碳纤维在水闸加固工程中的应用.doc

碳纤维在水闸结构加固中的应用
一、碳纤维材料的特点
碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic)加固修复混凝土结构技术是近年来在美日等发达国家兴起的一项新型加固技术。该项技术是利用树脂类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体CFRP，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。它的主要特点有以下五点。
（1）强度高。碳纤维加固材料强度普遍较钢材为高，碳纤维强度可达钢材的10倍以上。
（2）极好的环境防护效果。用环氧树脂胶粘于混凝土结构表面，有良好的防风砂、碳化及防水性能。
（3）重量轻。其比重较轻，在几乎不增加自重的情况下达到高强度的加固效果。
（4）施工简便。碳纤维重量轻，一般只需手工操作，不受施工空间的限制。施工进度快。
（5）不受形状限制。不论方形、矩形、六角形及各类不规则形状，加固后均可保持物体原状，不影响表面装饰。
碳纤维加固修补技术是一种非常简单且优良的加固补强方法，与传统的粘钢加固不同，碳纤维加固在不增加结构的荷重的前提下达到高效加固的目的。两者性能比较见表1。

表1 碳纤维与普通粘钢性能指标比较表
项目
碳纤维
普通粘钢
抗拉强度（MPa）
3500
210
单层厚度（mm）
0.1～0.2
3～6
密度（g/cm3）
1.8
7.8
协调性
抗撕裂性能好，与基层紧密结合，协调性好
抗撕裂性能差，与原结构协调性差
施工
方便，快速，施工质量易控制
自重大，需破坏原有结构，施工质量难控制
后期维护
耐酸、耐碱，无需维护
需定期进行防锈、除锈处理
二、加固方案
某水闸检修门起吊牛腿兼有抗剪和抗弯作用，设计抗剪能力为43.6kN，抗弯承载力为42.9 kN·m。原结构破坏形态主要为剪切破坏，部分为受拉筋不足破坏。根据工程实际情况，对127根牛腿全部加固，加固范围为牛腿挑出工作桥面部分。加固时采取粘贴横向和纵向碳纤维布相结合的方法提高牛腿的抗剪和抗弯性能。即垂直牛腿轴向粘贴全封闭300型（300g/m2）碳纤维包箍，提高牛腿的抗剪性能；在牛腿顶部沿轴向粘一层300型（300g/m2）碳纤维布，起抗拉及包箍接头压条作用。牛腿加固方案详见图1。
三、施工
3.1 牛腿表面处理
采用磨光机清除牛腿表面污物、浮浆以及劣化的混凝土，露出混凝土结构层。牛腿棱角均打磨成圆角，半径不小于20mm。对于以前采用普通水泥砂浆修补的部位，因黏结不实，凿除后采用环氧树脂腻子恢复，再打磨平整。
3.2 牛腿裂缝处理
针对裂缝深度不同，采取两种方法予以处理。
（1）表层裂缝：凿槽嵌补，即沿裂缝位置凿开宽1～3cm的“V”形槽，基面清理后采用环氧树脂封闭。
（2）深层裂缝或贯穿裂缝：钻孔后用AB型灌浆树脂注浆。
a、封闭裂缝：同表层裂缝处理。充分考虑所用封闭材料的养护时间，保证在注浆开始时封闭材料已经达到应有的强度。
b、钻孔：沿裂缝两边约5cm处以45°斜角垂直于裂缝方向钻孔，使所钻的孔穿透裂缝，孔径1.5cm左右。每条裂缝钻孔2个。
c、注浆施工：从位势低的一个孔开始注浆。注浆时缓缓加压，达到一定的压力后，保持压力2～3分钟，直到另一个孔有浆液流出为止。
d、二次注浆：第一次注浆后约10分钟后，进行第二次注浆，以保证缝体内浆液充盈。
3.3 涂刷底层树脂
一般采用毛刷或吸尘器将混凝土表面清理干净。三河闸地势开阔，用压缩空气吹扫使牛腿表面清洁后，均匀涂抹一层底层树脂。涂抹后干燥12小时以上，树脂完全固化后进行下一道工序施工。
3.4 整平贴合面
用树脂腻子刮抹不平整的混凝土表面，消除所有缝隙和不平整之处。
3.5 粘贴碳纤维布
牛腿粘贴碳纤维布时，首先粘贴垂直于轴向的碳纤维布，再粘贴顶部平行于轴向的碳纤维布，具体工序如下。
（1）用JH型粘碳胶滚涂于牛腿表面；
（2）将碳纤维布用手轻压粘贴于牛腿四周，并用专用的橡皮滚筒顺纤维方向多次滚压，挤压气泡，使JH型粘碳胶充分浸透碳纤维布；
（3）再用同样的方法粘贴顶层碳纤维布；
（4）最后再滚涂一层JH型粘碳胶并多次滚压使其渗入碳纤维布内。
四、 施工注意事项
（1）粘贴碳纤维布时，必须驱除纤维丝内的空气，使碳纤维布表面平整。当出现空鼓时，面积少于100cm2时，采用针管注浆方法填实空鼓；空鼓面积超过100cm2时，应切除后重新粘贴。
（2）碳纤维布粘贴时需搭接的，搭接长度应不小于100mm。
（3）粘贴碳纤维布时一定要根据碳纤维所起作用选择正确的纤维方向，不能出错。
（4）碳纤维布为导电材料，施工时应采取有效的保护措施。
（5）JH型粘碳胶的固化时间一般为30～60分钟，高温时固化时间更快，应在固化前用完JH型粘碳胶。
（6）后续施工不得破坏已经完成的碳纤维，不得靠近碳纤维焊接、烘烤。

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