利用碳纤维加固预应力圆形水池的探讨

高家增¹，潘明媚²，张正坤³，张志波⁴，徐国清⁴

(1.天津市政工程设计研究院，天津300051；2.顺德市桂镇自来水公司，广东顺德528303；
3.河北省建设集团有限公司，河北保定071000；4.廊坊市市政设施管理处，河北廊坊065000)

　　摘　要：探讨了将碳纤维加固补强混凝土结构的新技术用以加固预制拼装绕丝预应力圆形水池的方法。采用该技术无论从施工速度和难度、用工量、耐久性及池体美观等方面考虑，都优于传统加固方法。
　　关键词：碳纤维；加固技术；圆形水池
　　中图分类号：TU991.05
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)07-0068-02

　　预制拼装连续绕丝预应力圆形水池，具有节约投资、节省建筑材料、施工进度快及水池抗裂、抗渗性能好等优点，但其致命的缺点是耐久性能较差，尤其是当水池环拉力较大，绕丝预应力钢筋配置较密时，外喷保护钢丝的砂浆施工质量不易保证，钢丝内侧有喷不到的死角，砂浆层易起鼓开裂，多年使用后钢丝容易锈蚀，导致水池破坏。目前国内此种类型的水池已有破坏的先例，像山西省某水厂建在半山腰处的一清水池崩塌造成严重后果，天津大港区某水厂几座直径为48 m的清水池使用多年，钢丝锈蚀严重，导致停止运行，不得不检修。
　　改革开放以来，我国兴建了大批污水处理厂，其圆形沉淀池大部分采用预制拼装连续绕丝预应力结构，如全国著名的大型污水处理厂——天津纪庄子污水处理厂、杭州四堡污水处理厂、天津东郊污水处理厂、北京高碑店污水处理厂、沈阳北部污水处理厂等圆形水池均采用此种结构型式。初步估计，在污水处理行业中，此种类型水池有数百座之多，其他行业圆形水池、贮仓、油罐等采用预应力绕丝结构的也很多。应该说，经多年使用后均存在着不同程度的隐患，如何加固此种类型的水池，应该是目前急需解决的课题。

1　碳纤维补强技术

　　此种结构的水池加固可采取多种方案，如在水池外做钢筋混凝土柱及几道环梁，又如在水池外做钢筋混凝土张拉柱，然后重新配置无粘结预应力钢筋等，另外还有一些其他方案，但施工都比较困难，有的还要破坏原有的喷浆和预应力绕丝，给施工带来一定程度的危险性，而且加固后的水池也不美观，尤其是在水池仍可正常运行而只是存在破坏的隐患时采取以上加固方案，对原结构有一定的损伤，就显得不尽合理。
　　结构体外碳纤维补强技术的出现与应用给水池加固开拓了新的领域。碳纤维补强对加固构筑物有着卓越的效果，它可以最大限度地保留原来建筑的结构特点，且不增加构筑物的重量，不改变原建筑结构的外型。碳纤维具有极优越的品质，是一种广泛应用于航空航天领域的高科技材料。碳纤维丝的直径为5～8 μm，具有良好的柔性，其弹性模量大，密度小，抗疲劳强度高，耐久性能好，耐磨损，抗腐蚀，抗拉强度是一般钢材的7～10倍，用环氧树脂将它与结构物粘贴后形成一体，能可靠地与钢筋混凝土共同工作。以碳纤维为组分、以树脂为基体的碳纤维增强树脂基复合材料CFRP片，是将碳纤维束按设定的方向排列在一个平面内，用少量粘结剂将纤维丝粘贴成片状，碳纤维具有上述优越的力学性能，而树脂具有良好的防水性能，可对混凝土的劣化及钢筋的腐蚀起到抑制作用，且耐酸、碱、盐及大气环境腐蚀。实验证实，碳纤维及树脂在化学上是相当稳定的物质，具有理想的抗紫外线侵蚀能力，耐久性好，两种物质结为一体的CFRP片粘着于混凝土物体表面，对结构起到加固作用。CFRP片的突出特点是与混凝土形成一体而共同承担应力。
　　碳纤维加固建筑结构的优越性已为国内外的工程实践所证实。使用此种技术修补加固混凝土结构，自20世纪80年代问世以来，90年代逐步应用于桥梁、隧道、烟囱、楼宇等混凝土结构物的补修补强，在加固技术上有了很大的发展，特别是1995年日本阪神大地震后，碳纤维补强技术在震毁建筑物的补强中贡献卓著，引起国际建筑界的重视，在欧、美、亚等洲得到了迅速推广。1998年，天津市政工程局与北京特希达科技有限公司合作，率先在于家岭桥加固工程中应用该项技术，得到了满意的效果。到目前为止，在全国应用此技术已加固桥梁工程20余座，加固包括北京人民大会堂在内的工业与民用建筑数十项工程，均获得成功。

