孫錫強(qiáng) 時 青 張春野

（1.中建八局第二建設(shè)有限公司， 山東 濟(jì)南 250000；2.中國科學(xué)院合肥腫瘤醫(yī)院， 安徽 合肥 230031）

0 引言

碳纖維材料屬于一種含碳量高達(dá)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(qiáng)度較高，質(zhì)量較輕的優(yōu)勢，因此已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(shù)優(yōu)勢的同時，對碳纖維材料在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，以期提高整個建筑結(jié)構(gòu)加固工程的質(zhì)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(jù)其不同的性能分為不同的類別。從表觀性質(zhì)來講，根據(jù)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(huán)氧樹脂粘附于基礎(chǔ)位置的材料，該材料屬于建筑結(jié)構(gòu)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?？梢葬槍εf建筑進(jìn)行加固，也可以針對正在施工過程中的建筑進(jìn)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(jìn)行固定。短纖維的碳纖維材料與其他碳纖維材料有本質(zhì)的區(qū)別，因?yàn)槠鋵儆诙汤w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(jìn)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(fù)合材料是目前材料學(xué)發(fā)展的主要趨勢，其主要將兩種具有不同特性的材料結(jié)合在一起，形成一種1+1＞2 的效果的材料。目前，新型復(fù)合材料在航空、汽車、建筑等行業(yè)使用較多。新型復(fù)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(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)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(yīng)和短期效應(yīng)、周圍環(huán)境等。不同的碳纖維材料因?yàn)閺?fù)合的內(nèi)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(jié)構(gòu)加固環(huán)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(yù)浸料結(jié)合，具有較強(qiáng)的彈性模量、剛性、延伸率、均勻度等。

2 碳纖維材料的技術(shù)優(yōu)勢

碳纖維材料在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中的技術(shù)優(yōu)勢主要存在以下幾方面。第一是材料本身的優(yōu)良特性。對于建筑結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，提高了不同的物理特性，可用于建筑結(jié)構(gòu)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(diǎn)，并不適用于長期的作業(yè)中。因此，在前期利用鋼筋維持穩(wěn)定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后，可改變利用碳纖維材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。碳纖維材料除了具有優(yōu)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(jié)構(gòu)中的主要架構(gòu)——鋼筋，需要通過外部粘合一定的材料，避免其受到外界環(huán)境的腐蝕。其中，外界環(huán)境主要包括一些風(fēng)、雨或者極端天氣環(huán)境等。碳纖維材料很好地避免了建筑外界環(huán)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(hù)作用。第四，碳纖維材料預(yù)浸料的質(zhì)量減少，對于施工工地來講，其首先就占據(jù)存儲面積小的優(yōu)勢。另外，碳纖維材料預(yù)浸料與其他碳纖維材料具有共同的優(yōu)勢，即與建筑架構(gòu)的粘合性較高。以傳統(tǒng)加固材料和碳纖維材料進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)碳纖維材料雖然會表現(xiàn)出表面貼合不平整的現(xiàn)象，在其與表面的貼合密度能夠達(dá)到100%，而其他傳統(tǒng)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(xiàn)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(jìn)行修整。例如，樹脂就是常用的補(bǔ)充氣泡的材料，可以和碳纖維材料很好地利用于結(jié)構(gòu)加固工程中[2]。

3 碳纖維材料在建筑結(jié)構(gòu)加固工程的應(yīng)用

3.1 碳纖維材料在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中的使用原理

在加固工程中，經(jīng)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(jīng)過環(huán)氧樹脂的浸泡，形成一種新的復(fù)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(jié)構(gòu)的加固作用。一般在正式施工的過程中，經(jīng)過環(huán)氧樹脂浸泡的碳纖維材料，還要經(jīng)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(jìn)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(wěn)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(zhì)量的前提下，樹脂材料的粘合同樣占據(jù)重要地位。樹脂材料在建筑結(jié)構(gòu)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(nèi)部泥土基質(zhì)間的縫隙逐漸減少，確保加固工程的質(zhì)量。其次是外部加固結(jié)構(gòu)中的填充，一般利用油灰進(jìn)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(wěn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)濕層的樹脂粘合表面施工時選擇材料要注意以下幾點(diǎn)。首先是材料原本的特性，因?yàn)闃渲澈喜牧献罱K應(yīng)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(jié)時要注意其粘結(jié)時間和固化時間是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)。最后是樹脂材料的物理特性，即在考慮時主要根據(jù)對周圍環(huán)境的考察、被粘合材料的性質(zhì)等[3]。

