碳纖維材料在水利工程修復中的應用研究初探

萬忠海白文斌馮颯趙川

(1.四川省都江堰東風渠管理處，四川 成都 610081；2.四川省水利科學研究院，四川 成都 610072)

1 研究背景

我國水利工程中的各類型輸水建筑物，作為輸水工程結構的代表，對保障水利工程防洪、灌溉、供水等效益發揮具有十分重要的作用、顯著的重要性和不可替代性。但主要輸水建筑物渡槽、水閘、頂管、涵洞、隧洞、倒虹管等有相當數量為20世紀50—60年代修建的，接近或超過設計使用年限的現象普遍存在，受當時的年代限制，設計標準較低、施工質量差，經過多年運行及自然老化、環境侵蝕、自然災害等問題，水利工程的穩定性、變形、應力應變及支護受力等不斷劣化，混凝土結構存在不同程度的磨損、老化、開裂、腐蝕的不利狀態[1-4]。

根據四川省水利科學研究院承擔四川省水利工程的安全檢測工作中反映出：多泥沙河流上的渡槽、水閘等典型水利工程，長期處于水下及水位變幅區，凍融頻繁，加之四川多數河流為山溪河流，水流中夾帶有大量的推移質和懸移質，其過流面及消能結構部位常受到較嚴重的泥沙(推移質的撞擊)磨損。

如，在高速含沙水流的長期沖刷下，泥沙容易對底板和閘墩底部造成沖磨破壞，修補頻率非常高，甚至年年修、年年壞，從而加大了運行期維修管理工作的工作量和難度，隨著建筑材料價格的日漸增幅，維修成本會越來越大。

目前，四川省灌區相當數量的渡槽工程已超過50a的混凝土使用年限，但在安全檢測中發現，渡槽地基基礎未發現明顯沉降、位移及破壞現象。拆除重建不僅拆遷困難，大量報廢建渣處理影響環境，隨著環保要求，建材價格日漸上漲，建設投資成本巨大。

綜上所述，根據河流狀況及檢修難易程度，研究選擇抗沖耐磨效果好、施工難度小、快速便捷的高性能纖維材料，減少傳統建材使用量，采用高性能纖維增強加固技術對老舊渡槽進行原位維修加固，提高渡槽工程的抗裂、抗沖耐磨能力，以達到降低水利工程維修頻率、延長工程整治間隔周期、減少整治工程施工造成的斷水影響、延長水利設施生命周期，提高施工質量，提高工程年通水運行時間的目的。

2 材料與方法簡介

2.1 碳纖維材料

目前，已經開發成熟并在工程中使用的FRP(纖維增強復合材料)主要有3種：CFRP(碳纖維增強復合材料)，AFRP(芳綸纖維增強復合材料)和GFRP(玻璃纖維增強復合材料)。但實際證明，CFRP(碳纖維增強復合材料)具有其它纖維無可比擬的高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優點，CFRP在國內外的用量也是最大的[5-7]，如圖1所示。

圖1 碳纖維復合材料及其微觀結構

碳纖維是一種力學性能優異的新材料，在航空、航天、建筑、體育、汽車、醫療等領域得到廣泛應用，近年來作為建筑補強材料得到了充分地發揮，但是在水利工程中的應用還很少，因此具有十分重要的研究價值和應用價值。碳纖維不僅具有碳材料的固有特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。碳纖維的加固原理是利用配套碳纖維膠水將碳纖維布或碳纖維板粘貼在基材上，使新舊結構形成一個整體共同受力，從而達到加固補強的目的[8-10]。

相關研究還表明[11]，在新老混凝土粘結界面力學強度試驗中(見圖2)，當界面在砂漿中摻入碳纖維后，明顯地使新老水泥砂漿之間的粘結抗剪強度增大，還可提高混凝土的拉拔強度和劈裂強度，有效地提高了粘結的性能。

圖2 新老混凝土粘結界面力學強度試驗示意

碳纖維是一種力學性能優異的新型材料，具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、導電、導熱、膨脹系數小、減震等優異性能。碳纖維的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500MPa以上，抗拉彈性模量為23000～43000MPa[12]。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在水利工程的廣闊應用前景。

因此，碳纖維在水利工程中采用可大大降低成本。采用不同類型纖維摻合高性能纖維混凝土，如玄武巖纖維、鋼纖維，進行經濟性比對，根據碳纖維材料所具有的特性，研究碳纖維材料與水利設施結構體粘結的加固效果，研究適應水利工程長期處于水下、水位變幅區、推移質和懸移質沖磨、高速水流沖刷等特殊環境下的抗滲、抗沖磨性能，研究不同流態水環境下的各種新型增強材料的應用，探索建立碳纖維復合材料預制件技術與水利設施修復技術的聯動，提高修復效率和質量穩定性，從而實現成本控制。

