高家增¹，潘明媚²，張正坤³，張志波⁴，徐國清⁴

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

　　摘　要：探討了將碳纖維加固補強混凝土結構的新技術用以加固預制拼裝繞絲預應力圓形水池的方法。采用該技術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，都優于傳統加固方法。
　　關鍵詞：碳纖維；加固技術；圓形水池
　　中圖分類號：TU991.05
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)07-0068-02

　　預制拼裝連續繞絲預應力圓形水池，具有節約投資、節省建筑材料、施工進度快及水池抗裂、抗滲性能好等優點，但其致命的缺點是耐久性能較差，尤其是當水池環拉力較大，繞絲預應力鋼筋配置較密時，外噴保護鋼絲的砂漿施工質量不易保證，鋼絲內側有噴不到的死角，砂漿層易起鼓開裂，多年使用后鋼絲容易銹蝕，導致水池破壞。目前國內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重后果，天津大港區某水廠幾座直徑為48 m的清水池使用多年，鋼絲銹蝕嚴重，導致停止運行，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制拼裝連續繞絲預應力結構，如全國著名的大型污水處理廠——天津紀莊子污水處理廠、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構型式。初步估計，在污水處理行業中，此種類型水池有數百座之多，其他行業圓形水池、貯倉、油罐等采用預應力繞絲結構的也很多。應該說，經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，應該是目前急需解決的課題。

1　碳纖維補強技術

　　此種結構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預應力鋼筋等，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應力繞絲，給施工帶來一定程度的危險性，而且加固后的水池也不美觀，尤其是在水池仍可正常運行而只是存在破壞的隱患時采取以上加固方案，對原結構有一定的損傷，就顯得不盡合理。
　　結構體外碳纖維補強技術的出現與應用給水池加固開拓了新的領域。碳纖維補強對加固構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構特點，且不增加構筑物的重量，不改變原建筑結構的外型。碳纖維具有極優越的品質，是一種廣泛應用于航空航天領域的高科技材料。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，抗疲勞強度高，耐久性能好，耐磨損，抗腐蝕，抗拉強度是一般鋼材的7～10倍，用環氧樹脂將它與結構物粘貼后形成一體，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樹脂基復合材料CFRP片，是將碳纖維束按設定的方向排列在一個平面內，用少量粘結劑將纖維絲粘貼成片狀，碳纖維具有上述優越的力學性能，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、鹽及大氣環境腐蝕。實驗證實，碳纖維及樹脂在化學上是相當穩定的物質，具有理想的抗紫外線侵蝕能力，耐久性好，兩種物質結為一體的CFRP片粘著于混凝土物體表面，對結構起到加固作用。CFRP片的突出特點是與混凝土形成一體而共同承擔應力。
　　碳纖維加固建筑結構的優越性已為國內外的工程實踐所證實。使用此種技術修補加固混凝土結構，自20世紀80年代問世以來，90年代逐步應用于橋梁、隧道、煙囪、樓宇等混凝土結構物的補修補強，在加固技術上有了很大的發展，特別是1995年日本阪神大地震后，碳纖維補強技術在震毀建筑物的補強中貢獻卓著，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科技有限公司合作，率先在于家嶺橋加固工程中應用該項技術，得到了滿意的效果。到目前為止，在全國應用此技術已加固橋梁工程20余座，加固包括北京人民大會堂在內的工業與民用建筑數十項工程，均獲得成功。

2　圓形水池補強的探討

　　CFRP主要用于加固受拉、受剪、拉彎的鋼筋混凝土構件。由于CFRP具備優異的抗拉性能，在加固的混凝土結構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拉力較大，一般采用預制拼裝連續繞絲預應力結構。根據計算，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處環拉力應最大。該部位配置預應力鋼筋較密，其外噴保護鋼絲的砂漿施工質量也不容易保證，鋼絲產生銹蝕的可能性較大，因此加固水池池壁的中部應是關鍵。在污水處理廠中，圓形初沉池及二沉池一般為半地上水池，根據工藝要求多數二沉池埋地較深，在使用階段，池外土能抵抗一部分由池內滿水時對池壁產生的環拉力，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，可在池壁中部粘貼CFRP箍，即可達到加固的目的，當然，應根據計算決定配置CFRP箍的寬度、層數和間距。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象，已存在破壞的隱患，就應引起重視。此時，預應力鋼筋并未失效，在水池環拉力較大的部位及因滲漏鋼絲可能銹蝕的部位進行加固，可使CFRP和原繞絲預應力鋼筋共同工作，達到加固目的。
　　加固的施工程序比較簡單，首先根據水池的使用情況分析確定加固部位及箍的寬度，認真檢查加固部位的原有噴漿表面有無疏松、起鼓、開裂、松脫、露筋等現象，如有應做必要的清除、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，待水泥砂漿達到強度后涂底層界面劑，使底層樹脂滲入到水泥砂漿中，增加粘貼的結合力；然后檢查表面，如有小孔，應用環氧膩子修補平整，如表面存在凹凸糙紋，應用砂紙打磨平整，去掉灰塵，隨之刷涂環氧樹脂，將碳纖維片粘貼于表面，再涂刷一層粘結樹脂，根據溫度條件在自然環境下養護一至兩周即加固完畢。修復補強作業完成后，碳纖維片表面可根據環境需要涂刷各種性能和不同顏色的涂裝，以增加補強的效果，使水池更加美觀，而且水池后期維修費用會大大降低。
　　碳纖維加固補強混凝土結構的新技術是對傳統加固方法的有力補充，又遠勝于傳統方法，已形成一種混凝土結構補強的新趨勢。與傳統方法相比較，利用碳纖維加固預制拼裝連續繞絲預應力圓形水池的方法，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，應是經濟、合理、可行的方案。利用碳纖維對預制拼裝連續繞絲預應力圓形水池的加固目前尚沒有工程實例，但相信將會大有作為。
　　碳纖維片的主要缺點是進口產品價格比較昂貴，而國內產品的質量性能還存在著一定的問題，例如材料的勻質性較差導致受力不均，碳纖維片預浸樹脂含量過高，碳纖維斷絲率過高，樹脂質量也欠佳，這些都影響補強質量。目前，國內正在不斷改進產品的性能，相信為時不久定能做出合格產品。

---

　　電　話：(022)27811408
　　收稿日期：2001-03-21