高家增¹，潘明媚²，張正坤³，張志波⁴，徐國清⁴

(1.天津市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津300051；2.順德市桂鎮(zhèn)自來水公司，廣東順德528303；
3.河北省建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北保定071000；4.廊坊市市政設(shè)施管理處，河北廊坊065000)

　　摘　要：探討了將碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的新技術(shù)用以加固預(yù)制拼裝繞絲預(yù)應(yīng)力圓形水池的方法。采用該技術(shù)無論從施工速度和難度、用工量、耐久性及池體美觀等方面考慮，都優(yōu)于傳統(tǒng)加固方法。
　　關(guān)鍵詞：碳纖維；加固技術(shù)；圓形水池
　　中圖分類號：TU991.05
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)07-0068-02

　　預(yù)制拼裝連續(xù)繞絲預(yù)應(yīng)力圓形水池，具有節(jié)約投資、節(jié)省建筑材料、施工進(jìn)度快及水池抗裂、抗?jié)B性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其致命的缺點(diǎn)是耐久性能較差，尤其是當(dāng)水池環(huán)拉力較大，繞絲預(yù)應(yīng)力鋼筋配置較密時(shí)，外噴保護(hù)鋼絲的砂漿施工質(zhì)量不易保證，鋼絲內(nèi)側(cè)有噴不到的死角，砂漿層易起鼓開裂，多年使用后鋼絲容易銹蝕，導(dǎo)致水池破壞。目前國內(nèi)此種類型的水池已有破壞的先例，像山西省某水廠建在半山腰處的一清水池崩塌造成嚴(yán)重后果，天津大港區(qū)某水廠幾座直徑為48 m的清水池使用多年，鋼絲銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致停止運(yùn)行，不得不檢修。
　　改革開放以來，我國興建了大批污水處理廠，其圓形沉淀池大部分采用預(yù)制拼裝連續(xù)繞絲預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，如全國著名的大型污水處理廠——天津紀(jì)莊子污水處理廠、杭州四堡污水處理廠、天津東郊污水處理廠、北京高碑店污水處理廠、沈陽北部污水處理廠等圓形水池均采用此種結(jié)構(gòu)型式。初步估計(jì)，在污水處理行業(yè)中，此種類型水池有數(shù)百座之多，其他行業(yè)圓形水池、貯倉、油罐等采用預(yù)應(yīng)力繞絲結(jié)構(gòu)的也很多。應(yīng)該說，經(jīng)多年使用后均存在著不同程度的隱患，如何加固此種類型的水池，應(yīng)該是目前急需解決的課題。

1　碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

　　此種結(jié)構(gòu)的水池加固可采取多種方案，如在水池外做鋼筋混凝土柱及幾道環(huán)梁，又如在水池外做鋼筋混凝土張拉柱，然后重新配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋等，另外還有一些其他方案，但施工都比較困難，有的還要破壞原有的噴漿和預(yù)應(yīng)力繞絲，給施工帶來一定程度的危險(xiǎn)性，而且加固后的水池也不美觀，尤其是在水池仍可正常運(yùn)行而只是存在破壞的隱患時(shí)采取以上加固方案，對原結(jié)構(gòu)有一定的損傷，就顯得不盡合理。
　　結(jié)構(gòu)體外碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用給水池加固開拓了新的領(lǐng)域。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)對加固構(gòu)筑物有著卓越的效果，它可以最大限度地保留原來建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且不增加構(gòu)筑物的重量，不改變原建筑結(jié)構(gòu)的外型。碳纖維具有極優(yōu)越的品質(zhì)，是一種廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高科技材料。碳纖維絲的直徑為5～8 μm，具有良好的柔性，其彈性模量大，密度小，抗疲勞強(qiáng)度高，耐久性能好，耐磨損，抗腐蝕，抗拉強(qiáng)度是一般鋼材的7～10倍，用環(huán)氧樹脂將它與結(jié)構(gòu)物粘貼后形成一體，能可靠地與鋼筋混凝土共同工作。以碳纖維為組分、以樹脂為基體的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料CFRP片，是將碳纖維束按設(shè)定的方向排列在一個(gè)平面內(nèi)，用少量粘結(jié)劑將纖維絲粘貼成片狀，碳纖維具有上述優(yōu)越的力學(xué)性能，而樹脂具有良好的防水性能，可對混凝土的劣化及鋼筋的腐蝕起到抑制作用，且耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境腐蝕。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，碳纖維及樹脂在化學(xué)上是相當(dāng)穩(wěn)定的物質(zhì)，具有理想的抗紫外線侵蝕能力，耐久性好，兩種物質(zhì)結(jié)為一體的CFRP片粘著于混凝土物體表面，對結(jié)構(gòu)起到加固作用。CFRP片的突出特點(diǎn)是與混凝土形成一體而共同承擔(dān)應(yīng)力。
　　碳纖維加固建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性已為國內(nèi)外的工程實(shí)踐所證實(shí)。使用此種技術(shù)修補(bǔ)加固混凝土結(jié)構(gòu)，自20世紀(jì)80年代問世以來，90年代逐步應(yīng)用于橋梁、隧道、煙囪、樓宇等混凝土結(jié)構(gòu)物的補(bǔ)修補(bǔ)強(qiáng)，在加固技術(shù)上有了很大的發(fā)展，特別是1995年日本阪神大地震后，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在震毀建筑物的補(bǔ)強(qiáng)中貢獻(xiàn)卓著，引起國際建筑界的重視，在歐、美、亞等洲得到了迅速推廣。1998年，天津市政工程局與北京特希達(dá)科技有限公司合作，率先在于家?guī)X橋加固工程中應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，得到了滿意的效果。到目前為止，在全國應(yīng)用此技術(shù)已加固橋梁工程20余座，加固包括北京人民大會堂在內(nèi)的工業(yè)與民用建筑數(shù)十項(xiàng)工程，均獲得成功。