2.2 研究方法

本次研究采用多種高性能纖維材料試驗、模型與現場試驗、室內試驗結合材料與結構相互作用的數值仿真計算分析，針對不同流態下的水工結構與材料適應性開展課題研究。充分發揮高性能纖維材料特能，研究其在水利工程關鍵技術中的抗滲、抗沖磨的應用。

在系統開展研究工作的基礎之上，實現碳纖維模塊化設計加固，預制碳纖維加固模塊，加固過程高效規范，質量穩定。開發預埋傳感器技術，搭建模塊化結構安全防護智能系統，建立損傷失效數學模型，對加固后的結構體實施在線監控，預測預警，提高結構體使用安全性。搭建模擬試驗平臺，對不同類型受力結構體實施加固方案驗證，模擬自然環境，對不同損傷或結構的建筑物預先提出普遍適用的加固方案，減少施工盲目性，提高施工科學性。

3 研究內容及步驟

針對碳纖維復合材料在水利工程修復中的應用研究之前，需選取研究對象以及建立相應的研究基地。本次擬在東風渠管理處的石堤堰管理站建設高性能纖維材料綜合試驗基地，選取科研所需的典型水利工程建筑物，并將所需老舊渡槽拆遷運至試驗場地，做好原位加固試驗準備工作，同時選取建設管理范圍內的工程試驗段水利工程，如渠道、箱涵、防洪堤、閘壩、渡槽、倒虹管等。根據項目任務書，總結出以下7點內容作為研究重點。

3.1 對都江堰灌區四川省都江堰東風渠管理處水利工程進行調查

通過調查發現水閘、渡槽等水利工程主要結構部位目前存在的安全隱患問題。

3.2 高性能纖維材料綜合試驗基地建立

在四川省都江堰東風渠管理處府河石堤堰管理站規劃建設高性能纖維材料綜合試驗基地，在試驗基地建立后用于：建立實體水利工程構件與高性能纖維增強材料粘結聚合的原位閉環測試試驗系統；建立抗滲、抗沖磨模擬測試系統及材料力學性能指標試驗系統；開發模塊化結構安全防護智能系統，系統包含渠系建筑物受力狀態安全防控系統、玄武巖一體化智能控制系統、智能水位跟蹤系統等系統技術，建立損傷失效數學模型，對加固后的結構實體實施在線監控，預測預警，提高結構物使用安全性。

3.3 研究分析新型材料加固設計方案、施工工藝

針對不同類型高性能纖維材料的抗滲、抗沖耐磨、耐干縮性、抗老化及耐久性、變形、強度、抗化學腐蝕等安全性能開展試驗研究；通過分析高性能纖維材料的不同摻比，研究抗滲、抗沖磨的力學性能特性，高性能纖維材料與砼粘結載體的耦合性以及與水利工程結構體粘結、抗老化、脆化失效等力學性能；根據力學性能數據，理論論證適應水利工程長期處于水下、水位變幅區、凍融頻繁、推移質和懸移質、高速水流沖刷等特殊環境下的抗滲、抗沖磨的加固設計方案；經過設計方案比對論證，確定新型材料在水利工程應用的施工工藝。

3.4 探索新型材料

從實用性廣、經濟性比高、環保性安全性高、加固技術可復制等方面，探索總結適用于四川省水利工程的新型材料，并形成第一階段課題報告。

3.5 應用高性能纖維材料加固技術示范工地建立

通過高性能纖維材料的試驗室研究情況，結合現有管理處運行管理工作，綜合考慮交通、放水條件等因素，選擇渠首管理處府河石堤堰樞紐閘、金花樞紐閘、跳蹬河渡槽段、牧馬干渠頂管段等地建設采用高性能纖維材料加固技術示范工地。

3.6 提出高性能纖維材料關鍵技術和行業標準

分階段提出高性能纖維材料的力學性能、施工工藝技術、加固設計方案及施工質量評定的關鍵技術條件及行業標準。

3.7 形成系統構架，進行技術推廣

根據量化研究成果，形成系統構架，通過宣貫進行水利工程安全防護高性能纖維材料關鍵技術應用推廣，先期達到在省內灌區應用的效果。

4 結語

針對我國早期修建的水利工程結構逐步進入病害多發及性能退化期的問題，本文提出采用碳纖維復合材料用于相關水工建筑物的修復，從而達到提高工程年通水運行時間的目的，延長水利工程生命周期，節約資金投入。此外，本文還列出了碳纖維復合材料在水利工程修復中的各項研究開展步驟以及研究重點，便于指導今后項目的順利開展。