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大型砖砌体烟囱的碳纤维加固技术
摘要碳纤维(CFRP)~ 固技术在混凝土结构加固中应用日益广泛，但在工程结构加固实践中经常忽视由于碳纤维具有负的热膨胀系数，与被加固混凝土构件热膨胀系数差异较大，加固后两者在共同工作时所产生的温度效应问题。详细介绍了碳纤维加固修补砖砌烟囱这一特殊工程实例，通过计算分析选择适当的施工温度(温度应力零点)，采用改性粘结剂等措施解决了砌体的正温度效应和碳纤维材料的负温度特性之间的差异引起的砌体开裂问题，
供同类工程参考。
关键词碳纤维；砌体烟囱；结构加固；温度效应
l 碳纤维的材料性能及加固修补结构设计一般原则碳纤维加固修复结构所用材料主要有两种，即碳纤维材料与粘贴用树脂 1 30碳纤维材料要求满足表1给出的几项主要指标；粘贴用树脂为环氧类树脂，其主要指标要求见表2。目前，施工用碳纤维布各项指标见表3。与碳纤维布配套施工用粘接材料分底层树脂，主要作用是增强粘结面强度；找平材料，作用是找平并修补表面缺陷；浸渍树脂，作用是粘贴碳纤维布，并作表面涂覆，其各项指标见表4。
1．2 碳纤维加固修补结构设计一般原则碳纤维加固在中国作为一项新技术，有一定的适用范围和使用条件，其设计一般原则 习为：
(1)结构构件损伤(破坏)或因使用功能改变而使其承载力不满足使用要求时，可采用碳纤维加固技术进行加固，对混凝土结构而言被加固构件的X小截面尺寸、受压区高度、配筋率等应满足规范要求。碳纤维加固后的构件换算配筋率可按下式进行计算：P = ，+A ／f,)／(b•ho)。式中：A，为被加固构件原有受拉钢筋面积；A 为加固碳纤维布的截面面积，Ac=n•b4．t4,，l，6 t4分别为碳纤维布的粘贴层数、每层碳纤维布的宽度和厚度 为碳纤维布的抗拉设计强度；fy为钢筋的抗拉设计强度；b为被加固构件的截面宽度；‰ 为被加固构件的截面X高度。
(2)碳纤维材料设计强度的选取，在具体改造加固工程设计中，考虑到碳纤维材料与被加固构件中受拉钢筋的变形协调，取受拉钢筋极限变形状态时的碳纤维受拉应力作为碳纤维材料的设计强度。
(3)采用碳纤维材料加固时，考虑到碳纤维布与被加固构件表面的剥离破坏及实际加固效果，没有采取必要构造措施时，同一截面受力碳纤维布粘贴层数一般不宜X过3层，碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不应小于200 mm。
(4)由于碳纤维具有负的热膨胀系数，与被加固混凝土构件热膨胀系数差异较大，加固时需考虑温度效应的影响。在混凝土结构、砌体结构加固实践中，上述(1)一(3)条设计原则较易把握，而原则(4)则不易控制，有时易被忽视，为此结合一个典型工程实例加以论述。
2 砖烟囱碳纤维加固实例
2．1 工程概况
重庆市某公司20t／h锅炉60 m大型砖砌烟囱，1985年建成，至今已使用16年。整个烟囱结构分基础部分、10 m高混凝土底座部分和50 m高砖砌筒体部分。基础为X立混凝土基础，外径8．2 m，高3．0m，C13混凝土基础下为高约6 m的毛石混凝土垫层，地基持力层为泥岩；底座部分简体为现浇钢筋混凝土结构，壁厚300 mm；上部砖砌简体外缘收缩量为2．5％，分内衬与外壁二层。外壁为MU10砖、M7．5混合砂浆分段砌筑，每段厚度分别为：10-30 m段490 mm，30-50m段370 mm，50-60 m段240 mm。砌体水平灰缝内加设 6@252环向钢筋，钢筋在每段的变截面各500 mm范围内予以加密，间距两匹砖；内衬为MU7．5砖，1：1：4混合砂浆砌筑，厚度均为120 mm。
2．2 裂缝检查结果及成因分析
