碳纖維布加固技術在國外水電站廠房混凝土結構吊車梁的應用

吳浚源

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

碳纖維由于其強度高、密度小、厚度薄等特點，在公路、鐵路、橋梁、隧道、住房建筑等的改造和加固中得到廣泛應用。就加固效果和施工進度而言，尤其在空間有限的結構部位，可減少因對建筑進行加固而導致的原有建筑空間尺寸和重量增加的問題，大大增加了加固施工作業空間，有效加快施工進度，提高施工質量，保證工程的安全性、使用性和耐久性。因此，在荷載增大、改善結構狀態、抗震加固、改變結構體系等鋼筋混凝土結構加固工程中，采用碳纖維材料為基礎的加固方案顯得尤為重要。

1 工程概況

本文以非洲國家贊比亞慕松達水電站的供電廠房項目為例，該項目是當地政府為城市附近居民點和農村供配電而開發的水力發電項目，屬中小型基礎設施的民生工程，從建成到改造已有五十多年的歷史。這座工業廠房為單層地面式布局，采用鋼筋混凝土框架結構形式，原廠房設計安裝了兩臺單臥式水輪發電機組，由于用電峰值較大，廠房內設備已擴容，先后增加了3臺發電機組，現有電站發電機組5臺，均維持在原設計允許荷載范圍內。

該水力發電站因長時間運行，部分水工建筑物受損，維護非常不便、整體協調運行不暢、多數設備陳舊老化、技術落后，已嚴重影響電站的安全和使用。因此，當地政府委托我方對該工程進行修復和改造擴建，以延長工程的使用年限。在減少對原有施工設備運行影響的基礎上，贊方提出增加2臺大功率發電機組，使總裝機達到7臺，以滿足供電區的電力需求。整體擴建方案為：將1#、2#、3#、4#、5#機組由 1MW 擴容至 1.1MW，再新建一座廠房，內裝兩臺2.25MW水輪發電機組，總裝機容量10MW。根據更換電機設備的設計要求，需將現廠房內一臺7.5t重的手動橋機更換為10t重的電動橋機，設備升級后，機組重量比原來增加了33%，新橋機自重也比舊橋機增加，在老廠房機組安裝前需完成吊車梁的加固施工任務，不得影響既有的安裝施工。

2 方案比選

慕松達水電站老主廠房長47.85m，上下游寬7.6m，作業空間比較狹窄，如果采用傳統的施工方法改造加固吊車梁，其施工技術嚴重受限。對于加固改造，提出采用增加吊車梁斷面、增加支撐、鋼板加固等方案，將影響下一步機組的安裝，且增加吊車梁斷面、增加支撐方案受空間狹窄的限制，施工機具無法施工。用鋼板加固的方案還需要設置支撐，施工工期較長，同樣受空間狹窄限制較多，并影響后續機組安裝。經多種方案比較，贊方決定采用我方提出的“碳纖維布加固鋼筋混凝土結構技術”，通過利用碳纖維材料本身具有較強的力學性能，配套使用黏結劑，增強與基層材料的握裹力，大大提高碳纖維布的抗拉強度，使碳纖維絲能很好地與鋼筋混凝土結構共同工作，達到加固吊車梁的目的。

3 技術原理及適用范圍

碳纖維加固法經濟成本低、適用范圍廣、發展前景廣闊，經過多年的研究應用，其原材料被證實具有輕質高強、耐腐耐酸、柔性好、抗拉強度高等特點。碳纖維布與聚合物砂漿配合使用，可較好地與混凝土黏接，達到結構補強、控制裂縫的效果。這是一種節能、環保、高效的新技術，具有防火性好、透氣性好、耐久性好等優點，適合潮濕環境。碳纖維布加固鋼筋混凝土結構技術的原理是：采用高性能黏結劑，將富含碳纖維絲的碳纖維布粘貼于建筑結構表面，充分發揮碳纖維的抗拉性能，使兩者能共同工作，提高結構構件的抗拉、抗剪承載能力，實現對建筑物補強、加固的目的。這一新技術特別適用于作業空間有限，不能采用增加截面積或支撐等方法加固的混凝土結構。

4 碳纖維布加固技術應用

自2017年3月10日起對吊車梁進行表面打磨，3月25日開始吊車梁加固施工，根據廠房吊車梁的分縫位置，先進行1#～3#機組段的吊車梁加固施工，3月30日完成，養護3d后，再進行4#～5#機組段的吊車梁加固施工。

