碳纖維布加固技術在水利工程中的應用研究

馬良

【摘 要】 主要研究碳纖維布加固技術及其在水利工程補強加固中的應用，對碳纖維布加固技術進行了簡單的介紹，并從碳纖維布補加固技術在混凝土表面補強、牛腿加固、大梁底加固、水工涵洞加固中的應用為例討論了碳纖維加固技術在水利工程中的應用，并重點討論了碳纖維加固的施工工藝，碳纖維加固技術應用與水利工程能夠顯著提高水利工程補強加固的效果，并且經濟效益很高。

【關鍵詞】 碳纖維 ?加固 ?水利工程

碳纖維加固技術是一種有效的加固技術，相比于傳統的加固方法，有著較高的強度和彈性模量，有著很高的結構和構件延性性能，施工便捷，沒有濕作業，無需大型的加壓設備，施工周期很短，并且碳纖維厚度很小，不會對被加固結構產生很大的尺寸變化，不會產生附加載荷，耐腐蝕性強，這些特點使碳纖維布加固技術被廣泛的應用在水利工程中，取得了很好的應用效果。

1 碳纖維布加固

碳纖維布加固技術最早出現在德國、瑞士，20世紀80年代后碳纖維復合材料逐漸應用到加固混凝土結構中，碳纖維復合材料加固修復混凝土結構技術將碳素纖維應用于土木工程，使用樹脂材料粘貼碳纖維在結構或者構件表面，形成復合材料，和結構或者構件協同工作，實現對結構構件補強加固和力學性能的改善。

在水利工程混凝土結構加固中使用的碳纖維材料主要有碳纖維、配套樹脂兩種，碳纖維的抗拉強度是建筑鋼材的幾十倍，彈性模量相當于鋼材，高彈性碳纖維彈性模量甚至是鋼材的兩倍，施工性能和耐久性能均非常優異，是一種性能優異的加固修復材料，胚胎樹脂則主要有底層樹脂、整平材料、粘浸樹脂等。

2 在水工橋梁加固中的應用

當前混凝土加固主要使用增加截面、混凝土置換、外粘型鋼加固法、外粘鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固方法等。粘帖纖維復合方法強度高，抗拉強度高，比重輕，耐久性腐蝕性好，施工便捷，技術比較成熟。

（1）混凝土表面補強。進行混凝土表面處理首先需要打磨混凝土表面，清理表面灰漿和疏松，使用吹風機清理浮塵，配制刷涂底膠，攪拌3-5min，均勻之后使用，使用找平膠修復不平整位置，配制涂刷浸漬膠，粘貼碳纖維布。（2）牛腿加固。牛腿通常處于惡劣工礦下，容易出現破損、剝落、露筋等問題，采用傳統水泥砂漿進行修補效果不理想，而使用碳纖維布補強技術則能夠起到有效的加固作用。（3）大梁底加固。普通碳纖維使用聚丙烯腈或者中間相瀝青纖維經過高溫碳化后制成。碳纖維應力應變量呈現完全線彈性，無屈服點和塑性區，加固混凝土使用的碳纖維布將碳纖維均勻平鋪，形成厚度很小的主纖維方向受力纖維布，能夠最小程度的改變大梁底部的應力分布，能夠和原有結構共同受力，大梁加固過程中沿橋梁主拉應力方向粘貼碳纖維布，兩端設置錨固端，這種形式能夠顯著提高構件抗彎剛度，減少構件撓度，對梁體的受力情況進行改善。

3 水工涵洞加固

水工隧道在水流沖刷、磨損、氣蝕等的影響下，運行時間逐漸延長，容易造成裂縫、滲漏、老化等問題，對結構安全性和耐久性產生了很大影響。水工涵洞的傳統加固工藝為噴混凝土或者掛網澆筑混凝土等，類似于對涵洞進行二次襯砌，這種施工方法難度較大，并且施工周期長，成本較高，投入一段時間之后需要進行繼續加固，形成了惡性循環。

而碳纖維加固方法應用于水工涵洞的加固則有著無法比擬的優勢。碳纖維材料能夠任意剪裁、加固成各種形狀，有著很大的靈活性和較強的靈活性。加固補強無需動用大型加固機械，施工速度很快，效率較高。碳纖維布糙率低于混凝土表面，能夠增加加固段的流量系數，增加管道過流能力的同時削弱了流水腐蝕的強度，并且碳纖維能夠對混凝土裂縫起到一個有效的封閉作用，能夠減緩裂縫的產生和擴展，而且碳纖維尺寸很小，對原斷面的大小和形狀產生的變化很小。

4 水工混凝土補強加固工藝

4.1 設計原則

碳纖維布加固技術存在一定的使用范圍，不是萬能的加固技術，不能盲目使用，需要遵循一定的設計原則編制設計方案。（1）建筑物功能改變，導致構件承載力不能滿足要求，需要使用碳纖維布加工技術加固時被加固構件最小截面尺寸、受壓區高度和配筋率等需要按照相關規范要求設計，要求不能改變結構構件的最終破壞形式。（2）如果結構抗剪強度很低，需要適當增加纖維布層數，但是同一截面受力碳纖維粘貼層不能超過3張，否則可能會和被加固構件表面發生剝離破壞。（3）碳纖維材料屬于高強度材料，為了將其高強度充分發揮，要求被加固混凝土構件最低強度至少達到C15，混凝土強度過低可能會導致結構發生脆性剝離破壞。（4）碳纖維沿著纖維受力方向搭接長度依據單位面積碳纖維質量確定，為了施工方便，使用多條多層碳纖維布加固，多條或者多層碳纖維布應該錯開搭接位置。

4.2 基層瑕疵處理

拆除梁底木隔斷，搭設腳手架，鏟除梁板下表面抹灰層，整平凸出的石子和混凝土殘渣，使用角磨機整平，清理混凝土表面浮塵、油污等雜質，使用吹風機清理混凝土表面，使用環氧樹脂修補破裂或者損傷部位。

4.3 底層樹脂涂覆

按照一定比例，在容器中放置一定比例主劑和固化劑，攪拌均勻，按照現場溫度確定用量和實踐，使用滾筒刷或者毛刷將樹脂涂抹在混凝土構件表面，充分養生。

4.4 粘粘纖維布

根據構件的長度情況確定碳纖維布的下料長度，通常最長不超過3m。將碳纖維布粘貼在需要表面，脫泡后，使用輥子或者膠輪，順著纖維方向揉搓表面，進行2-3次，清理異形物質。

4.5 末漆

使用滾筒刷或者毛刷涂抹配置攪拌均勻的浸漬樹脂在碳纖維表面，使用輥子在碳纖維表面沿著一個方向反復輥壓，完全排出氣泡，浸漬樹脂需要充分浸潤碳纖維布，并且輥壓過程中不能損傷碳纖維布，表面干燥之后可粘貼下一層。

4.6 表面防護

最后一層碳纖維布表面同樣需要均勻涂抹浸潤樹脂。為了保證加固效果，要求施工環境溫度至少5，并且碳纖維布搭接長度至少100mm。發現空鼓部位需要使用針管灌注浸潤樹脂，如果有效粘接面積在95%以下，視作無效粘接，需要重新施工。

5 結語

碳纖維布加固技術應用于水利工程加固獲得了理想的應用效果，但是目前進口碳纖維造價較高，而國內的碳纖維質量性能尚不能滿足使用要求，因而在重視碳纖維加固技術手段的優化同時，還應該重視碳纖維材料自身的研究。

參考文獻：

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