2　圓形水池補(bǔ)強(qiáng)的探討

　　CFRP主要用于加固受拉、受剪、拉彎的鋼筋混凝土構(gòu)件。由于CFRP具備優(yōu)異的抗拉性能，在加固的混凝土結(jié)構(gòu)中能起到直接鋼筋或間接鋼筋的作用，因此，特別適用于地上和半地上圓形水池的加固。污水處理廠的地上、半地上圓形水池，在使用階段因池壁環(huán)拉力較大，一般采用預(yù)制拼裝連續(xù)繞絲預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算，若考慮池壁底端鉸接、頂端自由，那么沿池壁高度為0.5～0.7 H處環(huán)拉力應(yīng)最大。該部位配置預(yù)應(yīng)力鋼筋較密，其外噴保護(hù)鋼絲的砂漿施工質(zhì)量也不容易保證，鋼絲產(chǎn)生銹蝕的可能性較大，因此加固水池池壁的中部應(yīng)是關(guān)鍵。在污水處理廠中，圓形初沉池及二沉池一般為半地上水池，根據(jù)工藝要求多數(shù)二沉池埋地較深，在使用階段，池外土能抵抗一部分由池內(nèi)滿水時(shí)對池壁產(chǎn)生的環(huán)拉力，因此比較安全。但初沉池則不同了，一般池壁外露較多，需要加固的可能性較大。加固時(shí)，可在池壁中部粘貼CFRP箍，即可達(dá)到加固的目的，當(dāng)然，應(yīng)根據(jù)計(jì)算決定配置CFRP箍的寬度、層數(shù)和間距。一般情況下，水池曾有過長期滲漏的部位或觀察池外壁噴漿有開裂起鼓現(xiàn)象，已存在破壞的隱患，就應(yīng)引起重視。此時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋并未失效，在水池環(huán)拉力較大的部位及因滲漏鋼絲可能銹蝕的部位進(jìn)行加固，可使CFRP和原繞絲預(yù)應(yīng)力鋼筋共同工作，達(dá)到加固目的。
　　加固的施工程序比較簡單，首先根據(jù)水池的使用情況分析確定加固部位及箍的寬度，認(rèn)真檢查加固部位的原有噴漿表面有無疏松、起鼓、開裂、松脫、露筋等現(xiàn)象，如有應(yīng)做必要的清除、防銹及灌縫處理；然后用高壓水沖洗干凈，用高標(biāo)號水泥砂漿抹箍，使之基面平滑，并確保無原有噴漿的尖刺，待水泥砂漿達(dá)到強(qiáng)度后涂底層界面劑，使底層樹脂滲入到水泥砂漿中，增加粘貼的結(jié)合力；然后檢查表面，如有小孔，應(yīng)用環(huán)氧膩?zhàn)有扪a(bǔ)平整，如表面存在凹凸糙紋，應(yīng)用砂紙打磨平整，去掉灰塵，隨之刷涂環(huán)氧樹脂，將碳纖維片粘貼于表面，再涂刷一層粘結(jié)樹脂，根據(jù)溫度條件在自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)一至兩周即加固完畢。修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)完成后，碳纖維片表面可根據(jù)環(huán)境需要涂刷各種性能和不同顏色的涂裝，以增加補(bǔ)強(qiáng)的效果，使水池更加美觀，而且水池后期維修費(fèi)用會大大降低。
　　碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的新技術(shù)是對傳統(tǒng)加固方法的有力補(bǔ)充，又遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)方法，已形成一種混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的新趨勢。與傳統(tǒng)方法相比較，利用碳纖維加固預(yù)制拼裝連續(xù)繞絲預(yù)應(yīng)力圓形水池的方法，從施工速度、施工難度、用工量、耐久性及池體美觀等綜合因素上考慮，應(yīng)是經(jīng)濟(jì)、合理、可行的方案。利用碳纖維對預(yù)制拼裝連續(xù)繞絲預(yù)應(yīng)力圓形水池的加固目前尚沒有工程實(shí)例，但相信將會大有作為。
　　碳纖維片的主要缺點(diǎn)是進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴，而國內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)量性能還存在著一定的問題，例如材料的勻質(zhì)性較差導(dǎo)致受力不均，碳纖維片預(yù)浸樹脂含量過高，碳纖維斷絲率過高，樹脂質(zhì)量也欠佳，這些都影響補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量。目前，國內(nèi)正在不斷改進(jìn)產(chǎn)品的性能，相信為時(shí)不久定能做出合格產(chǎn)品。

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　　收稿日期：2001-03-21