4.1 施工工藝流程

碳纖維布加固吊車梁的施工工藝流程主線為：施工準備—原構件表面處理—構件界面處理—涂刷底膠—修補找平—刷膠、粘貼纖維材料及養護—施工質量檢驗—防護面層施工，詳見圖1。

圖1 碳纖維布加固施工工藝流程

4.1.1 施工準備

觀察加固構件混凝土的實際情況，結合設計、圖紙要求，做好施工機具準備，配備相應的施工資源，確定施工方案和計劃，做好施工前的準備。

4.1.2 膠黏劑配置

采用配套膠黏劑，其配比為：A料∶B料=2∶1，原材料按份稱量準確，分別配置底涂膠料、整平膠料和黏接膠料，重量偏差在±5%范圍內。可先將稀釋劑加入聚合物內攪拌均勻，然后依次加入填料、固化劑，采用低速攪拌2～3min，充分攪拌均勻后方可使用。膠料一次配置不宜過多，一般情況下，底涂膠料配置1～2kg為宜、整平膠料配置0.5～1kg為宜、黏接膠料配置1～2kg為宜，配置的膠料應在配置后1h內用完，否則不得用于加固工程。

4.1.3 基底處理

①混凝土表面出現剝落、蜂窩、腐蝕等質量問題時，應對劣質層進行剔鑿處理，并在鑿除后用水泥砂漿聚合物修復找平，混凝土裂縫寬度不超過2mm時，采用表面密封處理，當裂縫寬度超過3mm且裂縫較深時，采用壓力灌漿封閉處理。

②清除混凝土外部裝飾層和油污物，露出混凝土表面。一般使用角磨機配合砂輪、砂紙，打磨基底混凝土，打磨修平構件表面凹凸不平的部位，除去混凝土表層1～2mm厚的浮漿和雜質，直至完全露出混凝土結構新外層表面。

③混凝土吊車梁的陰陽角部位應修整成直徑20mm的圓弧，用混凝土磨光機將吊車梁混凝土表面打磨平整，棱角磨成圓角（見圖2）。

圖2 混凝土構件陽角部位處理示意圖

④磨平處理后，用吹風機將混凝土表面的粉塵、砂粒清理干凈，保持混凝土構件表面干凈和干燥。

⑤再次修補混凝土構件表面凹陷部分，檢測處理后的構件平整度，用靠尺檢查各個方向的平整度偏差，盡量滿足偏差范圍為±5mm/m。

4.1.4 涂刷底膠

①吊車梁混凝土表面打磨完成后，用水清洗干凈、晾干，根據加固設計圖紙，對粘貼碳纖維布的部位畫線。

②將主劑和固化劑按一定比例放入容器中，用攪拌器低速攪拌均勻，制成底膠。依據施工現場實際溫度確定每次用量，采用懸掛計時裝置等措施，嚴格控制使用時間。

③用滾筒刷或毛刷將底膠均勻涂在已清潔的混凝土吊車梁表面，涂刷厚度不超過0.4mm，不得流淌、起泡或漏涂，等待2h膠水固化后，再進行下道工序。

④用手指觸摸底膠，使其達到指干狀態后，用修補材料將混凝土表面坑洼部位找平，并立即粘貼碳纖維布。涂刷碳纖維底膠時，施工溫度不低于-5℃，且濕度應為85%以下。

⑤底膠的容量和環境溫度決定修復的效果，如果底膠已超過有效期，則不能應用于工程施工中。為防止底膠面染污，涂底膠時應避免使用纖維手套。

4.1.5 整平膠料找平

①配制整平膠，按比例配比和工藝要求進行攪拌，整平膠應嚴格按照使用說明配制，混合后充分攪拌均勻，主劑與硬化劑的重量配制比例應為 2∶1。

②混凝土表面凹陷部位應使用工具嵌填整平膠料修補填平。按照說明配置整平膠料，用刮刀或鏟刀將配置好的整平膠料刮在混凝土表面凹陷部位，對于局部突起部分，應用砂輪或磨片磨平，如果表面仍存在凹凸糙紋，則可用砂紙打磨平整，修復部位的表面與原結構偏差不得超過1mm。

③轉角處用整平膠料修整成光滑的圓弧狀，半徑不小于20mm，整平膠料的固化時間應結合施工現場溫度來確定，一般2h左右，可采用手指觸感干燥檢驗，固化后方可進行下道工序。

