碳纤维加固砖砌体烟囱应用实践

Construction&DesignForProject碳纤维加固砖砌体烟囱应用实践

ThePracticeofaBrick-madeChimneyReinforcementwithCFRP

吴琛

（国防科学技术大学，长沙

WUChen

（NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073，China）

410073）

【摘要】详细介绍了碳纤维加固修补砖砌烟囱这一特殊工程实例，通过分析选择适当的施工温度，采用改性黏结剂等解决碳纤

维材料与被加固砌体共同工作时产生的温度效应问题，供同类工程参考。

【Abstract】ThearticlegivesadetailedintroductiontothestrengtheningtechnologywithCarbonFiberReinforcedPolymer

(CFRP)usedonabrick-madechimney.InordertosolvethetemperatureeffectbetweentheCFRPandthebricklaying,properconstructiontemperatureischosenbyanalysis,whilemeasureslikeadoptingimprovedmucilageglue.Thisprojectcanbeareferencetothesimilarprojects.

碳纤维；砌体烟囱；加固【关键词】

【Keywords】carbonfiber；brickchimney；reinforcement

【中图分类号】TU279.7+42【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2011）09-0066-03

近年来，工程领域已普遍采用纤维增强复合材料对结构构件进行加固修复和翻新。该加固技术是将碳素纤维应用于土木工程，利用树脂类黏结材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体，通过与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的[1]。该技术适用范围广、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，相对于传统的加固方法有着无与伦比的优势。但由于碳纤维具有负的热膨胀系数，与被加固构件热膨胀系数差异较大，加固时需注意考虑温度效应的影响[2]。

某公司20t/h锅炉大型砖砌烟囱建于1990年，全高60m。整个烟囱结构分基础部分、10m高混凝土底座部分和50m高砖砌筒体部分。基础为混凝土基础，外径8.2m，高3.0m，C15混凝土基础下为高约6m的毛石混凝土垫层，地基持力层为泥岩；底座部分筒体为现浇钢筋混凝土结构，壁厚300mm；上部砖砌筒体外缘收缩量为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：10m～30m段90mm，30m～50m段370mm，50m～60m段240mm，砌体水平灰缝内加设Φ6mm@250mm环向钢筋，钢筋在每段的变截面各500mm范围内加密，间距两皮砖；内衬为MU7.5砖，1∶1∶4混合

1工程概况

砂浆砌筑，厚度均为120mm。

2

女，湖南长沙人，工程师，从事施工管理工作，【作者简介】吴琛(1979~)，（电子信箱）chenchen1106@sina.com。

裂缝检测及成因分析

该烟囱筒身严重开裂，裂缝主要为垂直裂缝，共两条。

一条在筒身南面，自标高12m处垂直向上发展，长度约

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建筑与结构设计

ArchitecturalandStructuralDesign

20m，起始处裂缝宽度约12mm，最宽处在筒身中部的爬梯休息平台右侧，宽度约16mm，此裂缝在爬梯休息平台以上约4m终止；另一条在筒身西北面，裂缝自标高15m处开最大裂缝宽度约9mm。两条裂缝均伸入砌始，长度约3m，体内部，砖均断裂。

经调查分析，裂缝不是短期内形成的，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：

宽的碳纤维布，按环向均匀相隔，共6条纵向碳纤维布。从裂缝的下部、标高12m处起往上每隔2.0m（中心间距）粘贴一条250mm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。

每间隔3.0m设置一条

1）温度变化的影响。烟囱内部原使用温度为200℃，改造除尘系统后，温度降为80℃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，极易使筒体开裂，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120mm，且为普通黏土砖砌筑，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，由于从除尘塔排入烟囱的烟气含硫量高、水蒸汽量大，极易对砖及砖内钢筋造成腐蚀，同时降低筒壁材料的隔热性能，使形成的裂缝加速发展。

