碳纤维在建筑结构加固工程中的应用

孙锡强 时 青 张春野

（1.中建八局第二建设有限公司， 山东 济南 250000；2.中国科学院合肥肿瘤医院， 安徽 合肥 230031）

0 引言

碳纤维材料属于一种含碳量高达90%的材料。与物理性能最好的钢比较来看，碳纤维材料具有强度较高，质量较轻的优势，因此已经被用于替代加固材料。不同的碳纤维材料具有不同的性能，在建筑结构加固工程中被用于不同的位置。本文主要介绍了碳纤维材料的种类、特性和技术优势的同时，对碳纤维材料在建筑结构加固工程中的应用进行了总结，以期提高整个建筑结构加固工程的质量。

1 碳纤维材料的种类以及特性

市面上碳纤维材料的种类较多，可以根据其不同的性能分为不同的类别。从表观性质来讲，根据碳纤维材料的形状不同，可以分为片状、棒状、型材和短纤维状的。其中，片状的碳纤维材料主要指通过环氧树脂粘附于基础位置的材料，该材料属于建筑结构加固工程中常用的材料之一。棒状的碳纤维材料指替代钢筋材料的碳纤维材料。从形状来看，棒状的碳纤维材料与钢筋较为相似，其使用单位较广。可以针对旧建筑进行加固，也可以针对正在施工过程中的建筑进行加固。型材的碳纤维材料具有一定的形状，使用方式较为固定，主要通过灰浆或者锚在建筑的加固部位进行固定。短纤维的碳纤维材料与其他碳纤维材料有本质的区别，因为其属于短纤维的材料，相较与其他材料来讲，该材料较小，主要与混凝土混合之后形成碳纤维混凝土对建筑进行加固。其次，以合成材料的角度来看，碳纤维材料可以分为聚丙烯腈基碳纤维材料和沥青基碳纤维材料[1]。

复合材料是目前材料学发展的主要趋势，其主要将两种具有不同特性的材料结合在一起，形成一种1+1＞2 的效果的材料。目前，新型复合材料在航空、汽车、建筑等行业使用较多。新型复合材料的研究中以本文所述的碳纤维材料为主要材料，其在建筑结构加固工程中的应用主要是作为与混凝土混合的加固材料，和利用自身特性加固的材料。在选择碳纤维材料时，要考虑到使用用途，材料的长期效应和短期效应、周围环境等。不同的碳纤维材料因为复合的内容物不同，相对而言有不同的特性。例如，有些碳纤维材料具有较高的刚性，有些碳纤维材料具有较高的抗压能力等。针对不同的建筑结构加固环境，可以选择不同的材料。以目前常用的聚丙烯腈基碳纤维材料为例，该材料常与预浸料结合，具有较强的弹性模量、刚性、延伸率、均匀度等。

2 碳纤维材料的技术优势

碳纤维材料在建筑结构加固工程中的技术优势主要存在以下几方面。第一是材料本身的优良特性。对于建筑结构来讲，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、材料的抗腐蚀性以及抗压性等。不同的碳纤维材料在改性的基础上，提高了不同的物理特性，可用于建筑结构加固工程中的方方面面。第二是施工过程中的便捷性。针对钢筋来讲，无论在施工过程中，还是在加固过程中，因其重量较重、物理性能较弱的缺点，并不适用于长期的作业中。因此，在前期利用钢筋维持稳定的基础结构后，可改变利用碳纤维材料进行结构加固。碳纤维材料除了具有优良的物理特性之外，其便携性和易操作性在方便施工的同时，也提高了整个加固工程的工作效率。第三，碳纤维材料具有较高的抗腐蚀性能。一般来讲，对于建筑结构中的主要架构——钢筋，需要通过外部粘合一定的材料，避免其受到外界环境的腐蚀。其中，外界环境主要包括一些风、雨或者极端天气环境等。碳纤维材料很好地避免了建筑外界环境对其的影响，不仅提高了使用年限，对建筑也起到了一定的保护作用。第四，碳纤维材料预浸料的质量减少，对于施工工地来讲，其首先就占据存储面积小的优势。另外，碳纤维材料预浸料与其他碳纤维材料具有共同的优势，即与建筑架构的粘合性较高。以传统加固材料和碳纤维材料进行比较，可以发现碳纤维材料虽然会表现出表面贴合不平整的现象，在其与表面的贴合密度能够达到100%，而其他传统加固材料却未有该特性。不仅如此，在粘合的过程中，一旦出现气泡，或者贴合不够紧密的情况，还可以通过一些外部手段进行修整。例如，树脂就是常用的补充气泡的材料，可以和碳纤维材料很好地利用于结构加固工程中[2]。

