碳纤维复合材料在水利水电加固工程中的应用_逄世玺.pdf

120逄世玺 碳纤维复合材料在水利水电加固工程中的应用碳纤维复合材料在水利水电加固工程中的应用逄世玺（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510610）摘要：碳纤维复合材料加固修复混凝土结构技术近年来在房建、桥梁等领域得到了广泛应用，而针对水利水电加固工程中的防水、防腐蚀及构件不规则等特点，碳纤维复合材料则更具有适用性。鉴于此，基于水利水电加固工程视角，介绍了碳纤维复合材料与粘结材料的特性及其加固技术的功能和特点，阐述了利用碳纤维材料加固水利水电结构的几个工程实例，并对碳纤维复合材料在水利水电结构加固中的应用前景作了分析。关键词：碳纤维；复合材料；环氧树脂；水利水电工程；加固技术 中图分类号：TB 332Application of Carbon Fiber Reinforced Polymer in Water Conservancy and Hydropower Reinforcement ProjectPANG Shi-xi（Pearl River Water Resources Research Institute,Guangzhou 510610,Guangdong,China）Abstract：In recent years,the technology of strengthening and repairing concrete structures with carbon fi ber composites has been widely used in the fi elds of building,bridges and other fi elds.In view of the characteristics of waterproof,anti-corrosion and irregular components in water conservancy and hydropower reinforcement projects,carbon fi ber composites are more applicable.In view of this,based on the perspective of water conservancy and hydropower reinforcement engineering,this paper reviews the characteristics of carbon fi ber composites and bonding materials,as well as the functions and characteristics of reinforcement technology,expounds several engineering examples of strengthening water conservancy and hydropower structures with carbon fiber composites,and analyzes the application prospects of carbon fi ber composites in the reinforcement of water conservancy and hydropower structures.Key words：carbon fi ber;compound material;epoxy resin;water conservancy and hydropower projects;reinforcement technology作者简介：逄世玺，高级工程师，本科，研究方向：水利水电工程。目前，由于使用老化、自然侵蚀及地震灾害等多种原因，有大量的房屋建筑、桥梁或码头等混凝土结构存在不同程度的损伤，亟需加固维修1。