碳纖維在建筑結構加固工程中的應用

孫錫強 時 青 張春野

（1.中建八局第二建設有限公司， 山東 濟南 250000；2.中國科學院合肥腫瘤醫院， 安徽 合肥 230031）

0 引言

碳纖維材料屬于一種含碳量高達90%的材料。與物理性能最好的鋼比較來看，碳纖維材料具有強度較高，質量較輕的優勢，因此已經被用于替代加固材料。不同的碳纖維材料具有不同的性能，在建筑結構加固工程中被用于不同的位置。本文主要介紹了碳纖維材料的種類、特性和技術優勢的同時，對碳纖維材料在建筑結構加固工程中的應用進行了總結，以期提高整個建筑結構加固工程的質量。

1 碳纖維材料的種類以及特性

市面上碳纖維材料的種類較多，可以根據其不同的性能分為不同的類別。從表觀性質來講，根據碳纖維材料的形狀不同，可以分為片狀、棒狀、型材和短纖維狀的。其中，片狀的碳纖維材料主要指通過環氧樹脂粘附于基礎位置的材料，該材料屬于建筑結構加固工程中常用的材料之一。棒狀的碳纖維材料指替代鋼筋材料的碳纖維材料。從形狀來看，棒狀的碳纖維材料與鋼筋較為相似，其使用單位較廣。可以針對舊建筑進行加固，也可以針對正在施工過程中的建筑進行加固。型材的碳纖維材料具有一定的形狀，使用方式較為固定，主要通過灰漿或者錨在建筑的加固部位進行固定。短纖維的碳纖維材料與其他碳纖維材料有本質的區別，因為其屬于短纖維的材料，相較與其他材料來講，該材料較小，主要與混凝土混合之后形成碳纖維混凝土對建筑進行加固。其次，以合成材料的角度來看，碳纖維材料可以分為聚丙烯腈基碳纖維材料和瀝青基碳纖維材料[1]。

復合材料是目前材料學發展的主要趨勢，其主要將兩種具有不同特性的材料結合在一起，形成一種1+1＞2 的效果的材料。目前，新型復合材料在航空、汽車、建筑等行業使用較多。新型復合材料的研究中以本文所述的碳纖維材料為主要材料，其在建筑結構加固工程中的應用主要是作為與混凝土混合的加固材料，和利用自身特性加固的材料。在選擇碳纖維材料時，要考慮到使用用途，材料的長期效應和短期效應、周圍環境等。不同的碳纖維材料因為復合的內容物不同，相對而言有不同的特性。例如，有些碳纖維材料具有較高的剛性，有些碳纖維材料具有較高的抗壓能力等。針對不同的建筑結構加固環境，可以選擇不同的材料。以目前常用的聚丙烯腈基碳纖維材料為例，該材料常與預浸料結合，具有較強的彈性模量、剛性、延伸率、均勻度等。

2 碳纖維材料的技術優勢

碳纖維材料在建筑結構加固工程中的技術優勢主要存在以下幾方面。第一是材料本身的優良特性。對于建筑結構來講，首先需要考察所用材料的使用效果，例如使用年限、材料密度、材料的抗腐蝕性以及抗壓性等。不同的碳纖維材料在改性的基礎上，提高了不同的物理特性，可用于建筑結構加固工程中的方方面面。第二是施工過程中的便捷性。針對鋼筋來講，無論在施工過程中，還是在加固過程中，因其重量較重、物理性能較弱的缺點，并不適用于長期的作業中。因此，在前期利用鋼筋維持穩定的基礎結構后，可改變利用碳纖維材料進行結構加固。碳纖維材料除了具有優良的物理特性之外，其便攜性和易操作性在方便施工的同時，也提高了整個加固工程的工作效率。第三，碳纖維材料具有較高的抗腐蝕性能。一般來講，對于建筑結構中的主要架構——鋼筋，需要通過外部粘合一定的材料，避免其受到外界環境的腐蝕。其中，外界環境主要包括一些風、雨或者極端天氣環境等。碳纖維材料很好地避免了建筑外界環境對其的影響，不僅提高了使用年限，對建筑也起到了一定的保護作用。第四，碳纖維材料預浸料的質量減少，對于施工工地來講，其首先就占據存儲面積小的優勢。另外，碳纖維材料預浸料與其他碳纖維材料具有共同的優勢，即與建筑架構的粘合性較高。以傳統加固材料和碳纖維材料進行比較，可以發現碳纖維材料雖然會表現出表面貼合不平整的現象，在其與表面的貼合密度能夠達到100%，而其他傳統加固材料卻未有該特性。不僅如此，在粘合的過程中，一旦出現氣泡，或者貼合不夠緊密的情況，還可以通過一些外部手段進行修整。例如，樹脂就是常用的補充氣泡的材料，可以和碳纖維材料很好地利用于結構加固工程中[2]。