3.2 碳纖維加固建筑結(jié)構(gòu)的主要步聚

建筑結(jié)構(gòu)加固工程內(nèi)容主要分為以下幾點(diǎn)。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(jié)構(gòu)周圍的環(huán)境進(jìn)行選擇。其中，加固的方案中所包含的內(nèi)容不僅僅是操作的流程，還包括材料的選擇、施工隊(duì)伍的招標(biāo)、工程預(yù)算報價等內(nèi)容。其次是針對加固范圍的準(zhǔn)備工作。在加固范圍的準(zhǔn)備工作中，首先應(yīng)該考慮到建筑結(jié)構(gòu)本身的材料、年限等內(nèi)容。另外，在所需要考慮的內(nèi)容中，需要加固部分的受力方式是主要參考內(nèi)容。

對該建筑的基本情況進(jìn)行考察后需要實(shí)施清理工作。清理工作同樣屬于前期準(zhǔn)備工作。不同的建筑環(huán)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(huán)氧砂漿填充的方式進(jìn)行。如果孔洞的面積較少，可以利用簡單的磨平技術(shù)。如果孔洞的范圍較大，可以利用環(huán)氧砂漿填充的方式填補(bǔ)。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(fā)生腐蝕的現(xiàn)象時，還需要探查其中鋼筋是否也發(fā)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(shù)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?yàn)橐恍┍砻娴碾s污而出現(xiàn)粘合力下降的情況[4]。

建筑結(jié)構(gòu)加固工程的第二步是粘合基底部分。首先應(yīng)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(xiàn)裂縫問題時需要格外謹(jǐn)慎，這直接關(guān)乎到加固材料與建筑結(jié)構(gòu)的粘合程度。針對大的裂縫，一般采用樹脂進(jìn)行粘合。針對小的裂縫，采用一些簡單的磨平技術(shù)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(jù)加固的范圍進(jìn)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(jìn)行粘合。在這一過程中，主要利用樹脂與碳纖維材料，進(jìn)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(jìn)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(jìn)行清理[5]。

建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)加固部分采用不同的底膠。例如，承重結(jié)構(gòu)和其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(jìn)行底膠的涂刷時，首先要根據(jù)當(dāng)時的用量進(jìn)行調(diào)整。針對底膠來講，次日使用的底膠和當(dāng)日使用的底膠其效果相差較大，因此現(xiàn)配現(xiàn)用的底膠應(yīng)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(xiàn)不平整的問題。一旦底膠的表面出現(xiàn)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(jié)，底膠的刷涂厚度也不同，在天氣寒冷的季節(jié)，底膠不宜涂刷過厚。

建筑架構(gòu)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(jìn)行加固，針對不同的位置碳纖維片的粘合方式不同，標(biāo)準(zhǔn)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(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，劃分好相應(yīng)的貼合范圍再進(jìn)行施工。施工前要檢查碳纖維片的質(zhì)量，例如在運(yùn)輸?shù)倪^程中是否發(fā)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(jìn)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(jìn)行加固。不同于片狀的加固材料，棒狀的碳纖維材料對結(jié)構(gòu)的支撐作用更強(qiáng)。

建筑結(jié)構(gòu)加固工程的最后一步主要是對加固部位的養(yǎng)護(hù)。在粘貼碳纖維板之后，需要經(jīng)過一定的風(fēng)干靜置過程，待樹脂初凝固之后，可以貼塑料膜等材料進(jìn)一步保護(hù)加固部位的平整度和免外界傷害。最后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)步驟，養(yǎng)護(hù)的目的主要為了提高碳纖維材料的強(qiáng)度，可以根據(jù)不同的氣溫情況，決定養(yǎng)護(hù)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(hù)作用。

4 結(jié)束語

隨著外界環(huán)境的侵害，或者建筑過程中未考慮到實(shí)際的受力環(huán)境等，基礎(chǔ)建筑結(jié)構(gòu)需要在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)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(tài)。其中，常用的碳纖維材料雖含碳量高達(dá)90%，但其仍舊屬于復(fù)合材料。為了進(jìn)一步使材料符合建筑材料使用標(biāo)準(zhǔn)，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(fā)出性能更高的材料，以此來適應(yīng)建筑加固工程的發(fā)展。