该烟囱简身严重开裂，裂缝主要为垂直裂缝，共两条。一条在简身南面，自标高12 m处垂直向上发展：长度约20 m，起始处裂缝宽度约12 mm，X宽处在筒身中部的爬梯休息平台右侧，宽度约16 mm，此裂缝在爬梯休息平台以上约4 m终止；另一条在筒身西北面，裂缝自标高15 m处开始，长度约3 m，X大裂缝宽度约9 mm。两条裂缝均伸人砌体内部，砖均断裂。经调查分析，我院检测中心认为裂缝不是短期内形成的，裂缝仍有可能以一定的速度发展，引起该烟囱裂缝的主要原因为：(1)温度变化的影响。烟囱内部原使用温度为200~C，改造除尘系统后，温度降为80~C左右，烟囱使用温度的改变，尤其是在烟囱由暂停使用到恢复生产的过程中，内外壁温差较大，产生很大的温度应力，而温度应力的增大，极易使简体开裂，形成烟囱筒壁由内至外的竖向裂缝。(2)烟囱内衬损伤造成的破坏影响。该烟囱内衬较薄，厚120 mm，且为普通粘土砖砌筑，耐腐蚀和隔热性能较差，由于施工或使用原因，其局部损伤(从出灰口发现，灰中有砖块杂物出现，表明内衬已破损)。使内衬与外筒间空气隔热层的性能降低，导致烟气与空气隔热层相通，空气隔热层温度升高，增大了烟囱外筒壁的温度差，从而产生较大的温度应力，筒壁内、外侧产生纵向裂缝并不断发展。(3)烟气腐蚀的影响。内衬筒壁的损伤，使烟气直接与外筒壁接触，由于从除尘塔排人烟囱的烟气含硫量高、水蒸气量大，极易对砖及砖内钢筋造成腐蚀，同时降低简壁材料的隔热性能，使形成的裂缝加速发展。
2．3 加固方案
根据冶金部标准《全国钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定规程》(YBJ219—89)，该烟囱筒身裂缝开展宽度X大值已X过规程标准10 mm，截面削弱及裂缝开展，造成承载力下降，必须进行加固处理。烟囱加固常采用钢环套，但此方法抗腐蚀性差，施工时间长，需要大型机械、较多工人和较大的施工空间，同时使体积和负荷增加较多，后期维护费用耗资较大。碳纤维加固技术具有适用范围广、加固效率高、施工速度快、施工干扰小、质量易保证、附加荷载轻、应用时效长、综合造价低等X点，从功效、工效、时效三方面综合效益考虑，我院检测中心采用日产FrS—C1—3O型(具体指标见表3)高性能碳纤维布、改性粘结剂对烟囱砌体部分进行加固处理。烟囱砌体热膨胀系数 =5x10-O2～，抗压强度户1．69MPa，弹性模量E=1600fMPa，抗拉强度A=0．46MPa；FIB—C1—30型高性能碳纤维布热膨胀系数a~=-O．7x10-6~C～，弹性模量E=2．35xl@MPa，抗拉强度 ：3550MPa。由于碳纤维具有负的热膨胀系数，当烟囱砌体受热膨胀时，碳纤维受热收缩，抑制砌体膨胀，从而改善了其受热性能 。在施工温度25E情况下加固的烟囱，若使用温度升至100~C，砌体承受的压应力：E =E( — At=160Ox1．69x5．7x10-6x75，o-=1．15MPa<I．69MPa，碳纤维布所受拉应力 =E ：2．35x1 05x5．7x10 x75，o-=100．5MPa<3550MPa；若停产温度降至0E，砌体承受拉应力 ：E =1600x1．69x5．7x10％<25， =O．385MPa<0．46MPa，未开裂，满足要求。经计算，施工温度25cc，加固后的烟囱可以保证处于温度一5cc～135cc范围不开裂，显著改善了温度变化的影响。
2．4 施工要点
本工程烟囱裂缝长达20 In，实施加固时先对烟囱砌体结构部分的裂缝进行环氧砂浆灌缝封闭处理，然后沿烟囱从顶到底部混凝土底座处(标高8 In处)竖直粘贴250 mm宽的碳纤维布，按环向均匀相隔，共六条纵向碳纤维布，从裂缝的下部、标高12 111处起往上每隔2．0 In(中心间距)粘贴一条250 mm宽的环向碳纤维布，一直粘贴到烟囱顶部。具体布置如图1所示。碳纤维加固结构一般包括以下工序：施工准备一基底处理一涂敷基底树脂一铺贴纤维一修饰。砖砌体粘贴碳纤维布与混凝土基材粘贴碳纤维布有所不同，灰缝内砂浆应掏出并用压缩空气、清理干净，然后用修补环氧砂浆充分注入补平，进行裂缝封闭处理，在计算好需要粘贴碳纤维布的位置，预先刷300mm宽、3 mm厚的M10环氧砂浆一层，待砂浆达到强度后，对其进行找平处理；用滚筒刷均匀涂刷基底树脂；均匀涂抹浸渍胶，涂抹浸渍胶后，在规定时间内，将已剪裁好的碳纤维布迅速粘贴到位，粘贴碳纤维布时，用特制的滚筒沿碳纤维布受力方向多次滚压挤出气泡，以保证碳纤维布与砂浆紧密粘结，搭接长度≥200mm；表面涂浸渍胶，再抛细沙作压面处理。
2．5 效果分析
本工程对裂缝XX行灌浆封闭处理，使开裂砌体恢复整体性，然后进行粘贴碳纤维布等加固处理措施。加固后投入使用至今已一年多，并未发现新裂缝出现，对裂缝控制取得了满意的效果，说明采用碳纤维加固方法切实可行。
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