同时，考虑使用功能的改变、充分利用资源或解决既有的设计与施工问题等，有大量的现存建筑物需要通过补强加固手段来实现更新改造，以此提升结构构件的抗拉、抗弯、抗扭、抗震等各项性能。在混凝土结构加固补强方面，常见的措施包括粘钢法、体外预应力法、扩大截面法等，但均存在一定程度的不足2-3。近些年来，利用碳纤维复合材料（CFRP）进行构件加固的技术得到了越来越多的应用。该技术通过树脂类胶结材料将碳纤维布或碳纤维板牢固地粘贴于混凝土表面，借助高模量、高强度的碳纤维实现对混凝土构件的加固补强，并显著提升结构的受力性能4。相较于常规的加固工艺，碳纤维复合材料加固技术在应用方面具有更好的优势。当前，日本和欧美等国家均高度重视碳纤维复合材料的研究与应用，尤其是自 1995 年日本阪神大地震以后，碳纤维复合材料加固技术发挥了重要作用，极大地推动了灾后建筑与交通设施的快速修复与改建进程，并逐渐在工程加固领域占据重要的应用地位5-6。近些年来，我国不少的科研与高等院校均对碳纤维复合材料加固修复混凝土结构技术开展了大量研究与实践，极大地促进了该技术在工业与民用建筑、桥梁等加固工程中的广泛应用7。基于此，本文就碳纤维复合材料在水利水电工程中的应用进行阐述，以期进一步推动碳纤维复合材料加固技术在混凝土结构加固领域中的发展。1 碳纤维复合材料和粘结材料1.1 碳纤维复合材料作为一种较为典型的工程复合材料，碳纤维复合材料的基体大多为合成树脂，增强体为碳纤维，两者经特殊工艺复合而成。将聚丙烯腈（PAN）纤维材料在高温下进行碳化处理，即获得工程加固领域常用的碳纤维材料。相比普通碳素钢，碳纤维的抗拉强度提高逾十倍，弹性模量提升约 23 倍8。在用于混凝土构件加固时，碳纤维应用形式一般包括两种，即碳纤维布与碳纤维板，且碳纤维布由于操作灵活性而得到更多的应用。根据碳纤维丝的布置方向，碳纤维布有单轴向和双轴向两种类型，适用于扭转、剪切或弯曲等不同受力条件下的混凝DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.028合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期121土构件修复处理。1.2 粘结材料在碳纤维复合材料与混凝土构件相互作用的过程中，粘结材料的性能具有决定性作用。为使碳纤维布与混凝土间的剪力得到有效传递，粘结材料需要具备较高的刚度和强度。同时，为避免粘结材料由于混凝土开裂而发生脆性损坏，其韧性尚应符合一定要求。另外，粘结材料应具备常温下固化的特性，固化收缩率不宜大，且固化时间应合理，同时粘结材料的粘度、流动性应符合使用要求。环氧树脂类材料具有低收缩率（不超过 0.2%）、高粘结强度的特性，成为当前混凝土工程加固领域最常用的碳纤维布黏结剂9。碳纤维布黏结剂分为基底胶、整平（修补）胶和浸渍胶。目前，实际应用中的碳纤维布粘结胶一般为与进口碳纤维布配套的树脂胶，成本较高。目前，国内已有科研单位研发出专门用于碳纤维布粘贴的配套树脂胶，性能参数基本等同于进口树脂胶，但成本降低 50%以上。2 碳纤维复合材料加固技术的功能特点2.1 碳纤维复合材料补强加固功能（1）提升受弯构件抗弯能力。在工业厂房、桥梁或民用建筑等领域，针对受弯结构件，采用碳纤维复合材料进行补强具有很好的适用性，可极大程度增强构件的抗弯性能。在维持加固构件重量与外观尺寸不变的条件下，经加固后的构件承载力可提升 23 倍。（2）增强受剪和受扭构件的抗剪性能。对于受剪与受扭构件，借助双轴向纤维进行补强处理，可较好地适应剪力和扭矩的受力状态，增强构件的抗剪和抗扭性能。（3）改善承载力，延长楼板服役年限。对桥面板或楼板的板构件采用碳纤维布加固，能在改善承载力的同时，不增加额外的荷载。尤其是针对楼板开洞工况，通过粘贴碳纤维布，能极大程度提高楼洞周边的受载能力，延长楼板服役年限。（4）增强混凝土柱承载能力，提高抗震性能。对于房屋结构立柱或桥墩等构件，采用碳纤维布进行粘贴补强，能实现对混凝土构件横向变形的有效约束，提高混凝土构件的受荷能力和抗压性能，改善柱体延性，从而避免混凝土构件的脆性破坏，有助于提高抗震性能10。