尹 涛

0 引言

碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称 CFRP)加固主要采用布状的形式,用特制的建筑结构胶将碳纤维布与混凝土牢固的粘结在一起并共同工作,达到结构加固,提高结构承载力和抗震性能、修补构件缺陷的目的。

采用碳纤维布加固具有以下几个优点：

1)高强高效：抗拉强度2 500 MPa～3 550 MPa(约为二级钢的十几倍)。2)重量轻,厚度薄：约200 g/m2,每层厚0.1 mm～0.2 mm,基本增加加固构件自重及截面尺寸,经加固后不影响结构的外观。3)适用面广：广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固。4)施工便捷：不需大型机具,没有湿作业,无需动火,无需现场固定设施,施工占用场地少,施工工效高。5)耐腐蚀性能和耐久性能极佳。

1 工程实例分析

1.1 工程背景

河南省某电厂的老冷却塔建成于1978年,设计时未考虑抗震设计。老冷却塔经过近30年的运行及外部自然气候的影响,可靠性严重不符合国家现行规范要求,已不能正常使用。

2007年时按照国家有关政策电厂在关停拆除小机组的基础上扩建1×300 MW机组。为了利用有效资源,提高效益,电厂决定对原机组的老冷却塔进行加固后供本期工程使用,使加固后的这座冷却塔能够满足当前结构设计标准和设计规范,并能满足安全运行30年的耐久性要求。

1.2 检测与分析

经检测：1)老冷却塔综合评定为四级,即可靠性严重不符合国家现行规范要求,已不能正常使用,必须立即采取措施。2)垂直度变形：整体倾斜率为0.4‰,小于高耸结构规定的允许倾斜限值5‰。3)混凝土强度：人字柱和外壁均小于原设计强度。4)塔筒内外壁也存在不同程度的混凝土剥离、钢筋外露、裂缝等现象。

按照当前计算条件和现行混凝土结构设计规范进行了核算,老冷却塔的关键受力部位人字柱和下环梁已经不能满足要求。从计算结果分析,很多部位配筋未达到计算配筋要求;从构造上,筒壁许多部位不满足ρ≥0.2%的要求。

1.3 加固方案

1.3.1 人字柱

人字柱采用扩大截面加固方案,人字柱现截面尺寸400 mm×400 mm,加大截面至 550 mm×550 mm;单根柱长约6.2 m。采用钢模板,高强无收缩无机粘结灌注材料配制C40微膨胀自密实混凝土浇灌,以提高新加混凝土的密实性和与原柱混凝土的连接效果。柱身纵筋采用4Φ 25+4Φ 18,箍筋Φ 8@200,柱两端箍筋按抗震构造要求加密。

1.3.2 筒壁

塔外壁均有大面积表面混凝土剥落,钢筋外露生锈等现象,采用局部修复和粘贴碳纤维布,塔身表面全面防腐处理方案。主要程序如下：

1)凿除已疏松混凝土,清理至坚实基面,外露钢筋除锈防锈处理;2)用FPSC聚合物水泥复合砂浆修复。该种砂浆对酸、盐有轻度防护作用,且耐大气性好;3)修补部位局部粘贴环向碳纤维布加固,端部加100宽压条;4)筒壁外表面刷防护材料。

塔内壁原来未作过防腐处理,有大片混凝土剥落,钢筋外露锈蚀现象,多数外露钢筋基本锈断,此外还有多条沿竖向钢筋的裂缝。对该塔采用混凝土修复后外粘碳纤维布加固方案,程序如下：

1)凿除已疏松混凝土,清理至坚实基面,外露钢筋除锈防锈处理;2)用FPSC聚合物水泥复合砂浆修复;3)筒壁内面竖向、环向粘贴碳纤维布,宽100@400;4)专用不锈钢锚钉锚固,双向间距800 mm,锚钉位于纵横碳纤维布的交叉点上;5)表面刷防腐材料。

1.4 碳纤维布加固的施工

1)钢筋除锈。a.清除被加固构件表面剥落、疏松、蜂窝腐蚀等劣化混凝土;b.剔除锈蚀钢筋外包混凝土,使钢筋外露;c.用钢丝刷和角磨机除去钢筋表面的锈蚀层;d.用丙酮或无水酒精擦拭钢筋表面至露出钢筋本质。

2)基面处理。a.将构件表面凸出部分磨平,露出砂、石、水泥。转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状(圆弧半径10 mm≤R≤20 mm);b.裂缝部分用修复材料修复磨平;c.压缩空气除去表面粉尘,用丙酮擦拭表面。

3)涂刷底胶。用滚筒或刷子将底胶均匀涂刷于混凝土表面。胶层厚度应满足设计要求。底胶硬化后,若表面有凸起部分,用磨光机或砂纸打磨平整。待底胶指触干燥后,再进行下一步施工。

4)粘贴面修补。对粘贴面上的凹入部位,用环氧腻子修补,以保证粘贴面平整,确保加固效果。待环氧腻子指触干燥后,再进行下一步施工。

5)碳纤维布粘贴。a.按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布,应尽量避免搭接。如若搭接,则碳维布沿纤维方向的搭接长度不得少于100 mm;b.配制浸渍树脂胶均匀涂抹于所要粘贴部位,在搭接、拐角等部位要多涂抹一遍;c.粘贴碳纤维布,用滚筒沿纤维方向多次滚压,挤除气泡,使树脂胶充分浸透碳纤维布;d.碳纤维布表面均匀涂抹一层面胶,要求涂刷均匀,不得有漏涂或涂刷不饱满之处;e.端部用横向碳纤维布固定,翘起部分用注射器补胶;f.表面防护处理。为保证胶的耐久性、耐火性等性能,可在表面涂抹砂浆或喷防火涂料进行保护。

施工中应注意如下问题：

1)施工温度应在5℃～35℃范围内,相对湿度不大于70%。

2)裁剪及使用碳纤维布时应远离电源,尤其是高压电线及输电线路。

3)碳纤维布配套胶的原料应密封储存、远离火源,避免阳光直接照射。

4)胶的配制和使用场所,必须保持通风良好。

5)现场施工人员应穿工作服,同时还须戴口罩和手套。严禁在施工现场吸烟。

6)施工现场应配备必要的灭火器以备救护。

2 结语

经过加固处理后,冷却塔能够满足当前结构设计标准和设计规范,并能满足安全运行30年的耐久性要求,但应定期检查和正常维护,且第一次检查时间不应迟于10年。目前已经正常使用2年无异常。带来了可观的经济效益,同时也具有巨大的社会效益。

碳纤维布加固技术在我国快速发展,目前已经制定了相关的技术标准及规程(《CECS 146-2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》),随着碳纤维布和树脂等材料的国产化及碳纤维布加固技术的成熟,该技术将会被越来越广泛地应用。

[1]赵 彤,谢 剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津：天津大学出版社,2001.

[2]张立人.建筑结构检测、鉴定与加固[M].武汉：武汉理工大学出版社,2003.

[3]蒋文勇,李碧雄.碳纤维在土木工程加固中的应用研究[J].四川建筑科学研究,2007(12)：69-72.

[4]CECS 146-2003,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].