碳纖維加固技術在木結構柱中的作用

潘 閃

(北京建筑工程學院，北京 100044)

1 研究背景

中國古建筑以木材、磚瓦為主要建筑材料，形成以木構架結構為主要的結構體系。木構架結構的優點在于木料取材方便，施工速度快，抗震性好。其缺點在于木質材料的抗腐蝕性、抗蟲蛀侵蝕和防火性能較差。

我國現存的古建筑由于年代久遠，結構殘損嚴重，尤其是木構建筑的柱根常受風雨侵蝕，最易糟朽。掩砌在墻體內的柱子，更容易受潮腐爛。因此，解決木柱糟朽問題便成為木結構建筑的主要修繕內容之一。傳統修繕多用墩接柱根、抽換柱子或輔柱的方法來解決。采用墩接柱根的方法可以避免拆除原有結構，但這種方法要求更換的木材與原有木柱之間的連接必須牢固可靠，不能影響木柱的承載能力和耐久性。當木柱糟朽嚴重，木柱則需更換。這樣不僅費用較高，而且處理不好會影響到相連的木梁及木屋架的整體性和安全使用，甚至會破壞建筑的風貌特征。

隨著科技的發展，越來越多的新材料、新技術運用于古建筑保護中。碳纖維加固技術便是加固修復木結構的有效途徑之一。碳纖維加固修補結構技術是繼加大混凝土截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法之后的又一種新型的結構加固技術。

20世紀80年代起，美、日等發達國家開始碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究。我國在這方面的技術研究起步較晚，國內最早通過的規范是2003年CECS 146∶2003碳纖維片材加固混凝土結構技術規程，現已經被最新的國家標準規范GB 50367-2006混凝土結構加固設計規范代替。碳纖維加固技術是將抗拉強度極高的碳纖維用環氧樹脂粘結劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補強的結構上，形成一個新的復合體，使增強粘貼材料與原有構件共同受力，增大結構的抗裂或抗剪能力，提高結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性。

與加大混凝土截面、外包鋼加固和鋼加固等傳統加固技術相比，碳纖維加固技術具有加固效果好、施工簡便、材料重量輕、不破壞原結構、耐久性好和適用范圍廣的優點。

2 碳纖維加固技術工藝研究

碳纖維施工工藝流程為:構件基層處理→涂刷底層樹脂→粘貼工作→養護→涂裝。

2.1 構件基層處理

結構的基層處理是粘貼玻璃纖維布最重要的一個步驟。基層處理不好，很容易造成后來粘貼的纖維布剝離或是形成空鼓。舊建筑物的結構在經過一段使用時間后會不同程度的存在一些缺陷，結構表面存在著雜質。因此必須先將原有結構存在的缺陷修復，并將妨礙施工的雜質剔除，露出基層。

2.2 涂刷底層樹脂

涂刷底層樹脂需首先按照加固設計圖紙彈線確定加固位置，然后再配制底層樹脂，且涂刷底層樹脂前，必須確認木材表面沒有粉塵，水漬或是其他對樹脂滲透有影響的雜質。涂刷完底層樹脂后應檢查是否存在局部因樹脂過多而凝聚的現象，如存在凝聚現象應盡快處理，以保證樹脂表面平滑。

底層樹脂指觸干燥后需對結構面進行找平。配制找平材料用于修補結構表面局部不平整的部位。使用找平材料前，必須確認涂刷底層樹脂后的木構件表面沒有灰塵，水漬或是其他對樹脂滲透有影響的雜質。

2.3 粘貼步驟

2.3.1 繪制碳纖維布的位置圖

在進行粘貼纖維布施工前，按照設計圖紙要求，對加固部位彈線以明確加固區域，確認粘貼纖維布的尺寸大小以及需要粘貼的層數。

2.3.2 碳纖維布剪裁

剪裁時應按設計規定尺寸剪裁碳纖維布，切記必須滿足設計尺寸，嚴禁斜切碳纖維布，并防止出現拉絲現象。保證剪裁后的碳纖維加固方向與粘貼部位的方向一致。剪裁成型的碳纖維注意保護潔凈不受污染。為防止材料在保管過程中損壞，材料的裁切數量應按當天的用量裁切為準。

2.3.3 涂浸漬樹脂

在涂刷浸漬樹脂前，要先檢查加固部位和纖維布表面的雜質是否已清理干凈，然后按照樹脂生產廠商的要求，按比例配制浸漬樹脂，并進行攪拌。配制后的浸漬樹脂要在規定的使用時間里均勻的涂抹在加固部位。

