聚脲与碳纤维布复合层混凝土补强技术

2022-11-09

乌江构皮滩水电站是一座高水头电站, 其水垫塘泄流流速可以达到40m/s~50m/s。受岩体内水压力作用, 水垫塘边墙混凝土遭到破坏, 边墙内部混凝土破碎形成纵向空腔体。在对空腔体进行水泥灌浆填充之后, 为恢复原结构的性能, 拟订采用粘贴碳纤维布及涂刷单组分聚脲弹性体材料进行混凝土结构体补强。

碳纤维布通过特定的树脂类胶结材料粘贴在混凝土表面形成碳纤维复合材料, 利用其高强度和高弹模对原有结构进行补强加固, 恢复原结构的性能, 增加耐久性和提高其承载能力, 并可改善结构的受力状态。碳纤维布以其材料质轻高强、抗疲劳、抗老化、成本低、易施工等优点, 现已广泛用于各工程领域。使用碳纤维布修复、加固水垫塘混凝土结构体, 必须解决粘结强度、抗冲磨及抗渗等问题。

单组分聚脲弹性体材料是一种优质高效的防水、防腐材料, 同时具有较高的抗冲磨能力。国内实验证实, 在40m/s含砂水流冲刷作用下, 聚脲弹性体的抗冲磨能力大大超过C60硅粉混凝土, 磨损的体积只有C60硅粉混凝土的6.5%。将单组分聚脲弹性体材料涂刷到碳纤维复合材料之上, 由聚脲弹性体来抗冲磨、防渗, 由碳纤维复合材料来增强混凝土结构体性能, 两者共同作用使水垫塘受破坏的混凝土面板满足高速水流冲刷区域抗冲磨、防渗要求。

1 碳纤维布及单组分聚脲弹性体性能指标

本工程所用碳纤维布及单组分聚脲弹性体性能指标见表1、表2。

2 正拉粘结强度检测实验

为验证碳纤维布、单组分聚脲弹性体与混凝土表面粘结强度满足要求, 在正式施工之前先进行了两种材料的正拉粘结强度检测实验。

2.1 碳纤维布、单组分聚脲弹性体与混凝土表面粘结强度检测实验

实验采用TJ-10碳纤维粘结强度检测仪, 试验全过程均在外界自然环境中进行。为方便实验, 选择一块底板做为实验场地, 底板混凝土标号C25, 龄期15d。2种材料的粘贴龄期均为6d, 每种材料进行3组实验, 试验结果见表3。

通过表3可以看出, 碳纤维布与混凝土间的粘结性能非常理想, 正拉粘结强度在2MPa以上, 3组实验界面破坏全部都是混凝土破坏;聚脲弹性体正拉粘结强度在2MPa以上, 3组实验界面破坏主要是聚脲从混凝土表面剥离, 局部混凝土遭破坏。两种材料的粘结强度均大于被加固混凝土的轴心抗拉强度标准值 (1.7 8 M P a) 。

2.2 聚脲弹性体与碳纤维复合材料之间的粘结强度检测实验

采用相同的实验工艺对粘结龄期6d的试块进行正拉强度检测, 检测结果见表4。

从表4可以看出, 两种材料之间的粘结强度远大于被加固混凝土的轴心抗拉强度标准值 (1.78MPa) , 比聚脲弹性体与混凝土面之间的粘结强度也要高出很多。

实验证实:所采用的界面剂及粘结剂性能良好, 粘结强度均大于被加固混凝土的轴心抗拉强度标准值, 满足高速水流冲刷区域对材料粘结强度的要求。由于实验位置混凝土底板进行过抹面找平, 表层砂浆强度不高, 另外混凝土龄期未满28d, 正拉粘结强度检测值应比实际值偏小。

3 粘贴碳纤维布施工工艺流程

碳纤维布垂直于裂缝方向进行粘贴, 粘贴层数需要根据计算确定。构皮滩水电站水垫塘边墙混凝土破坏部位前期曾做过补强灌浆处理, 此次只是对表层进行补强施工, 因此仅需要粘贴一层碳纤维布。

