碳纖維布在某電廠冷卻塔加固中的應用

尹 濤

0 引言

碳纖維(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱 CFRP)加固主要采用布狀的形式,用特制的建筑結構膠將碳纖維布與混凝土牢固的粘結在一起并共同工作,達到結構加固,提高結構承載力和抗震性能、修補構件缺陷的目的。

采用碳纖維布加固具有以下幾個優點：

1)高強高效：抗拉強度2 500 MPa～3 550 MPa(約為二級鋼的十幾倍)。2)重量輕,厚度薄：約200 g/m2,每層厚0.1 mm～0.2 mm,基本增加加固構件自重及截面尺寸,經加固后不影響結構的外觀。3)適用面廣：廣泛適用于建筑物橋梁隧道等各種結構類型、結構形狀的加固修復和抗震加固及節點的結構加固。4)施工便捷：不需大型機具,沒有濕作業,無需動火,無需現場固定設施,施工占用場地少,施工工效高。5)耐腐蝕性能和耐久性能極佳。

1 工程實例分析

1.1 工程背景

河南省某電廠的老冷卻塔建成于1978年,設計時未考慮抗震設計。老冷卻塔經過近30年的運行及外部自然氣候的影響,可靠性嚴重不符合國家現行規范要求,已不能正常使用。

2007年時按照國家有關政策電廠在關停拆除小機組的基礎上擴建1×300 MW機組。為了利用有效資源,提高效益,電廠決定對原機組的老冷卻塔進行加固后供本期工程使用,使加固后的這座冷卻塔能夠滿足當前結構設計標準和設計規范,并能滿足安全運行30年的耐久性要求。

1.2 檢測與分析

經檢測：1)老冷卻塔綜合評定為四級,即可靠性嚴重不符合國家現行規范要求,已不能正常使用,必須立即采取措施。2)垂直度變形：整體傾斜率為0.4‰,小于高聳結構規定的允許傾斜限值5‰。3)混凝土強度：人字柱和外壁均小于原設計強度。4)塔筒內外壁也存在不同程度的混凝土剝離、鋼筋外露、裂縫等現象。

按照當前計算條件和現行混凝土結構設計規范進行了核算,老冷卻塔的關鍵受力部位人字柱和下環梁已經不能滿足要求。從計算結果分析,很多部位配筋未達到計算配筋要求;從構造上,筒壁許多部位不滿足ρ≥0.2%的要求。

1.3 加固方案

1.3.1 人字柱

人字柱采用擴大截面加固方案,人字柱現截面尺寸400 mm×400 mm,加大截面至 550 mm×550 mm;單根柱長約6.2 m。采用鋼模板,高強無收縮無機粘結灌注材料配制C40微膨脹自密實混凝土澆灌,以提高新加混凝土的密實性和與原柱混凝土的連接效果。柱身縱筋采用4Φ 25+4Φ 18,箍筋Φ 8@200,柱兩端箍筋按抗震構造要求加密。

1.3.2 筒壁

塔外壁均有大面積表面混凝土剝落,鋼筋外露生銹等現象,采用局部修復和粘貼碳纖維布,塔身表面全面防腐處理方案。主要程序如下：

1)鑿除已疏松混凝土,清理至堅實基面,外露鋼筋除銹防銹處理;2)用FPSC聚合物水泥復合砂漿修復。該種砂漿對酸、鹽有輕度防護作用,且耐大氣性好;3)修補部位局部粘貼環向碳纖維布加固,端部加100寬壓條;4)筒壁外表面刷防護材料。

塔內壁原來未作過防腐處理,有大片混凝土剝落,鋼筋外露銹蝕現象,多數外露鋼筋基本銹斷,此外還有多條沿豎向鋼筋的裂縫。對該塔采用混凝土修復后外粘碳纖維布加固方案,程序如下：

1)鑿除已疏松混凝土,清理至堅實基面,外露鋼筋除銹防銹處理;2)用FPSC聚合物水泥復合砂漿修復;3)筒壁內面豎向、環向粘貼碳纖維布,寬100@400;4)專用不銹鋼錨釘錨固,雙向間距800 mm,錨釘位于縱橫碳纖維布的交叉點上;5)表面刷防腐材料。

1.4 碳纖維布加固的施工

1)鋼筋除銹。a.清除被加固構件表面剝落、疏松、蜂窩腐蝕等劣化混凝土;b.剔除銹蝕鋼筋外包混凝土,使鋼筋外露;c.用鋼絲刷和角磨機除去鋼筋表面的銹蝕層;d.用丙酮或無水酒精擦拭鋼筋表面至露出鋼筋本質。

2)基面處理。a.將構件表面凸出部分磨平,露出砂、石、水泥。轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀(圓弧半徑10 mm≤R≤20 mm);b.裂縫部分用修復材料修復磨平;c.壓縮空氣除去表面粉塵,用丙酮擦拭表面。

3)涂刷底膠。用滾筒或刷子將底膠均勻涂刷于混凝土表面。膠層厚度應滿足設計要求。底膠硬化后,若表面有凸起部分,用磨光機或砂紙打磨平整。待底膠指觸干燥后,再進行下一步施工。

4)粘貼面修補。對粘貼面上的凹入部位,用環氧膩子修補,以保證粘貼面平整,確保加固效果。待環氧膩子指觸干燥后,再進行下一步施工。

5)碳纖維布粘貼。a.按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布,應盡量避免搭接。如若搭接,則碳維布沿纖維方向的搭接長度不得少于100 mm;b.配制浸漬樹脂膠均勻涂抹于所要粘貼部位,在搭接、拐角等部位要多涂抹一遍;c.粘貼碳纖維布,用滾筒沿纖維方向多次滾壓,擠除氣泡,使樹脂膠充分浸透碳纖維布;d.碳纖維布表面均勻涂抹一層面膠,要求涂刷均勻,不得有漏涂或涂刷不飽滿之處;e.端部用橫向碳纖維布固定,翹起部分用注射器補膠;f.表面防護處理。為保證膠的耐久性、耐火性等性能,可在表面涂抹砂漿或噴防火涂料進行保護。

施工中應注意如下問題：

1)施工溫度應在5℃～35℃范圍內,相對濕度不大于70%。

2)裁剪及使用碳纖維布時應遠離電源,尤其是高壓電線及輸電線路。

3)碳纖維布配套膠的原料應密封儲存、遠離火源,避免陽光直接照射。

4)膠的配制和使用場所,必須保持通風良好。

5)現場施工人員應穿工作服,同時還須戴口罩和手套。嚴禁在施工現場吸煙。

6)施工現場應配備必要的滅火器以備救護。

2 結語

經過加固處理后,冷卻塔能夠滿足當前結構設計標準和設計規范,并能滿足安全運行30年的耐久性要求,但應定期檢查和正常維護,且第一次檢查時間不應遲于10年。目前已經正常使用2年無異常。帶來了可觀的經濟效益,同時也具有巨大的社會效益。

碳纖維布加固技術在我國快速發展,目前已經制定了相關的技術標準及規程(《CECS 146-2003碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》),隨著碳纖維布和樹脂等材料的國產化及碳纖維布加固技術的成熟,該技術將會被越來越廣泛地應用。

[1]趙 彤,謝 劍.碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M].天津：天津大學出版社,2001.

[2]張立人.建筑結構檢測、鑒定與加固[M].武漢：武漢理工大學出版社,2003.

[3]蔣文勇,李碧雄.碳纖維在土木工程加固中的應用研究[J].四川建筑科學研究,2007(12)：69-72.

[4]CECS 146-2003,碳纖維片材加固混凝土結構技術規程[S].