自制全断面刷毛机变截面隧洞粘贴碳纤维施工技术应用研究

王旭君 姜 晶 黄珊珊

(湖北水总水利水电建设股份有限公司,湖北 武汉 430000)

在水工隧洞施工中,主坝旧输水隧洞,往往成为下闸蓄水验收的关键工序,它承担着主坝新输水系统加固工程的施工导流任务,对后续施工进度影响较大。但由于主坝旧输水系统往往平面轴线曲折,隧洞平面拐点多,纵坡变化多、不平顺,隧洞钢筋混凝土衬砌表面存在较多蜂窝麻面,局部骨料外露,且存在部分渗漏情况。在这种情况下,需要进行隧洞补强加固,以提高隧洞的抗渗性能和耐久性。

目前,隧洞内表面维修补强主要是蜂窝麻面及漏水部位封堵找平、全断面粘贴碳纤维布补强加固,在蜂窝麻面及漏水部位处理完成后,才能进行基面刷毛处理。而基面刷毛均采用人工刷毛,刷毛质量差,必须不断安拆移动施工平台,成本高、施工安全性差,施工环境得不到保障。因此,通过试验自制了全断面刷毛机,而且运用成功。

1 工艺原理

1.1 自制全断面刷毛机工艺原理

刷毛机由小型履带式牵引设备、动力设备、旋转机构(包括传动轴)、高压水泵等组成。图1为自制全断面刷毛机示意图,图2为自制全断面刷毛机三维图。

图1 自制全断面刷毛机示意图

图2 自制全断面刷毛机三维图

旋转机构主要由空心传动轴(用于喷水冲洗刷毛部位)、可伸缩的辐条(见图3)、辐条末端弧形钢丝刷组成。

图3 可伸缩辐条示意图

牵引设备主要通过激光引导确保其行走方向,通过现场试验旋转刷毛施工质量效率来确定牵引设备的行走速度。动力设备采用3kW的电动机,其带动旋转机构和牵引设备行走。

高压水泵采用2.2kW污水泵,通过传动轴和空心辐条喷射嘴边旋转边喷水,对刷毛部位进行冲洗。

旋转机构的8根空心辐条布置在传动轴上,每根辐条末端安装10mm长的弧形钢丝刷,弧度满足隧洞断面弧度要求,在刷毛过程中,启动电机进行旋转,辐条旋转进行刷毛,旋转速度1200r/min,同时高压水泵通过传动轴和空心辐条喷射嘴边旋转边喷水,对刷毛部位进行冲洗。图4为钢丝刷示意图。

图4 钢丝刷示意图

1.2 碳纤维材料的工艺原理

加固修复混凝土结构所用材料主要为两种:碳纤维布与胶黏剂。两种材料的作用是提高碳纤维布的黏结质量,胶黏剂使碳纤维布与混凝土形成一个复合性整体,在确保碳纤维布与混凝土之间力的传递的同时,又不会产生黏结材料的脆性破坏,以提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力,达到对结构构件进行加固、补强的目的[1]。

2 创新点及关键技术

自制全断面刷毛机变截面隧洞粘贴碳纤维布施工工艺的创新点及关键技术如下:

a.自制全断面刷毛机辐条可伸缩,刷毛精度可以控制在10mm以内,保证了碳纤维布粘贴的紧密性与牢固性,以保证与原结构形成整体,共同工作,且保证了隧洞洞径,满足隧洞输水能力要求。

b.自制全断面刷毛机刷毛施工快捷、高效,比人工刷毛成本降低较多,改善了隧洞施工环境。

c.减少了隧洞人工刷毛必需的施工平台,保证了施工安全。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图5。

图5 施工工艺流程

3.2 操作要点

3.2.1 施工前准备

a.隧洞内清理。首先做好洞内通风排毒工作,确保工人人身安全,然后完成水、电、通信准备工作。

b.洞内保持畅通,以便刷毛设备通行。

c.在进行混凝土表面处理前,按加固设计部位放线定位,对隧洞各段结构外面复核,确认纤维复合材料补强的范围,根据现场尺寸调整,然后按设计图纸中相应加固内容实施。

3.2.2 基底处理

a.隧洞外观质量排查。检查混凝土表面凹凸或破损状况及龟裂状况,隧洞附着面情况,有无水、打磨粉尘、外来物污染等。图6为隧洞外观排查典型图,图7为圆弧角处理示意图。

图6 隧洞外观排查典型图

图7 圆弧角处理示意图1—矩形截面;2—倒角半径;3—矢高

b.原混凝土附着面外观良好,新衬砌面或修补砂浆处理后,除去并研磨至粗骨料出露为止。

3.2.3 洞内衬砌自制刷毛机刷毛

自制刷毛机安装调试完毕后,根据隧洞截面调节刷毛机旋转辐条外径,旋转速度值设置为最小值(可用液压系统自动调整,如未设液压系统,可人工进行调整),使刷片紧贴洞壁后锁定。