（5）有效增强混凝土构件的抗裂性能。通过对混凝土构件粘贴碳纤维布进行加固，能有效封闭既有裂缝，抑制结构表面裂缝的发展，并阻止新裂缝的形成，同时可促使裂缝形态的改变，生成细密的微裂缝，利于维持原有受力状态，不致对构件的正常使用造成影响。2.2 碳纤维复合材料加固技术特点（1）高强、高效。碳纤维布的抗拉强度约为普通钢材的 10 倍，弹性模量为碳素钢的 23 倍，具有高强度、高模量的特性，且比重低、延伸率小，将其用于混凝土构件的补强加固，可充分发挥其优异的力学性能，有效提高构件的抗裂性能、延性及承载力，达到构件高强、高效修复的目的。（2）施工操作便捷，修复速度快。碳纤维布轻质高强，只需人工操作即能完成加固，对操作空间要求低，不受外界因素影响。在多数情况下能实现交叉施工，不影响既有工作面。碳纤维布加固速度快、周期短，将布料粘贴于结构表面，待树脂胶固化并达到强度要求后，即可恢复使用，施工周期一般仅为 23 d。（3）施工质量易保证。碳纤维布与构件表面的紧密程度是衡量碳纤维布加固质量的重要标准。碳纤维布属于柔性材料，便于粘贴至构件表面，并能较好地适应各种表面形状，密实程度较易保证，常规条件下均能实现95%以上的有效粘贴面积，满足碳纤维布粘贴施工的质量要求。（4）防水和防腐蚀效果突出。采用碳纤维布加固，能在构件表面形成环氧树脂胶层，具有优良的防水性，降低钢筋锈蚀概率11。碳纤维材料抗腐蚀性能好，能有效辅助构件抵抗各种酸、碱、盐的侵蚀。（5）适用面广。碳纤维布柔性较好，对于混凝土工程中的各种构件均具有适用性，如梁、柱、板、壳、拱等，且能适应不同的构件形状变化，包括圆形、异形等，均能实现较好的碳纤维布粘贴效果。3 碳纤维复合材料补强加固应用3.1 工程加固实例近些年来，在水利水电等水工混凝土结构的修复补强项目中，碳纤维复合材料得到了越来越多的青睐与应用，现基于几个典型案例行进阐述。（1）某水利防汛中心12为一多层现浇钢筋混凝土结构，新建中控室为既有二楼会议室改建而来，中控室内需要添加若干设备与仪器。经验算，结构局部主、次梁配筋数量不足，承载力欠缺，存在超载现象。同时部分主、次梁构件产生开裂问题。通过调查研究，发现地基的不均匀沉降是造成构件开裂的主要原因。鉴于此，采用碳纤维布对部分主次梁开展修复处理。将 12 层碳纤维布粘贴于缺筋梁表面，提升构件抗弯性能。而对配筋符合要求但存在裂缝的梁，则以玻璃纤维布包裹其侧面与底面，抑制裂缝拓展，改善梁体抗裂性能。此项修复工作涉及 29 根梁，施工周期仅为 9d。（2）某水电站闸坝坝顶公路桥13原设计过车最大荷载为 8t。由于临近周边需要新建大桥，且桥体所需施工材料、设备等均需要经由该桥，最大过车荷载达 32t。经分析，除对该公路桥实施加固补强外，尚未有更好的方案。为此，采用碳纤维布对桥体进行整体加固补强。将 3 层 L300-C 碳纤维通长布置于梁底，并将 U 形碳纤维箍板沿全桥向粘贴，以此改善桥梁的抗剪与抗弯性能。加固处理后开展现场压载试验，依托装满砂体且总重达 32t 的重车，分别根据正常行驶工况、刹车工况等不同情况行驶通过该桥，测量梁体位移发现，最大挠度为3mm，符合通行安全要求。目前该加固公路桥已投入使用，且运行安全。（3）某水电厂主厂房14采用框架结构，屋面大梁为工字型断面的现浇混凝土，翼缘宽 1m，跨中梁高122逄世玺 碳纤维复合材料在水利水电加固工程中的应用2m，跨度达 23.65m。原设计屋面采用预制混凝土板，屋面大梁跨中配筋布置为：边框架处采用 1432mm 钢筋，中间框架处采用 1932mm 钢筋。在后期的运行过程中，有多条裂缝出现在屋面大梁中，个别缝宽达到0.4mm。经计算分析认为，在大梁承载力与裂缝宽度方面，原设计配筋均可符合要求，但考虑既有的梁体裂缝发展情况可能造成大梁承载力与耐久性的下降，故而仍需要对大梁采取补强措施。该项目的修复内容包括大梁底侧粘贴碳纤维布以及裂缝封闭处置。按照梁体抗弯承载力提升 30%的目标计算确定碳纤