3.1 混凝土基底处理

粘贴前需要对混凝土表面进行打磨, 将表面的浮浆及杂物清理干净;对混凝土表面凹陷部位采用环氧胶泥抹平, 环氧胶泥凝固后将表面凹凸糙纹用砂纸打磨平整;裂缝渗水部位采用堵漏材料进行封闭, 整个混凝土表面要求处于干燥状态。

3.2 碳纤维布粘贴

先在混凝土表面均匀涂刷一层粘结树脂 (下涂) , 涂刷标准为500g/m2~600g/m2。涂刷完成后自然放置5h, 具体时间以用手触摸树脂有较强黏结度为准, 在此过程中要保证树脂不被外界来水浸渍。碳纤维布裁减长度依据现场情况确定, 过长不利于粘贴施工。粘贴时先用塑料刮板将碳纤维布平摊在混凝土表面, 将裹入的空气排出, 再使用塑料滚轮沿纤维方向滚压多次, 使树脂渗浸入碳纤维之中。碳纤维片施工30分钟后用毛刷再均匀涂抹一层树脂 (上涂) , 涂刷标准为200g/m2~300g/m2。

3.3 养护

粘贴碳纤维片后自然养护24小时达到初期固化, 应保证固化期间不受干扰。碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护时间如下。

平均气温在10℃以下时需要2周, 平均气温在10℃以上时需要1周, 在此期间应防止碳纤维片受到硬性冲击。

3.4 质量检查标准

碳纤维片的粘贴基面必须干燥清洁, 光滑平顺无明显错差;碳纤维片粘贴密实, 目测检查不许有剥落、松弛、翘起、褶皱等缺陷以及超过允许范围的空鼓;树脂固化良好。

4 涂刷单组分聚脲材料施工工艺

单组分聚脲涂刷是在碳纤维片初期固化后进行, 未粘贴碳纤维片的部位直接进行单组分聚脲涂刷, 结构缝不进行涂刷, 整个施工过程同样要求在干燥状态下进行。

4.1 基底处理

基底处理包含混凝土基底处理及底材处理。混凝土基底处理需要采用角磨机、高压水枪清除混凝土表面灰尘、浮渣, 再采用堵漏材料进行裂缝渗水部位的封闭。底材处理只需要将碳纤维片表面用水清洗干净即可。基底处理合格之后待水分完全挥发即可均匀涂刷一层底漆。

4.2 涂刷单组分聚脲材料

涂刷聚脲宜在底漆施工后12h~24h内进行, 若间隔时间超过36h则需要重新进行底漆施工。聚脲弹性防冲磨层涂刷遍数需要根据防冲磨层厚度确定, 一般一个涂层的厚度约为1mm~1.5mm。本工程聚脲弹性防冲磨层设计厚度为5mm, 故需要涂刷4层, 每层间隔时间约为5h。

4.3 封边处理

为保证聚脲涂层与周边混凝土搭接牢固可靠, 同时避免高速水流冲刷下涂层开口掀起, 将涂层收边处混凝土打磨成倒三角形并涂刷聚脲, 做到涂层与周边混凝土平滑过度。

5 结语

高速水流冲刷区域混凝土补强技术多种多样, 构皮滩电站水垫塘的混凝土大胆启用了聚脲与碳纤维布复合层补强技术, 这在高水头电站是不多见的。聚脲与碳纤维布复合层补强技术, 关键在于界面粘结剂的选用, 其性能好坏直接影响混凝土的补强效果, 在这一方面需要加强研究。

摘要：乌江构皮滩水电站是一座高水头电站, 其水垫塘泄流流速可以达到40m/s～50m/s。本文主要论述采用碳纤维布以及单组分聚脲弹性体材料, 对受损的水垫塘边墙混凝土面板进行补强施工。通过实际工程的运用, 证明两种材料的结合使用能够满足高速水流冲刷区域抗冲磨、防渗要求, 拓展了两种材料在水利工程中的运用范围。

关键词：构皮滩电站,水垫塘,混凝土,补强,碳纤维,单组分聚脲材料