2.3.4 鋪貼碳纖維布

粘貼碳纖維前應對混凝土表面再次擦拭，確保粘貼面無粉塵。加固構件表面涂刷結構膠，必須做到涂刷穩、準、勻的要求，即:穩，刷涂用力適度，盡量不流不墜不掉;準，涂刷不出控制線;勻，涂刷范圍內薄厚較一致。

2.3.5 表面涂浸漬樹脂

在碳纖維布粘貼完成后，表面再涂刷一層浸漬樹脂，作為纖維的保護層，樹脂不需要涂刷很厚，只要能蓋住粘貼的纖維即可。

2.4 養護

粘貼碳纖維材料后，需自然養護1 h～2 h達到初期固化，應保證固化期間不受外界干擾和碰撞。在保護層外覆塑料薄膜，養護期為1周～2周，養護期間溫度不低于環氧樹脂的允許溫度。

2.5 涂裝

養護完成后，除去塑料薄膜，在碳纖維布表面涂抹一層基底樹脂，待基底樹脂指觸干燥后，外抹面層材料，最后在面層上涂刷耐火涂層。

3 碳纖維加固技術在木結構柱中的應用

基于上述有關碳纖維加固技術的背景及工藝的介紹，此章節將以北京前門地區青云胡同22號院顏料會館為例來分析這種技術對木結構柱修復起到的實際作用。

顏料會館為文物普查單位，它始建于明代，經清代多次重修變為商業會館。雖然該建筑經過數次重修，但文物保護單位于2009年2月對青云胡同22號院調查發現，院落建筑主體存在諸多拆改、損傷及安全隱患，部分建筑已處于危險狀態，如:建國后經多家企業作為廠房使用，維護較差，原有筒瓦改為機瓦，屋面局部現已坍塌;墻面風化酥堿嚴重，大部分被臨建遮擋;戲樓內部主體結構保存尚好，但原平面格局已有多處拆改，樓梯無存，且梁架上部殘留彩畫，現已陳舊褪色。這些問題對建筑物的保存極為不利。因此，文物保護單位隨即騰退文物占用單位，并進行全面修繕。

其中修繕的難點在于施工中發現戲樓木結構中的4根11 m長木柱有不同程度的徑向輪裂。為保證工程質量，施工單位會同設計單位就此問題共同分析，為防止徑向輪裂的延續，初步采用傳統的木柱加固措施，即每隔500 mm對木柱加做扁鐵抱箍的處理措施。

鑒于鐵箍需臥入木柱，會使鐵箍之間的徑向輪裂發生剝離，加重木柱的破壞。因此，邀請多位古建專家對木柱加固方法召開論證會，專家論證意見:木柱的破壞主要是由于開裂引起的抗壓強度不足，此種輪裂只要不再繼續發展，對承載力不會產生影響，建議使用碳纖維加固法，既加固了木柱，又有較好的透氣性，保證柱子中水分的揮發。聽取專家的意見，考慮到該4根木柱均為11 m長，直徑400 mm，長細比較大，為提高木柱抗側剛度，碳纖維布沿縱向粘貼，每道碳纖維條150 mm寬，間距800 mm。為防止縱向碳纖維發生剝離破壞，在縱向碳纖維布外側再包裹一層環向碳纖維布，起到錨固縱向碳纖維的作用。

通過以上方式對木柱實施碳纖維加固表明，縱向與環向形成的雙向碳纖維復合加固層，能有效提高木柱的抗壓強度(見圖1)。

圖1 碳纖維加固木柱

4 結語

碳纖維加固技術具有輕質、高強、耐腐蝕、易于施工等優點，用碳纖維布加固木柱可以恢復受損木柱的力學性能，延長其使用壽命;而且由于不拆改原建筑結構，能保持原有建筑風貌。工程實踐表明，應用碳纖維加固木柱，尤其是對古建筑的加固可取得顯著的經濟效益和文化效益。

［1］ 馬炳堅.中國古建筑木作營造技術［M］.北京:科學出版社，1991.

［2］ 黎 鐘，趙夢梅.木結構設計手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1993.5.

［3］ 陳祖建，何曉琴.淺談中國傳統木結構建筑的保護［J］.福建建筑，2001(3):21-23.

［4］ GB 50165-92，古建筑木結構維護與加固技術規范［S］.

［5］ 張大照，熊學玉，張 平.碳纖維片材及預應力加固修復古木結構研究綜述［J］.工業建筑，2002(sup):51-52.

［6］ 岳清瑞.我國碳纖維(CFRP)加固修復技術研究應用現狀與展望［J］.工業建筑，2000，30(10):23-26.

［7］ 婁 宇，王紅慶，李如白.碳纖維加固技術及其工程應用［J］.工業建筑，2000，30(10):39-43.