碳纖維布加固技術在電站鋼筋混凝土結構修補中的應用

王安明

（二灘水力發電廠，四川攀枝花617000）

1 工程概況

二灘水電站位于四川攀枝花市雅礱江干流，是一座以發電為主的大型水利樞紐，總裝機容量3300 MW。電站樞紐建筑物由攔河壩、泄洪建筑物、消能建筑物、地下廠房、引水和尾水建筑物及500 kV全封閉氣體絕緣組合開關站（GIS樓）等組成。

GIS樓為二灘電站500 kV開關站，主體結構尺寸131.4×18.6×22.2 m（長×寬×高），為現澆鋼筋混凝土框架結構，基礎位于較完整巖基上。屋面梁橫跨整個建筑，中間無柱支撐，屋面上布置有500 kV出線。

地下廠房系統以主廠房及安裝間、主變室、尾水調壓室為主體，包括母線洞、進廠交通洞、排水洞、排風洞、電纜斜井、上壩電梯豎井等洞室，形成上下重疊、縱橫交錯的地下洞室群。主廠房長280.3 m，跨度25.5 m。主廠房發電機層和水輪機層為現澆鋼筋混凝土框架板梁結構，利用方形風罩及獨立柱支撐梁板，梁系布置整齊，機組間設有伸縮縫分開。

2 存在問題

2003年3月汛前大檢查中發現，500 kV全封閉氣體絕緣組合開關站（GIS樓）絕大部分屋面梁有裂縫，尤其是第29軸線屋面大梁有裂縫且彎曲變形大，使得梁底與橋吊護欄發生擦刮；地下廠房發電機層和水輪機層大部分牛腿及牛腿上簡支梁端部有裂縫。問題一發現便引起了高度重視，立即組織原設計院相關專業人士進行現場調查，并核實原設計資料、圖紙，核算結構荷載、截面配筋、梁撓度值等，同時對部分裂縫抹灰層進行剝離檢查。

結果發現GIS樓第29軸線大梁腹部兩側表面各有10條寬約0.3～0.6 mm的對稱裂縫，裂縫從板底開始向下延伸，到距梁100～200 mm處消失，沒有貫穿通過梁底。梁底未發現超過0.2 mm的貫穿裂縫，鑿掉梁表層抹灰層后，發現梁腹部兩側的裂縫直達梁身混凝土層，初步判斷梁兩側對稱裂縫可能已貫穿梁身。檢查同時還發現，其他絕大多數梁均存在裂縫，保護層極薄，有的箍筋外露，梁腰腹板兩側向內側凹縮，梁腹部裂縫可能是因為施工中混凝土保護層不夠及養護不當或混凝土配合比不當。

地下廠房發電機層和水輪機層部分牛腿頂緣外側及牛腿上簡支梁的下緣端部不同程度地存在斜裂縫，個別嚴重的裂縫已從上部簡支梁貫穿到下部牛腿。經剝離部分簡支梁與牛腿相結合部位側表面（約2 cm深）的抹灰層，發現多數出現裂縫的牛腿上未埋設鋼墊板，這與原設計不相符。凡是埋設了鋼墊板的牛腿，都未發現裂縫或裂縫很小。裂縫產生的原因極可能是由于牛腿表面及對應的梁底未埋設鋼板，在溫度變化混凝土收縮及廠房運行震動時，因梁底與牛腿摩擦力較大，導致梁端及牛腿拉裂。

3 結構碳纖維補強加固處理

3.1 碳纖維補強加固的原理及優勢

3.1.1 原理

碳纖維布補強加固結構技術是一種新型的結構加固技術。加固修復混凝土結構所用碳纖維材料主要為兩種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復材料；配套樹脂則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結樹脂，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，提高結構構件的抗彎、抗剪承載能力，達到對結構構件進行加固、補強的目的。

