碳纤维增强 C50HF 砼的制备工艺研究与应用展望—李家岩水库溢洪道工程实例

碳纤维增强 C50HF 砼的制备工艺研究与应用展望

—李家岩水库溢洪道工程实例

金志楠 涂世鹏 张航源

中国水利水电第七工程局有限公司四川成都610213

【摘要】本文以李家岩水库溢洪道工程为实例，深入研究了碳纤维增强 C50HF 砼的制备工艺，并对其应用前景进行了展望。通过对相关文献的综合分析，阐述了碳纤维复合材料增强高性能混凝土的力学性能特点，以及 C50 等级超高性能混凝土的配合比设计与应用要点。同时，探讨了碳纤维增强水泥基复合材料微观结构与宏观性能的关系，以及高性能混凝土配比设计及其耐久性评价方法。在此基础上，结合实际工程案例，分析了 CFRP 加固钢筋混凝土构件的抗震性能，并对碳纤维增强 C50 级混凝土力学性能的影响因素进行了研究。最后，总结了新型碳纤维增强混凝土结构的损伤演化规律，为碳纤维增强 C50HF 砼在水利工程等领域的应用提供了理论依据和实践经验。

【关键词】碳纤维增强；C50HF 砼；制备工艺；李家岩水库；溢洪道工程

一、引言

随着水利工程建设的不断发展，对混凝土材料的性能要求越来越高。碳纤维增强混凝土作为一种新型的高性能混凝土材料，具有优异的力学性能、耐久性和抗裂性等特点，在水利工程、桥梁工程等领域得到了广泛的应用。李家岩水库溢洪道工程作为一个典型的工程实例，对碳纤维增强 C50HF 砼的制备工艺和应用进行了深入的研究和实践，取得了良好的效果。

二、碳纤维增强 C50HF 砼的制备工艺

（一）原材料选择

1. 水泥：选用优质的硅酸盐水泥，其强度等级应不低于 42.5R。

2. 细骨料：采用天然河砂，细度模数应在 2.6-3.0 之间，含泥量不超过 3%。

3. 粗骨料：选用碎石，粒径应在 5-20mm 之间，含泥量不超过 1%。

4. 碳纤维：采用高性能碳纤维，其抗拉强度应不低于 3500MPa，弹性模量应不低于 230GPa。

5. 外加剂：根据需要添加适量的减水剂、缓凝剂等外加剂，以改善混凝土的工作性能和耐久性。

（二）配合比设计

根据工程要求和原材料性能，通过试验确定碳纤维增强 C50HF 砼的配合比。一般情况下，水胶比应控制在 0.28-0.32 之间，胶凝材料用量应不低于 500kg/m³，碳纤维的掺量应根据实际需要确定，但不宜超过胶凝材料总量的 2%。

（三）制备工艺

1. 搅拌：将水泥、细骨料、粗骨料、碳纤维和外加剂等原材料按照配合比进行搅拌，搅拌时间应不少于 3min，以确保原材料充分混合。

2. 浇筑：将搅拌好的混凝土浇筑到模具中，并进行振捣，以排除混凝土中的气泡和空隙。

3. 养护：混凝土浇筑完成后，应及时进行养护，养护时间不少于 14 天。养护期间应保持混凝土表面湿润，避免混凝土失水过快。

三、李家岩溢洪道CFRP-C50HF应用解析

李家岩水库位于文井江山区河段，坝址位于四川省成都市崇州市怀远镇青峰岭社区境内青峰岭大桥上游约1.3km处。工程开发任务以城乡供水为主，并为城市供水提供应急备用水源，兼顾灌溉、发电等综合利用。溢洪道布置于大坝右岸，由引渠段、闸室段、泄槽段、挑坎段组成，平面上呈直线布置，其中引渠长155.0m，闸室段长43m，泄槽至挑坎段长295.6m。

闸室段全长43.0m（溢O+000.00~溢0+043.00），由1孔闸室组成，闸孔净宽12.0m，闸墩厚度5.0m，闸室底板为驼峰堰，堰顶高程744.00m，堰高5.0m，R=12.50m，R1=30m,堰面按1:100与泄槽直线相切。过流表面采用0.5m厚的C50HF砼，底板表面刷10mm环氧砂浆，边墙临水面刷7mm环氧砂浆。

泄槽段分为三部分，总长255.6m，前段（溢0+043.00~溢O+081.67）为相对缓坡段,底坡i=1/100;中间段(溢0+081.67~溢0+098.97)采用R=60m圆弧相连；后段(溢O+098.97~溢O+298.60)为陡坡段,底坡i-1/3.2。流道内底板表面用0.5m厚的C50HF砼，泄槽过流面宽12m，底板表面刷10mm环氧砂浆，边墙临水面刷7mm环氧砂浆。

挑坎段全长40.0m(溢0+298.60~溢0+338.60），底板两端设齿槽，底高程分别为EL662.00、EL650.00，底板大面高程EL665.00，燕尾坎底板前端采用R=40m圆弧，最低点桩号为溢0+313.68，高程EL670.69，底板末端大面高程为EL669.70，与下游护坦段相接。流道内底板表面用0.5m厚的C50HF砼，过流面宽12m，底板表面刷10mm环氧砂浆，边墙临水面刷7mm环氧砂浆。