4.1.6 粘貼碳纖維布

①按設計要求尺寸，將碳纖維布裁剪成行。碳纖維的受力方向應沿著纖維的方向，嚴禁將纖維斜向切斷，一般情況下，碳纖維布長度應在3m以內。

②配置適量的粘貼膠料，避免膠料時間過長，使用滾筒刷均勻地涂在粘貼部位，對搭接處、陰陽角等部位適量增加膠料涂刷。碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不小于150mm，用特制的光滑滾子在其表面沿著同一方向反復滾壓至膠料滲出表面，使粘貼膠料充分浸潤碳纖維布，再在最外層碳纖維布的外表面均勻涂抹一層黏接膠料，等待纖維布表面指觸感干燥。

4.1.7 固化養護

①碳纖維布粘貼完后24h內要防止雨淋或受潮，適當采用薄膜覆蓋，防止風塵、雨水侵擾，避免加固表面和構件受外界因素干擾，采取自然養護的方法，靜置24h以上，達到初期固化。

②碳纖維布粘貼完成至達到設計強度所需的自然養護時間與氣溫有較大關系：

平均氣溫≤10℃時，養護時間≥14d；

10℃＜平均氣溫≤20℃時，7d≤養護時間≤14d；

平均氣溫≥20℃時，養護時間≥7d。

③養護期間，使用硬質材料進行防護，防止加固部位受到硬性沖擊，養護完成后，表面施作水泥砂漿保護層。

4.2 質量控制要點

（1）碳纖維布應嚴格按照設計尺寸進行施工，確保實際粘貼面積≥設計面積，施工粘貼水平和垂直位置偏差≤10mm，被加固的混凝土構件抗壓強度等級≥C15，5℃≤施工期間溫度≤35℃。

（2）用手輕輕按壓或小錘輕輕敲擊的方法，檢查碳纖維布與加固構件之間的黏接質量，保證整體有效黏接面積≥95%。

（3）當粘貼的碳纖維布空鼓面積≤100cm2時，可用針管注膠的方法進行局部修補。當粘貼的碳纖維布空鼓面積＞100cm2時，為保證施工質量，可先將空鼓部位的碳纖維布切除，再按照搭接粘貼的施工原則粘貼碳纖維布，搭接長度≥150mm。必要時可采用正拉試驗對施工質量進行現場抽樣檢驗。

（4）碳纖維布及配套膠料的原料應密封貯存、避免陽光直射、遠離火源、防止碳纖維彎折。碳纖維布為導電材料，一定要采取可靠的防護措施，施工時盡量遠離電氣設備及電源，施工場地要保持良好的通風，另外，碳纖維布應盡量通長布置，如不能通長布置時，應沿纖維方向進行搭接，搭接長度≥150mm。

4.3 安全技術措施

施工過程中，施工人員必須堅決執行《建筑安裝工程安全技術操作規程》，嚴格遵守現場安全規章制度，服從現場統一安全管理，施工人員在進場工作前應嚴格進行三級安全教育和技術交底；現場配置膠料會產生甲醛、苯等有害氣體，需要加強通風排氣，施工人員應佩戴必要的防護用具，如護目鏡、口罩、手套等，確保施工作業條件良好。另外，黏接膠料和碳纖維材料屬于易燃物品，嚴禁在施工現場吸煙、明火，操作電動工具時要穿絕緣鞋、絕緣手套，施工現場必須配備滅火器等消防器材。

5 結語

在贊比亞慕松達水電站改造項目中，通過碳纖維布加固工業廠房吊車梁建造技術方案比選和實際應用，改進了施工工序，有利于工業設備的安裝施工，拓寬了新材料、新技術的應用市場，取得了良好的社會效益和經濟效益。

（1）選用碳纖維布加固混凝土結構技術，對慕松達水電站老廠房這種空間比較狹窄的混凝土結構優勢明顯，其施工占地小、效率高、加固效果好，養護3d后就能承受荷載。該方案可行性高，施工完成3d即可滿足橋機在吊車梁上行走的要求。2017年4月9日，老廠房吊車梁加固全部完成，為老廠房機組提前安裝創造了有利條件。

（2）該研究項目從課題確立到實施完成，僅用了99d，施工時間只用了30d，施工速度較快。用碳纖維布加固吊車梁施工時，做了1組試件（共3塊），通過萬能材料試驗機進行抗拉試驗，試驗破壞都是混凝土被破壞，碳纖維布及碳纖維布黏接面均未被破壞。

（3）該技術方案的實施，實現了國內研發技術成果的落地轉化和技術出口，利用技術優勢提出了經濟改造方案，實現了國外業主對水電廠房工程改造加固的總體目標，減少了人工量，縮短了工期，避免了危險性較大的支撐工程，提高了工程整體經濟效益和社會效益。