碳纖維加固技術(shù)在木結(jié)構(gòu)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(gòu)架結(jié)構(gòu)為主要的結(jié)構(gòu)體系。木構(gòu)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(zhì)材料的抗腐蝕性、抗蟲蛀侵蝕和防火性能較差。

我國現(xiàn)存的古建筑由于年代久遠，結(jié)構(gòu)殘損嚴重，尤其是木構(gòu)建筑的柱根常受風雨侵蝕，最易糟朽。掩砌在墻體內(nèi)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(jié)構(gòu)建筑的主要修繕內(nèi)容之一。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)，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(fā)展，越來越多的新材料、新技術(shù)運用于古建筑保護中。碳纖維加固技術(shù)便是加固修復木結(jié)構(gòu)的有效途徑之一。碳纖維加固修補結(jié)構(gòu)技術(shù)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(jié)構(gòu)加固技術(shù)。

20世紀80年代起，美、日等發(fā)達國家開始碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補的研究。我國在這方面的技術(shù)研究起步較晚，國內(nèi)最早通過的規(guī)范是2003年CECS 146∶2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，現(xiàn)已經(jīng)被最新的國家標準規(guī)范GB 50367-2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范代替。碳纖維加固技術(shù)是將抗拉強度極高的碳纖維用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補強的結(jié)構(gòu)上，形成一個新的復合體，使增強粘貼材料與原有構(gòu)件共同受力，增大結(jié)構(gòu)的抗裂或抗剪能力，提高結(jié)構(gòu)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(tǒng)加固技術(shù)相比，碳纖維加固技術(shù)具有加固效果好、施工簡便、材料重量輕、不破壞原結(jié)構(gòu)、耐久性好和適用范圍廣的優(yōu)點。

2 碳纖維加固技術(shù)工藝研究

碳纖維施工工藝流程為:構(gòu)件基層處理→涂刷底層樹脂→粘貼工作→養(yǎng)護→涂裝。

2.1 構(gòu)件基層處理

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在經(jīng)過一段使用時間后會不同程度的存在一些缺陷，結(jié)構(gòu)表面存在著雜質(zhì)。因此必須先將原有結(jié)構(gòu)存在的缺陷修復，并將妨礙施工的雜質(zhì)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(zhì)。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(xiàn)象，如存在凝聚現(xiàn)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(jié)構(gòu)面進行找平。配制找平材料用于修補結(jié)構(gòu)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(gòu)件表面沒有灰塵，水漬或是其他對樹脂滲透有影響的雜質(zhì)。

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(qū)域，確認粘貼纖維布的尺寸大小以及需要粘貼的層數(shù)。

2.3.2 碳纖維布剪裁

剪裁時應按設計規(guī)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(xiàn)拉絲現(xiàn)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(shù)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(zhì)是否已清理干凈，然后按照樹脂生產(chǎn)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(guī)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(gòu)件表面涂刷結(jié)構(gòu)膠，必須做到涂刷穩(wěn)、準、勻的要求，即:穩(wěn)，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(nèi)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(yǎng)護

粘貼碳纖維材料后，需自然養(yǎng)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(yǎng)護期為1周～2周，養(yǎng)護期間溫度不低于環(huán)氧樹脂的允許溫度。

2.5 涂裝

養(yǎng)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(shù)在木結(jié)構(gòu)柱中的應用

基于上述有關碳纖維加固技術(shù)的背景及工藝的介紹，此章節(jié)將以北京前門地區(qū)青云胡同22號院顏料會館為例來分析這種技術(shù)對木結(jié)構(gòu)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(jīng)清代多次重修變?yōu)樯虡I(yè)會館。雖然該建筑經(jīng)過數(shù)次重修，但文物保護單位于2009年2月對青云胡同22號院調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(tài)，如:建國后經(jīng)多家企業(yè)作為廠房使用，維護較差，原有筒瓦改為機瓦，屋面局部現(xiàn)已坍塌;墻面風化酥堿嚴重，大部分被臨建遮擋;戲樓內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)戲樓木結(jié)構(gòu)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(zhì)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(xù)，初步采用傳統(tǒng)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(fā)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(xù)發(fā)展，對承載力不會產(chǎn)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(fā)。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(cè)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(fā)生剝離破壞，在縱向碳纖維布外側(cè)再包裹一層環(huán)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(huán)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(jié)語

碳纖維加固技術(shù)具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、易于施工等優(yōu)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(jié)構(gòu)，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(jīng)濟效益和文化效益。

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