3.1.2 優勢

與傳統的加固技術相比，碳纖維布加固技術具有明顯的優勢：

（1）強度高：碳纖維布具有優異的物理力學性能，其抗拉強度是普通鋼的8倍，達4000 MPa以上，且彈性模量與鋼接近，適合鋼筋混凝土的加固修補。

（2）性能穩定：碳纖維布具有良好的耐久性和抗化學腐蝕能力，耐酸、堿、鹽及大氣環境腐蝕，且不需定期維護，對內部混凝土結構起保護作用，能達到雙重加固修補之目的。

（3）重量輕：碳纖維布的常用規格為200 g／m2和300 g／m2，厚度分別為0.111 mm和0.167 mm，自重輕，基本不增加結構自重及截面尺寸。

（4）施工便捷：沒有濕作業，無需大型施工機具，無需現場固定設施，碳纖維布可任意剪裁，施工簡單，無灰塵和噪聲污染，且施工周期短。

（5）施工質量易保證：碳纖維布是柔軟的，即便被加固表面不是非常平整，也可以利用粘結材料膠保證100%面積的有效粘貼。

3.2 加固材料選用

為盡量不影響電廠正常運行，不損傷結構原配筋、恢復結構原貌，克服混凝土收縮，增加結構的抗彎、抗剪能力，防止新裂縫產生，對屋面梁及牛腿裂縫采用碳纖維片材進行加固處理，碳纖維布采用UT70－30型東麗碳素纖維布，自重為300 g／m2，厚度為0.167mm；粘結料采用配套的WSX型碳纖維樹脂。

3.3 GIS樓屋面梁加固

3.3.1 裂縫修補

根據GIS樓屋面梁存在裂縫的寬度及深淺程度，采用表面鑿“U”型槽方式，用IFS－Ⅱ無機快速封堵材料進行表面涂抹封縫處理，必要時采用WEP型結構注縫膠進行化學灌漿封縫處理。

3.3.2 結構加固

在第29軸線屋面梁兩側、距梁底和梁面400 mm處，沿梁的長度方向各粘貼一層寬300 mm的碳纖維，以克服混凝土收縮產生的應力。克服混凝土收縮后，為了補償梁開裂變形后其承載力的損失，還應增強梁的抗彎抗剪能力。沿梁底通長粘貼一層寬500 mm的碳纖維以提高梁的抗彎能力；沿梁通長粘貼一層寬300 mm的“U”型碳纖維箍，間距200 mm，以提高梁的抗剪能力，如圖1所示。

其他有縫的屋面梁，由于裂縫多出現在梁的端部，故在梁的端部粘貼一層寬150 mm的“U”型碳纖維箍，間距200 mm，長度不小于2 m（具體長度視裂縫情況而定），以提高梁的抗剪能力；同時為防止梁側面出現裂縫，在梁的兩側、距梁底和梁面400 mm處，沿梁的長度方向各粘貼一層寬150 mm的碳纖維，以克服混凝土收縮產生的應力，如圖2所示。

3.4 地下廠房牛腿及梁加固

3.4.1 裂縫修補

圖1 第29軸線屋面大梁加固示意圖Fig.1 Schematic drawing of the reinforcement with carbon fiber cloth for the 29th axis roof beam

為了盡可能恢復結構的整體性，防止縫面繼續發展，同時考慮到注縫材料的粘結強度不宜太高，因此采取C20的超細水泥基灌注材料——ICG-I型無機粘結灌注材料灌縫，再用IFS-Ⅱ快速封堵材料對裂縫表面進行涂抹封縫。

3.4.2 結構加固

地下廠房牛腿及梁的加固，經設計核算后，各結構加固如下：

（1）牛腿采用三層環形縫補箍：第一、第二層高0.5m，第三層高0.2 m；

（2）梁支座端沿梁長方向粘貼兩層，高0.5 m，長1.5 m；

（3）方牛腿采用“U”型箍，粘貼三層，高0.44 m，長1.5 m。如圖3、4所示。

圖2 其他屋面大梁加固示意圖Fig.2 Schematic drawing of the reinforcement with carbon fiber cloth for other roof beams

圖3 邊牛腿、梁補強示意圖Fig.3 Schematic drawing of the reinforcement for the side corbel and beam

圖4 方牛腿補強示意圖Fig.4 Schematic drawing of the reinforcement for square corbel

3.5 施工工藝流程

結構表面處理→定位劃線→粘結膠的配置→涂刷底膠→找平→碳纖維粘貼→涂面層膠→保護。

3.5.1 結構表面處理

鑿除結構的粉刷層，混凝土表面如出現剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予剔除，對于較大面積的劣質抹灰層，在剔除后用聚合物水泥砂漿進行修復。