3 碳纖維材料在建筑結構加固工程的應用

3.1 碳纖維材料在建筑結構加固工程中的使用原理

在加固工程中，經常使用的碳纖維材料分為兩種，一種是碳纖維布，另一種是碳纖維板。碳纖維需要經過環氧樹脂的浸泡，形成一種新的復合材料，在提高其本身物理性能的同時，還提高了對于建筑結構的加固作用。一般在正式施工的過程中，經過環氧樹脂浸泡的碳纖維材料，還要經過樹脂材料的粘合。在粘合時，碳纖維材料需要順著受力的方向進行粘合，保證提高受力較弱部位的承受力的同時，提高了整個建筑的穩定性。另外，通過對粘合原理的探究，在能夠確保加固工程的質量的前提下，樹脂材料的粘合同樣占據重要地位。樹脂材料在建筑結構加固工程中主要有以下幾方面的作用。首先是基底作用，將樹脂用于加固位置的最底層。在樹脂朝混凝土或者水泥逐漸滲透的過程中，使外部加固材料和內部泥土基質間的縫隙逐漸減少，確保加固工程的質量。其次是外部加固結構中的填充，一般利用油灰進行填充，其主要原理與基底材料的原理一致。最后是利用樹脂浸泡加固板材，最終使該板材在加固部位表面形成一個穩定性高的表面。綜合上述三種使用方式，不同類型的樹脂與不同類型的碳纖維材料搭配使用，提高建筑結構的穩定性。一般情況下，樹脂的使用方式基本固定，而其篩選選擇也較固定。例如，在進行標準濕層的樹脂粘合表面施工時選擇材料要注意以下幾點。首先是材料原本的特性，因為樹脂粘合材料最終應用于工程中屬于混合材料，所以需要確保各部分材料可以混合在一起。其次是材料的固化程度，一般情況下要求樹脂材料可在室溫下固化。在使用時，樹脂材料與混凝土或者水泥表面粘結時要注意其粘結時間和固化時間是否符合使用標準。最后是樹脂材料的物理特性，即在考慮時主要根據對周圍環境的考察、被粘合材料的性質等[3]。

3.2 碳纖維加固建筑結構的主要步聚

建筑結構加固工程內容主要分為以下幾點。首先是加固工程中方案的選擇。加固工程方案的選擇主要是基于需要加固的范圍和加固結構周圍的環境進行選擇。其中，加固的方案中所包含的內容不僅僅是操作的流程，還包括材料的選擇、施工隊伍的招標、工程預算報價等內容。其次是針對加固范圍的準備工作。在加固范圍的準備工作中，首先應該考慮到建筑結構本身的材料、年限等內容。另外，在所需要考慮的內容中，需要加固部分的受力方式是主要參考內容。

對該建筑的基本情況進行考察后需要實施清理工作。清理工作同樣屬于前期準備工作。不同的建筑環境，所需要清理的方式不同。針對混凝土表面的孔洞來講，可以利用磨損或者環氧砂漿填充的方式進行。如果孔洞的面積較少，可以利用簡單的磨平技術。如果孔洞的范圍較大，可以利用環氧砂漿填充的方式填補。針對加固表面的腐蝕情況，需要查明腐蝕的深度。例如，混凝土表面發生腐蝕的現象時，還需要探查其中鋼筋是否也發生腐蝕的情況。在對腐蝕情況大致了解之后，可以利用去除腐蝕物的技術清理表面。最后，在加固表面還可以存在一些油污、或者塵土等，通過簡單的手法去除即可。一般來講，前期的清理工作主要為了保證后期在粘合的過程中不會因為一些表面的雜污而出現粘合力下降的情況[4]。