启动刷毛机行走设备,行走速度控制在5m/min以内。

启动动力设备,驱动旋转机构,旋转速度控制在1000～1200r/min,辐条转动边行走边刷毛。

同时启动水泵,对刷毛面进行冲洗,水压不大于0.5kgf/cm2,避免因水压太大对已刷毛的混凝土面造成破坏。

检查刷毛面的深度,按设计要求不大于10mm,小于10mm的部位需要调整辐条外径重新刷毛,大于10mm的部位在粘贴碳纤维布前需进行处理。

3.2.4 碳纤维布加固施工

3.2.4.1 隧洞水汽处理

由于环境温度、湿度和混凝土表面的干燥程度影响底层胶黏剂的黏结性能,因此施工环境温度最好控制在不低于5℃、湿度应不高于85%、混凝土表面含水量小于10%的干燥状况[2]。

3.2.4.2 底层胶黏剂涂刷

将底层胶黏剂和硬化剂依规定配比,置于搅拌槽中以低速电动搅拌器充分且均匀搅拌,一次搅拌量为在可使用时间的施工量,结合现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。用滚筒刷或毛刷将配好的底层胶黏剂均匀涂抹于混凝土构件表面,厚度不超过0.4mm,不得漏刷或有流淌、气泡。

3.2.4.3 找平胶黏剂涂刷

根据找平胶黏剂供应商提供的工艺规定进行配制,然后将混凝土表面凹陷部位填补平整,尤其是模板接头部位等有高差部位,尽量填补平整且不应有棱角,转角处修复为光滑的圆弧形状。

3.2.4.4 碳纤维布粘贴

a.确认底层胶黏剂干燥。

b.碳纤维布预先用剪刀或刀片依所设计尺寸裁切,裁剪好的碳纤维布卷在小圆棍或圆筒上,并编号以供使用。

c.按产品供应商提供的工艺规定配制粘贴用胶黏剂,配比称重后置于搅拌槽中以低速电动搅拌器充分均匀搅拌,根据需粘贴的碳纤维布面积确定所需粘贴用胶黏剂的数量,施工面用滚筒毛刷将浸渍树脂均匀涂抹于所要粘贴的部位。

d.两人拉紧碳纤维布,一人用刮板将碳纤维布平顺地贴合在含浸渍树脂的涂布面,并用刮刀沿着纤维方向用力刮平,从一侧边刮边贴,以保证不留气泡,粘贴紧密。

e.用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压,挤除气泡,使胶黏剂充分浸透碳纤维布。

f.碳纤维布贴覆30min后在其外表面均匀涂抹一遍胶黏剂。

g.碳纤维布由出水口往上游方向沿隧洞环向粘贴,单环的封闭接头留在该环最高点部位,单环封闭接头及各环之间相互搭接长度均不小于150mm。

h.施工中若发生结露现象,需擦干和保持干燥后才可施工,同时在贴覆后要考虑施工环境对贴覆的影响。

4 经济效益分析

对广西南宁市凤亭河水库工程进行分析,原输水隧洞洞径为2.7～2.9m,隧洞衬砌为厚0.9m的钢筋混凝土结构。隧洞洞身结构相对完整,渗水情况较少,但由于施工质量稍差,隧洞洞身过水面有较多蜂窝麻面,且隧洞长时间不放水,许多河蚌吸附在洞壁上,侵蚀了洞壁表层混凝土,从而提高了隧洞的糙率,对隧洞过流能力造成了一定影响,需进行补强加固。将自制全断面刷毛机刷毛和人工搭设操作平台刷毛两种方案进行对比,自制全断面刷毛机完成刷毛工作费用为33200元,人工刷毛费用为61500元,可见自制全断面刷毛机刷毛经济效益明显,节约工期,减少成本。经济效益对比分析见表1。

表1 经济效益对比分析

5 结 语

用自制全断面刷毛机进行变截面隧洞衬砌刷毛,将碳纤维布与衬砌面紧密粘贴,使两者共同工作,有效提高构件的极限承载力和改善构件的变形性能,碳纤维布通过强渗透性和足够黏结强度的树脂贴于需要补强的混凝土表面,可以在不增加混凝土构件自重及尺寸的情况下大幅度提高原构件的承载力及耐久性,恢复原构件的功能。其施工简便,性能可靠,不仅缩短了工期,降低了施工成本,也达到了较好的加固效果,后期的维护、修理更加方便快捷。在大型水库旧输水隧洞除险加固中,该技术对结构型式的适应性强、施工灵活、工期短、占用空间小,优势明显,具有良好的应用前景。