰東風(fēng)渠管理處，四川 成都 610081；2.四川省水利科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

1 研究背景

我國水利工程中的各類型輸水建筑物，作為輸水工程結(jié)構(gòu)的代表，對保障水利工程防洪、灌溉、供水等效益發(fā)揮具有十分重要的作用、顯著的重要性和不可替代性。但主要輸水建筑物渡槽、水閘、頂管、涵洞、隧洞、倒虹管等有相當(dāng)數(shù)量為20世紀(jì)50—60年代修建的，接近或超過設(shè)計使用年限的現(xiàn)象普遍存在，受當(dāng)時的年代限制，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低、施工質(zhì)量差，經(jīng)過多年運(yùn)行及自然老化、環(huán)境侵蝕、自然災(zāi)害等問題，水利工程的穩(wěn)定性、變形、應(yīng)力應(yīng)變及支護(hù)受力等不斷劣化，混凝土結(jié)構(gòu)存在不同程度的磨損、老化、開裂、腐蝕的不利狀態(tài)[1-4]。

根據(jù)四川省水利科學(xué)研究院承擔(dān)四川省水利工程的安全檢測工作中反映出：多泥沙河流上的渡槽、水閘等典型水利工程，長期處于水下及水位變幅區(qū)，凍融頻繁，加之四川多數(shù)河流為山溪河流，水流中夾帶有大量的推移質(zhì)和懸移質(zhì)，其過流面及消能結(jié)構(gòu)部位常受到較嚴(yán)重的泥沙(推移質(zhì)的撞擊)磨損。

如，在高速含沙水流的長期沖刷下，泥沙容易對底板和閘墩底部造成沖磨破壞，修補(bǔ)頻率非常高，甚至年年修、年年壞，從而加大了運(yùn)行期維修管理工作的工作量和難度，隨著建筑材料價格的日漸增幅，維修成本會越來越大。

目前，四川省灌區(qū)相當(dāng)數(shù)量的渡槽工程已超過50a的混凝土使用年限，但在安全檢測中發(fā)現(xiàn)，渡槽地基基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)明顯沉降、位移及破壞現(xiàn)象。拆除重建不僅拆遷困難，大量報廢建渣處理影響環(huán)境，隨著環(huán)保要求，建材價格日漸上漲，建設(shè)投資成本巨大。

綜上所述，根據(jù)河流狀況及檢修難易程度，研究選擇抗沖耐磨效果好、施工難度小、快速便捷的高性能纖維材料，減少傳統(tǒng)建材使用量，采用高性能纖維增強(qiáng)加固技術(shù)對老舊渡槽進(jìn)行原位維修加固，提高渡槽工程的抗裂、抗沖耐磨能力，以達(dá)到降低水利工程維修頻率、延長工程整治間隔周期、減少整治工程施工造成的斷水影響、延長水利設(shè)施生命周期，提高施工質(zhì)量，提高工程年通水運(yùn)行時間的目的。

2 材料與方法簡介

2.1 碳纖維材料

目前，已經(jīng)開發(fā)成熟并在工程中使用的FRP(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)主要有3種：CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)，AFRP(芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)和GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)。但實(shí)際證明，CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)具有其它纖維無可比擬的高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優(yōu)點(diǎn)，CFRP在國內(nèi)外的用量也是最大的[5-7]，如圖1所示。

圖1 碳纖維復(fù)合材料及其微觀結(jié)構(gòu)

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，在航空、航天、建筑、體育、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來作為建筑補(bǔ)強(qiáng)材料得到了充分地發(fā)揮，但是在水利工程中的應(yīng)用還很少，因此具有十分重要的研究價值和應(yīng)用價值。碳纖維不僅具有碳材料的固有特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維的加固原理是利用配套碳纖維膠水將碳纖維布或碳纖維板粘貼在基材上，使新舊結(jié)構(gòu)形成一個整體共同受力，從而達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的[8-10]。