2　圆形水池补强的探讨

　　CFRP主要用于加固受拉、受剪、拉弯的钢筋混凝土构件。由于CFRP具备优异的抗拉性能，在加固的混凝土结构中能起到直接钢筋或间接钢筋的作用，因此，特别适用于地上和半地上圆形水池的加固。污水处理厂的地上、半地上圆形水池，在使用阶段因池壁环拉力较大，一般采用预制拼装连续绕丝预应力结构。根据计算，若考虑池壁底端铰接、顶端自由，那么沿池壁高度为0.5～0.7 H处环拉力应最大。该部位配置预应力钢筋较密，其外喷保护钢丝的砂浆施工质量也不容易保证，钢丝产生锈蚀的可能性较大，因此加固水池池壁的中部应是关键。在污水处理厂中，圆形初沉池及二沉池一般为半地上水池，根据工艺要求多数二沉池埋地较深，在使用阶段，池外土能抵抗一部分由池内满水时对池壁产生的环拉力，因此比较安全。但初沉池则不同了，一般池壁外露较多，需要加固的可能性较大。加固时，可在池壁中部粘贴CFRP箍，即可达到加固的目的，当然，应根据计算决定配置CFRP箍的宽度、层数和间距。一般情况下，水池曾有过长期渗漏的部位或观察池外壁喷浆有开裂起鼓现象，已存在破坏的隐患，就应引起重视。此时，预应力钢筋并未失效，在水池环拉力较大的部位及因渗漏钢丝可能锈蚀的部位进行加固，可使CFRP和原绕丝预应力钢筋共同工作，达到加固目的。
　　加固的施工程序比较简单，首先根据水池的使用情况分析确定加固部位及箍的宽度，认真检查加固部位的原有喷浆表面有无疏松、起鼓、开裂、松脱、露筋等现象，如有应做必要的清除、防锈及灌缝处理；然后用高压水冲洗干净，用高标号水泥砂浆抹箍，使之基面平滑，并确保无原有喷浆的尖刺，待水泥砂浆达到强度后涂底层界面剂，使底层树脂渗入到水泥砂浆中，增加粘贴的结合力；然后检查表面，如有小孔，应用环氧腻子修补平整，如表面存在凹凸糙纹，应用砂纸打磨平整，去掉灰尘，随之刷涂环氧树脂，将碳纤维片粘贴于表面，再涂刷一层粘结树脂，根据温度条件在自然环境下养护一至两周即加固完毕。修复补强作业完成后，碳纤维片表面可根据环境需要涂刷各种性能和不同颜色的涂装，以增加补强的效果，使水池更加美观，而且水池后期维修费用会大大降低。
　　碳纤维加固补强混凝土结构的新技术是对传统加固方法的有力补充，又远胜于传统方法，已形成一种混凝土结构补强的新趋势。与传统方法相比较，利用碳纤维加固预制拼装连续绕丝预应力圆形水池的方法，从施工速度、施工难度、用工量、耐久性及池体美观等综合因素上考虑，应是经济、合理、可行的方案。利用碳纤维对预制拼装连续绕丝预应力圆形水池的加固目前尚没有工程实例，但相信将会大有作为。
　　碳纤维片的主要缺点是进口产品价格比较昂贵，而国内产品的质量性能还存在着一定的问题，例如材料的匀质性较差导致受力不均，碳纤维片预浸树脂含量过高，碳纤维断丝率过高，树脂质量也欠佳，这些都影响补强质量。目前，国内正在不断改进产品的性能，相信为时不久定能做出合格产品。

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　　电　话：(022)27811408
　　收稿日期：2001-03-21