图1

烟囱加固方案图

环向均匀设置共六条每间隔2.0m设置一条

3.2

层。

碳纤维布加固施工要点

加固施工顺序：裂缝化学灌浆→粘贴碳纤维布→保护

1）对烟囱裂缝，采用建筑构件裂缝化学灌浆法对裂缝

3

3.1

加固施工

加固方案

该烟囱筒身裂缝开展宽度最大值已超出可靠性规程标

进行封闭补强。

2）为提高粘贴碳纤维布加固效果，提高基层的强度，须先剔除需粘贴部位水平、竖向灰缝内的砌筑砂浆并用修补砂浆填补，以保证碳纤维布复合层与砌体共同受力。

3）在计算好需要粘贴碳纤维布的位置，预先刷300mm宽、3mm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。

4）用滚筒刷均匀涂刷基底树脂。

5）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黏结，搭接长度≥200mm。

6）待碳纤维布粘贴干燥一定时间后再涂刷一层粘贴胶，表面抛细沙作压面处理。

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准约6mm，截面削弱及裂缝开展，造成承载力下降，必须进行加固处理。烟囱加固通常采用钢环套，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，考虑后期维护费用，耗资较大。从功效、工效、时效三方面综合效益考虑，采用日产FTS-C1-30型高性能碳纤维布对烟囱砌体部分进行加固处理。加固用胶为改性环氧树脂类结构胶，分为底胶、修补胶、黏结胶。

考虑该烟囱裂缝长达20m，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8m处）竖直粘贴250mm

工程建设与设计

Construction&DesignForProject3.3注意事项

1）砖砌体粘贴碳纤维布与混凝土基材粘贴碳纤维布有

具有许多优越性，在土木工程中应用前景广阔。特别是对曲面、环形等复杂的结构，对于大面积不能采用焊于弧形、

接的结构，对于锈蚀严重的结构，利用碳纤维强度高、重量轻、宜施工、耐腐蚀的特点来加固是一种好方法。但在特殊场合应用时，如本工程中的烟囱结构，应特别关注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以及加固胶的高温失效性，当工作温度超过2000℃时，应谨慎使用或采用无机粘贴剂等特殊的技术措施[4]。随着研究工作的不断深入，碳纤维材料必将得到更广泛应用，对我国经济建设产生积极的推动作用。

【参考文献】

【1】赵彤，谢剑，等．碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M]．

天津:天津大学出版社,2001.

【2】CheungMS.DesignandConstructionofBuildingComponentswith

Fiber-reinforced

Polymers-A

New

Canadian

Standard

[C].

所不同，灰缝中的砂浆应掏出并用压缩空气、丙酮清理干才净，然后用修补砂浆把灰缝填补平整。修补砂浆凝固后，能进行粘贴碳纤维布施工。

2）使用中应避免碳纤维布的弯折，严禁损伤粘贴好的碳纤维布。

3）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超过3层，碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不应小于200mm。

4）配套树脂的原料应密封储存，远离水源，避免阳光直接照射。

5）配胶时应现场配置，随配随用，应通风远离火源。6）现场施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施。

ProceedingsoftheInternationalConferenceonFRPCompositesinCivilEngineering.,China2001（I）.

【3】王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,

1998.

【4】AlexLi,etal.ShearStrengtheningofRCBeamswithExternally

BondedCFRPSheets[J].J.Strut.Eng.,ASCE2001，127（7）.

3.4效果分析

烟囱砌体热膨胀系数α=5×10-6℃－1,抗压强度

f=1.69MPa,弹性模量E=1600f,抗拉强度ft=0.46MPa；FTS-C1-30型高性能碳纤维布热膨胀系数αcf=-0.7×10-6℃－1，弹性模量E=2.35×105,抗拉强度ft=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

[3]

。在施工温度25℃情况下加固的烟囱，若使用温度

升至100℃,砌体承受的压应力σ=Eε=E（α-αcf）Δt=0.684f＜f，碳纤维布所受拉应力σ=Eε=100.5MPa＜3550MPa；若停产温度降至0℃，砌体承受拉应力σ=Eε=1600×1.69×5.7×25×10-6=0.385MPa＜0.46MPa，满足要求。经计算，施工温度25℃，加固后的烟囱可以保证处于温度-5℃～135℃范围内不开裂，性能得到显著改善。

本工程对裂缝首先进行灌浆封闭处理，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，加固费用约人民币30万元。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。

4结语

碳纤维加固是一项涉及材料、设计与应用的系统工程，68

【收稿日期】2011-04-06