如表面發現裂縫，應對裂縫進行灌漿或封閉處理。

用混凝土角磨機、砂輪（砂紙）等工具，去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質，構件基面的混凝土打磨平整，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20 mm）。

用無油壓縮空氣吹除粉塵，使粘貼面干凈并保持干燥。

3.5.2 定位劃線

根據加固施工圖，準確地在構件表面劃出粘貼部位輪廓線。

3.5.3 粘結膠的配置

按說明要求，將原材料A、B兩種組分按配比配制。先將稀釋劑A組分倒入干凈容器內，再將固化劑B組分倒入，充分攪拌均勻，注意翻看容器底部的顏色，確保配好的膠液色澤一致。

配置膠料時應注意：粘結膠料每次配置量以1～2 kg為宜，要求于1 h內施工完畢。

3.5.4 涂刷底膠

用滾筒刷或毛刷將膠均勻涂抹于混凝土構件表面，厚度不超過0.4mm，并不得漏刷或有流淌、氣泡，等膠固化后（固化時間視現場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2h），再進行下一道工序。

3.5.5 找平

混凝土表面凹陷的部位、模板接頭處等出現高度差的部位，應用整平膠料修補填平，以盡量減少高差。

轉角的處理，應用整平膠料將其修補為光滑的圓弧，半徑不小于20 mm。

整平膠料須固化后（固化時間視現場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2 h），方可進行下一道工序。

3.5.6 粘貼碳纖維布

按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長度應在3 m以內。粘貼應盡量避免搭接，如必須搭接，則沿纖維方向的搭接長度不得少于l00 mm。

調制浸漬膠時，按產品說明書調制，然后用滾筒刷均勻涂刷于所要粘貼的部位，膠層厚度應滿足設計要求，在搭接、拐角等部位要多涂抹一遍。

粘貼碳纖維布時，用特制光滑滾筒在碳纖維布表面沿同一方向反復滾壓至膠料滲出碳纖維布外表面，以去除氣泡，使浸漬膠充分浸透碳纖維布。多層粘貼應重復上述步驟,待纖維表面指觸干燥后方可進行下一層的粘貼。

3.5.7 涂面層膠

在纖維表面涂抹浸漬膠,以起保護作用，要求涂刷均勻,不得有漏涂或涂刷不飽滿之處。

3.5.8 養護

碳纖維片施工后應進行養護，養護期間應保證溫度不低于專用粘結劑的允許使用溫度；養護期一般在1～2周內；對施工部位應進行遮擋封閉養護，防止人為擾動造成損壞。

3.6 混凝土表面修復

為了恢復碳纖維布修復后的大梁及牛腿外觀，故采用砂漿抹面修復混凝土表面，并補刷乳膠漆，以與周圍墻體保持一致。

4 碳纖維拉拔檢測

4.1 設計要求

測試位置：復合材料補強施作區域。

測試頻率：施作區域原則上每500m2測試一次。

檢測標準：拉拔結果破壞面必須為混凝土破壞或拉拔強度大于2 MPa視為合格（結構混凝土不得低于C25）。

4.2 現場拉拔實驗及鉆芯取樣

根據設計要求，分別對地下廠房及GIS樓補強施工區進行抽樣檢測，結果見表1。

表1 碳纖維現場拉拔實驗檢測成果表Table 1:Result of the drawing test for the carbon fiber cloth

現場碳纖維布拉拔實驗均為混凝土破壞，拉拔強度大于2 MPa，滿足設計要求。

5 結語

GIS樓屋面梁及地下廠房牛腿裂縫經過灌漿、碳纖維加固補強處理，其混凝土構件的抗彎、抗拉、抗剪強度能力得到了有效提高，克服了混凝土收縮產生的應力，可防止新裂縫的產生。碳纖維布加固補強工程施工方便，時間短，修補后基本上能保證原狀結構外觀。該工程施工完畢投入運行后，主體結構至今未見任何異常，取得了良好的加固效果。■

[1]CECS25：90，混凝土結構加固技術規范[S].

[2]CECS146：2003，碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程[S].

[3]JG／T166-2004，纖維片材加固修復結構用粘結樹脂[S].

[4]JG／T167-2004，結構加固修復用碳纖維片材[S].

[5]結構補強施工說明與檢驗規范[S].