相關(guān)研究還表明[11]，在新老混凝土粘結(jié)界面力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)中(見圖2)，當(dāng)界面在砂漿中摻入碳纖維后，明顯地使新老水泥砂漿之間的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度增大，還可提高混凝土的拉拔強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，有效地提高了粘結(jié)的性能。

圖2 新老混凝土粘結(jié)界面力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)示意

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新型材料，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小、減震等優(yōu)異性能。碳纖維的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，抗拉彈性模量為23000～43000MPa[12]。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在水利工程的廣闊應(yīng)用前景。

因此，碳纖維在水利工程中采用可大大降低成本。采用不同類型纖維摻合高性能纖維混凝土，如玄武巖纖維、鋼纖維，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比對，根據(jù)碳纖維材料所具有的特性，研究碳纖維材料與水利設(shè)施結(jié)構(gòu)體粘結(jié)的加固效果，研究適應(yīng)水利工程長期處于水下、水位變幅區(qū)、推移質(zhì)和懸移質(zhì)沖磨、高速水流沖刷等特殊環(huán)境下的抗?jié)B、抗沖磨性能，研究不同流態(tài)水環(huán)境下的各種新型增強(qiáng)材料的應(yīng)用，探索建立碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件技術(shù)與水利設(shè)施修復(fù)技術(shù)的聯(lián)動，提高修復(fù)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)成本控制。

2.2 研究方法

本次研究采用多種高性能纖維材料試驗(yàn)、模型與現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合材料與結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值仿真計算分析，針對不同流態(tài)下的水工結(jié)構(gòu)與材料適應(yīng)性開展課題研究。充分發(fā)揮高性能纖維材料特能，研究其在水利工程關(guān)鍵技術(shù)中的抗?jié)B、抗沖磨的應(yīng)用。

在系統(tǒng)開展研究工作的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)碳纖維模塊化設(shè)計加固，預(yù)制碳纖維加固模塊，加固過程高效規(guī)范，質(zhì)量穩(wěn)定。開發(fā)預(yù)埋傳感器技術(shù)，搭建模塊化結(jié)構(gòu)安全防護(hù)智能系統(tǒng)，建立損傷失效數(shù)學(xué)模型，對加固后的結(jié)構(gòu)體實(shí)施在線監(jiān)控，預(yù)測預(yù)警，提高結(jié)構(gòu)體使用安全性。搭建模擬試驗(yàn)平臺，對不同類型受力結(jié)構(gòu)體實(shí)施加固方案驗(yàn)證，模擬自然環(huán)境，對不同損傷或結(jié)構(gòu)的建筑物預(yù)先提出普遍適用的加固方案，減少施工盲目性，提高施工科學(xué)性。

3 研究內(nèi)容及步驟

針對碳纖維復(fù)合材料在水利工程修復(fù)中的應(yīng)用研究之前，需選取研究對象以及建立相應(yīng)的研究基地。本次擬在東風(fēng)渠管理處的石堤堰管理站建設(shè)高性能纖維材料綜合試驗(yàn)基地，選取科研所需的典型水利工程建筑物，并將所需老舊渡槽拆遷運(yùn)至試驗(yàn)場地，做好原位加固試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，同時選取建設(shè)管理范圍內(nèi)的工程試驗(yàn)段水利工程，如渠道、箱涵、防洪堤、閘壩、渡槽、倒虹管等。根據(jù)項目任務(wù)書，總結(jié)出以下7點(diǎn)內(nèi)容作為研究重點(diǎn)。

3.1 對都江堰灌區(qū)四川省都江堰東風(fēng)渠管理處水利工程進(jìn)行調(diào)查

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)水閘、渡槽等水利工程主要結(jié)構(gòu)部位目前存在的安全隱患問題。

