碳纤维布加固技术在水利工程中的应用研究

马良

【摘 要】 主要研究碳纤维布加固技术及其在水利工程补强加固中的应用，对碳纤维布加固技术进行了简单的介绍，并从碳纤维布补加固技术在混凝土表面补强、牛腿加固、大梁底加固、水工涵洞加固中的应用为例讨论了碳纤维加固技术在水利工程中的应用，并重点讨论了碳纤维加固的施工工艺，碳纤维加固技术应用与水利工程能够显著提高水利工程补强加固的效果，并且经济效益很高。

【关键词】 碳纤维  加固  水利工程

碳纤维加固技术是一种有效的加固技术，相比于传统的加固方法，有着较高的强度和弹性模量，有着很高的结构和构件延性性能，施工便捷，没有湿作业，无需大型的加压设备，施工周期很短，并且碳纤维厚度很小，不会对被加固结构产生很大的尺寸变化，不会产生附加载荷，耐腐蚀性强，这些特点使碳纤维布加固技术被广泛的应用在水利工程中，取得了很好的应用效果。

1 碳纤维布加固

碳纤维布加固技术最早出现在德国、瑞士，20世纪80年代后碳纤维复合材料逐渐应用到加固混凝土结构中，碳纤维复合材料加固修复混凝土结构技术将碳素纤维应用于土木工程，使用树脂材料粘贴碳纤维在结构或者构件表面，形成复合材料，和结构或者构件协同工作，实现对结构构件补强加固和力学性能的改善。

在水利工程混凝土结构加固中使用的碳纤维材料主要有碳纤维、配套树脂两种，碳纤维的抗拉强度是建筑钢材的几十倍，弹性模量相当于钢材，高弹性碳纤维弹性模量甚至是钢材的两倍，施工性能和耐久性能均非常优异，是一种性能优异的加固修复材料，胚胎树脂则主要有底层树脂、整平材料、粘浸树脂等。

2 在水工桥梁加固中的应用

当前混凝土加固主要使用增加截面、混凝土置换、外粘型钢加固法、外粘钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固方法等。粘帖纤维复合方法强度高，抗拉强度高，比重轻，耐久性腐蚀性好，施工便捷，技术比较成熟。

（1）混凝土表面补强。进行混凝土表面处理首先需要打磨混凝土表面，清理表面灰浆和疏松，使用吹风机清理浮尘，配制刷涂底胶，搅拌3-5min，均匀之后使用，使用找平胶修复不平整位置，配制涂刷浸渍胶，粘贴碳纤维布。（2）牛腿加固。牛腿通常处于恶劣工矿下，容易出现破损、剥落、露筋等问题，采用传统水泥砂浆进行修补效果不理想，而使用碳纤维布补强技术则能够起到有效的加固作用。（3）大梁底加固。普通碳纤维使用聚丙烯腈或者中间相沥青纤维经过高温碳化后制成。碳纤维应力应变量呈现完全线弹性，无屈服点和塑性区，加固混凝土使用的碳纤维布将碳纤维均匀平铺，形成厚度很小的主纤维方向受力纤维布，能够最小程度的改变大梁底部的应力分布，能够和原有结构共同受力，大梁加固过程中沿桥梁主拉应力方向粘贴碳纤维布，两端设置锚固端，这种形式能够显著提高构件抗弯刚度，减少构件挠度，对梁体的受力情况进行改善。

3 水工涵洞加固

水工隧道在水流冲刷、磨损、气蚀等的影响下，运行时间逐渐延长，容易造成裂缝、渗漏、老化等问题，对结构安全性和耐久性产生了很大影响。水工涵洞的传统加固工艺为喷混凝土或者挂网浇筑混凝土等，类似于对涵洞进行二次衬砌，这种施工方法难度较大，并且施工周期长，成本较高，投入一段时间之后需要进行继续加固，形成了恶性循环。

而碳纤维加固方法应用于水工涵洞的加固则有着无法比拟的优势。碳纤维材料能够任意剪裁、加固成各种形状，有着很大的灵活性和较强的灵活性。加固补强无需动用大型加固机械，施工速度很快，效率较高。碳纤维布糙率低于混凝土表面，能够增加加固段的流量系数，增加管道过流能力的同时削弱了流水腐蚀的强度，并且碳纤维能够对混凝土裂缝起到一个有效的封闭作用，能够减缓裂缝的产生和扩展，而且碳纤维尺寸很小，对原断面的大小和形状产生的变化很小。

4 水工混凝土补强加固工艺

4.1 设计原则

碳纤维布加固技术存在一定的使用范围，不是万能的加固技术，不能盲目使用，需要遵循一定的设计原则编制设计方案。（1）建筑物功能改变，导致构件承载力不能满足要求，需要使用碳纤维布加工技术加固时被加固构件最小截面尺寸、受压区高度和配筋率等需要按照相关规范要求设计，要求不能改变结构构件的最终破坏形式。（2）如果结构抗剪强度很低，需要适当增加纤维布层数，但是同一截面受力碳纤维粘贴层不能超过3张，否则可能会和被加固构件表面发生剥离破坏。（3）碳纤维材料属于高强度材料，为了将其高强度充分发挥，要求被加固混凝土构件最低强度至少达到C15，混凝土强度过低可能会导致结构发生脆性剥离破坏。（4）碳纤维沿着纤维受力方向搭接长度依据单位面积碳纤维质量确定，为了施工方便，使用多条多层碳纤维布加固，多条或者多层碳纤维布应该错开搭接位置。

4.2 基层瑕疵处理

拆除梁底木隔断，搭设脚手架，铲除梁板下表面抹灰层，整平凸出的石子和混凝土残渣，使用角磨机整平，清理混凝土表面浮尘、油污等杂质，使用吹风机清理混凝土表面，使用环氧树脂修补破裂或者损伤部位。

4.3 底层树脂涂覆

按照一定比例，在容器中放置一定比例主剂和固化剂，搅拌均匀，按照现场温度确定用量和实践，使用滚筒刷或者毛刷将树脂涂抹在混凝土构件表面，充分养生。

4.4 粘粘纤维布

根据构件的长度情况确定碳纤维布的下料长度，通常最长不超过3m。将碳纤维布粘贴在需要表面，脱泡后，使用辊子或者胶轮，顺着纤维方向揉搓表面，进行2-3次，清理异形物质。

4.5 末漆

使用滚筒刷或者毛刷涂抹配置搅拌均匀的浸渍树脂在碳纤维表面，使用辊子在碳纤维表面沿着一个方向反复辊压，完全排出气泡，浸渍树脂需要充分浸润碳纤维布，并且辊压过程中不能损伤碳纤维布，表面干燥之后可粘贴下一层。

4.6 表面防护

最后一层碳纤维布表面同样需要均匀涂抹浸润树脂。为了保证加固效果，要求施工环境温度至少5，并且碳纤维布搭接长度至少100mm。发现空鼓部位需要使用针管灌注浸润树脂，如果有效粘接面积在95%以下，视作无效粘接，需要重新施工。

5 结语

碳纤维布加固技术应用于水利工程加固获得了理想的应用效果，但是目前进口碳纤维造价较高，而国内的碳纤维质量性能尚不能满足使用要求，因而在重视碳纤维加固技术手段的优化同时，还应该重视碳纤维材料自身的研究。

参考文献：

[1]贾军波，吕令毅，贾志斌.碳纤维材料加固技术的应用研究[J].建筑技术开发，2011，（4）：33-351.

[2]娄宇，王红庆，李如白.碳纤维加固技术及其工程应用[J].工业建筑，2012，（10）：39-401.endprint