建筑結構加固工程的第二步是粘合基底部分。首先應該判斷加固表面是否存在不平整的地方，或者存在裂縫的地方。其中，對待表面出現裂縫問題時需要格外謹慎，這直接關乎到加固材料與建筑結構的粘合程度。針對大的裂縫，一般采用樹脂進行粘合。針對小的裂縫，采用一些簡單的磨平技術就可以完成。其次，粘合碳纖維基底。在這一部分選擇碳纖維基底時，可以根據加固的范圍進行選擇。不同的形狀加固表面，針對的是不同碳纖維基底。例如，針對范圍較大的部分，可以利用片狀碳纖維材料進行粘合。在這一過程中，主要利用樹脂與碳纖維材料，進行基底的粘合。和上述步驟有異曲同工之妙的部分時，針對樹脂表層和碳纖維表層同樣需要進行灰塵的清理工作。一般來講，為了提高效率可以利用高壓水槍或者高壓的空氣進行清理[5]。

建筑結構加固工程的第三步是底膠的涂刷。底膠的種類較多，其組成材料種類也較多。從功能的角度來講針對不同的結構加固部分采用不同的底膠。例如，承重結構和其他基礎結構部分的底膠使用種類就大不相同。從底膠的材料來講，目前常用的材料依舊是碳纖維材料。在進行底膠的涂刷時，首先要根據當時的用量進行調整。針對底膠來講，次日使用的底膠和當日使用的底膠其效果相差較大，因此現配現用的底膠應該及時使用。其次，底膠涂刷完畢后要等其自然晾干，避免其表面出現不平整的問題。一旦底膠的表面出現不平整的問題，需要及時用剩余的底膠刷涂平整。另外，需要注意的是，針對不同的季節，底膠的刷涂厚度也不同，在天氣寒冷的季節，底膠不宜涂刷過厚。

建筑架構加固工程的第四步是粘合碳纖維材料。一般利用碳纖維片進行加固，針對不同的位置碳纖維片的粘合方式不同，標準也不同。例如，僅僅需要單片粘合時，碳纖維片的厚度會低于多片粘合的情況。針對不同的貼合方式，其垂直距離也不相同。因此，需要根據相應的標準，劃分好相應的貼合范圍再進行施工。施工前要檢查碳纖維片的質量，例如在運輸的過程中是否發生損壞或者彎曲的情況。在粘合碳纖維材料的步驟完成之后，需要利用滾輪將碳纖維片和底層之間的空氣排除干凈，保證兩者粘合的緊密度。另外，除了碳纖維片之外，其他碳纖維材料（如短纖維材料等）也是常用的材料，一部分材料需要和其他材料一起混用，另一部分材料僅僅利用樹脂進行貼合即可。另外，棒狀的碳纖維材料也是常用的材料之一。相較與鋼筋來講，在某些加固部位其可以替代鋼筋進行加固。不同于片狀的加固材料，棒狀的碳纖維材料對結構的支撐作用更強。

建筑結構加固工程的最后一步主要是對加固部位的養護。在粘貼碳纖維板之后，需要經過一定的風干靜置過程，待樹脂初凝固之后，可以貼塑料膜等材料進一步保護加固部位的平整度和免外界傷害。最后進行養護步驟，養護的目的主要為了提高碳纖維材料的強度，可以根據不同的氣溫情況，決定養護的時間。另外，某些加固部位可能需要防火處理，在樹脂初干之后可以涂抹防火涂層，對加固部位起到保護作用。

4 結束語

隨著外界環境的侵害，或者建筑過程中未考慮到實際的受力環境等，基礎建筑結構需要在原有的基礎上進行加固。目前，常用的加固手段較為固定，而加固所用的材料一直處于升級的狀態。其中，常用的碳纖維材料雖含碳量高達90%，但其仍舊屬于復合材料。為了進一步使材料符合建筑材料使用標準，加固碳纖維材料具有較好的物理性能。不過，目前的碳纖維材料種類依舊較為局限，需要開發出性能更高的材料，以此來適應建筑加固工程的發展。