3.2 高性能纖維材料綜合試驗(yàn)基地建立

在四川省都江堰東風(fēng)渠管理處府河石堤堰管理站規(guī)劃建設(shè)高性能纖維材料綜合試驗(yàn)基地，在試驗(yàn)基地建立后用于：建立實(shí)體水利工程構(gòu)件與高性能纖維增強(qiáng)材料粘結(jié)聚合的原位閉環(huán)測試試驗(yàn)系統(tǒng)；建立抗?jié)B、抗沖磨模擬測試系統(tǒng)及材料力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)系統(tǒng)；開發(fā)模塊化結(jié)構(gòu)安全防護(hù)智能系統(tǒng)，系統(tǒng)包含渠系建筑物受力狀態(tài)安全防控系統(tǒng)、玄武巖一體化智能控制系統(tǒng)、智能水位跟蹤系統(tǒng)等系統(tǒng)技術(shù)，建立損傷失效數(shù)學(xué)模型，對加固后的結(jié)構(gòu)實(shí)體實(shí)施在線監(jiān)控，預(yù)測預(yù)警，提高結(jié)構(gòu)物使用安全性。

3.3 研究分析新型材料加固設(shè)計方案、施工工藝

針對不同類型高性能纖維材料的抗?jié)B、抗沖耐磨、耐干縮性、抗老化及耐久性、變形、強(qiáng)度、抗化學(xué)腐蝕等安全性能開展試驗(yàn)研究；通過分析高性能纖維材料的不同摻比，研究抗?jié)B、抗沖磨的力學(xué)性能特性，高性能纖維材料與砼粘結(jié)載體的耦合性以及與水利工程結(jié)構(gòu)體粘結(jié)、抗老化、脆化失效等力學(xué)性能；根據(jù)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，理論論證適應(yīng)水利工程長期處于水下、水位變幅區(qū)、凍融頻繁、推移質(zhì)和懸移質(zhì)、高速水流沖刷等特殊環(huán)境下的抗?jié)B、抗沖磨的加固設(shè)計方案；經(jīng)過設(shè)計方案比對論證，確定新型材料在水利工程應(yīng)用的施工工藝。

3.4 探索新型材料

從實(shí)用性廣、經(jīng)濟(jì)性比高、環(huán)保性安全性高、加固技術(shù)可復(fù)制等方面，探索總結(jié)適用于四川省水利工程的新型材料，并形成第一階段課題報告。

3.5 應(yīng)用高性能纖維材料加固技術(shù)示范工地建立

通過高性能纖維材料的試驗(yàn)室研究情況，結(jié)合現(xiàn)有管理處運(yùn)行管理工作，綜合考慮交通、放水條件等因素，選擇渠首管理處府河石堤堰樞紐閘、金花樞紐閘、跳蹬河渡槽段、牧馬干渠頂管段等地建設(shè)采用高性能纖維材料加固技術(shù)示范工地。

3.6 提出高性能纖維材料關(guān)鍵技術(shù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

分階段提出高性能纖維材料的力學(xué)性能、施工工藝技術(shù)、加固設(shè)計方案及施工質(zhì)量評定的關(guān)鍵技術(shù)條件及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.7 形成系統(tǒng)構(gòu)架，進(jìn)行技術(shù)推廣

根據(jù)量化研究成果，形成系統(tǒng)構(gòu)架，通過宣貫進(jìn)行水利工程安全防護(hù)高性能纖維材料關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用推廣，先期達(dá)到在省內(nèi)灌區(qū)應(yīng)用的效果。

4 結(jié)語

針對我國早期修建的水利工程結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)入病害多發(fā)及性能退化期的問題，本文提出采用碳纖維復(fù)合材料用于相關(guān)水工建筑物的修復(fù)，從而達(dá)到提高工程年通水運(yùn)行時間的目的，延長水利工程生命周期，節(jié)約資金投入。此外，本文還列出了碳纖維復(fù)合材料在水利工程修復(fù)中的各項研究開展步驟以及研究重點(diǎn)，便于指導(dǎo)今后項目的順利開展。