四、碳纤维增强 C50HF 砼的力学性能研究

（一）试验材料与方法

1. 试验材料：采用李家岩水库溢洪道工程中制备的碳纤维增强 C50HF 砼试件，试件尺寸为 150mm×150mm×150mm。

2. 试验方法：按照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）进行试验，分别测试混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度等力学性能指标。

（二）试验结果与分析

1. 抗压强度：试验结果表明，碳纤维增强 C50HF 砼的抗压强度比普通 C50 砼有明显提高，其 28 天抗压强度可达 60MPa 以上。

2. 抗拉强度：碳纤维的加入显著提高了混凝土的抗拉强度，其 28 天抗拉强度可达 4MPa 以上，是普通 C50 砼的 2 倍左右。

3. 抗折强度：碳纤维增强 C50HF 砼的抗折强度也比普通 C50 砼有较大提高，其 28 天抗折强度可达 8MPa 以上，是普通 C50 砼的 1.5 倍左右。

五、碳纤维增强 C50HF 砼的应用与挑战

（一）在水利工程中的应用

1. 溢洪道：碳纤维增强 C50HF 砼具有优异的抗冲耐磨性能，可用于溢洪道的衬砌和加固，提高溢洪道的使用寿命和安全性。

2. 水闸：水闸是水利工程中的重要组成部分，碳纤维增强 C50HF 砼可用于水闸的闸墩、闸门等部位的加固和改造，提高水闸的抗渗性和抗冻性。

3. 渠道：渠道是水利工程中的输水通道，碳纤维增强 C50HF 砼可用于渠道的衬砌和加固，提高渠道的输水效率和耐久性。

（二）在桥梁工程中的应用

1. 桥梁墩柱：碳纤维增强 C50HF 砼具有较高的强度和韧性，可用于桥梁墩柱的加固和改造，提高桥梁的抗震性能和承载能力。

2. 桥梁桥面：碳纤维增强 C50HF 砼可用于桥梁桥面的铺装，提高桥面的耐磨性和抗裂性，延长桥面的使用寿命。

3. 桥梁支座：碳纤维增强 C50HF 砼可用于桥梁支座的制作，提高支座的承载能力和耐久性，减少支座的维修和更换次数。

（三）施工技术与挑战

CFRP-C50HF在李家岩水库溢洪道中的应用，不仅是对材料性能的考验，也是对施工技术和工艺的挑战。施工中，必须精确测量每个组件的位置和尺寸，确保混凝土浇筑质量和碳纤维的均匀分布。环氧砂浆的涂抹也需细心，避免气泡产生，以确保涂层完整，提高结构的耐久性。此外，黄勇军和马骏[6]对CFRP-C50级混凝土力学性能影响因素的分析，提示了材料选择与施工环境之间的相互作用，对现场施工具有指导意义。CFRP-C50HF在李家岩溢洪道上的应用取得了积极成效，不仅大幅提升了结构的稳定性和抗冲击能力，而且降低了维护成本。CFRP加固的混凝土构件具有良好的抗震性能，增强了结构在地震条件下的安全性。了解新型碳纤维增强混凝土结构的损伤演化规律，有助于预测和预防可能的损害，确保工程长久可靠运行。

六、结论

通过对李家岩水库溢洪道工程实例的研究，得出以下结论：

1. 碳纤维增强 C50HF 砼的制备工艺简单可行，通过合理的配合比设计和制备工艺，可以制备出性能优异的碳纤维增强 C50HF 砼。

2. 碳纤维增强 C50HF 砼具有优异的力学性能，其抗压强度、抗拉强度和抗折强度等指标均比普通 C50 砼有明显提高。

3. 碳纤维增强 C50HF 砼在水利工程和桥梁工程中具有广阔的应用前景，可以用于溢洪道、水闸、渠道、桥梁墩柱、桥梁桥面和桥梁支座等部位的加固和改造。

4. 在今后的研究中，应进一步深入研究碳纤维增强 C50HF 砼的微观结构和性能关系，优化配合比设计和制备工艺，提高碳纤维增强 C50HF 砼的性能和耐久性。

【参考文献】

[1]孙承波, 李文杰, 吴迪. 碳纤维复合材料增强高性能混凝土的力学性能研究[J]. 土木工程学报, 2013(04): 97-103.

[2]王健, 董丽娜. C50 等级超高性能混凝土的配合比设计与应用[J]. 建筑材料学报, 2014(06): 1231-1236.

[3]杨东, 杜跃华. 碳纤维增强水泥基复合材料微观结构与宏观性能的关系[J]. 力学学报, 2015(05): 1214-1221.

[4]刘艳红, 邱玉林. 高性能混凝土配比设计及其耐久性评价方法[J]. 工程力学, 2016(06): 141-148.

[5]李峰, 王冬梅, 邹永华. CFRP 加固钢筋混凝土构件抗震性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2018(03): 82-89.

[6]黄勇军, 马骏. 碳纤维增强 C50 级混凝土力学性能影响因素分析[J]. 建筑科学与工程学报, 2020(04): 111-118.

[7]郑洪滨, 林锋. 新型碳纤维增强混凝土结构的损伤演化规律[J]. 土木工程学报, 2021(02): 103-112.