3 碳纤维材料在建筑结构加固工程的应用

3.1 碳纤维材料在建筑结构加固工程中的使用原理

在加固工程中，经常使用的碳纤维材料分为两种，一种是碳纤维布，另一种是碳纤维板。碳纤维需要经过环氧树脂的浸泡，形成一种新的复合材料，在提高其本身物理性能的同时，还提高了对于建筑结构的加固作用。一般在正式施工的过程中，经过环氧树脂浸泡的碳纤维材料，还要经过树脂材料的粘合。在粘合时，碳纤维材料需要顺着受力的方向进行粘合，保证提高受力较弱部位的承受力的同时，提高了整个建筑的稳定性。另外，通过对粘合原理的探究，在能够确保加固工程的质量的前提下，树脂材料的粘合同样占据重要地位。树脂材料在建筑结构加固工程中主要有以下几方面的作用。首先是基底作用，将树脂用于加固位置的最底层。在树脂朝混凝土或者水泥逐渐渗透的过程中，使外部加固材料和内部泥土基质间的缝隙逐渐减少，确保加固工程的质量。其次是外部加固结构中的填充，一般利用油灰进行填充，其主要原理与基底材料的原理一致。最后是利用树脂浸泡加固板材，最终使该板材在加固部位表面形成一个稳定性高的表面。综合上述三种使用方式，不同类型的树脂与不同类型的碳纤维材料搭配使用，提高建筑结构的稳定性。一般情况下，树脂的使用方式基本固定，而其筛选选择也较固定。例如，在进行标准湿层的树脂粘合表面施工时选择材料要注意以下几点。首先是材料原本的特性，因为树脂粘合材料最终应用于工程中属于混合材料，所以需要确保各部分材料可以混合在一起。其次是材料的固化程度，一般情况下要求树脂材料可在室温下固化。在使用时，树脂材料与混凝土或者水泥表面粘结时要注意其粘结时间和固化时间是否符合使用标准。最后是树脂材料的物理特性，即在考虑时主要根据对周围环境的考察、被粘合材料的性质等[3]。

3.2 碳纤维加固建筑结构的主要步聚

建筑结构加固工程内容主要分为以下几点。首先是加固工程中方案的选择。加固工程方案的选择主要是基于需要加固的范围和加固结构周围的环境进行选择。其中，加固的方案中所包含的内容不仅仅是操作的流程，还包括材料的选择、施工队伍的招标、工程预算报价等内容。其次是针对加固范围的准备工作。在加固范围的准备工作中，首先应该考虑到建筑结构本身的材料、年限等内容。另外，在所需要考虑的内容中，需要加固部分的受力方式是主要参考内容。

对该建筑的基本情况进行考察后需要实施清理工作。清理工作同样属于前期准备工作。不同的建筑环境，所需要清理的方式不同。针对混凝土表面的孔洞来讲，可以利用磨损或者环氧砂浆填充的方式进行。如果孔洞的面积较少，可以利用简单的磨平技术。如果孔洞的范围较大，可以利用环氧砂浆填充的方式填补。针对加固表面的腐蚀情况，需要查明腐蚀的深度。例如，混凝土表面发生腐蚀的现象时，还需要探查其中钢筋是否也发生腐蚀的情况。在对腐蚀情况大致了解之后，可以利用去除腐蚀物的技术清理表面。最后，在加固表面还可以存在一些油污、或者尘土等，通过简单的手法去除即可。一般来讲，前期的清理工作主要为了保证后期在粘合的过程中不会因为一些表面的杂污而出现粘合力下降的情况[4]。

建筑结构加固工程的第二步是粘合基底部分。首先应该判断加固表面是否存在不平整的地方，或者存在裂缝的地方。其中，对待表面出现裂缝问题时需要格外谨慎，这直接关乎到加固材料与建筑结构的粘合程度。针对大的裂缝，一般采用树脂进行粘合。针对小的裂缝，采用一些简单的磨平技术就可以完成。其次，粘合碳纤维基底。在这一部分选择碳纤维基底时，可以根据加固的范围进行选择。不同的形状加固表面，针对的是不同碳纤维基底。例如，针对范围较大的部分，可以利用片状碳纤维材料进行粘合。在这一过程中，主要利用树脂与碳纤维材料，进行基底的粘合。和上述步骤有异曲同工之妙的部分时，针对树脂表层和碳纤维表层同样需要进行灰尘的清理工作。一般来讲，为了提高效率可以利用高压水枪或者高压的空气进行清理[5]。

建筑结构加固工程的第三步是底胶的涂刷。底胶的种类较多，其组成材料种类也较多。从功能的角度来讲针对不同的结构加固部分采用不同的底胶。例如，承重结构和其他基础结构部分的底胶使用种类就大不相同。从底胶的材料来讲，目前常用的材料依旧是碳纤维材料。在进行底胶的涂刷时，首先要根据当时的用量进行调整。针对底胶来讲，次日使用的底胶和当日使用的底胶其效果相差较大，因此现配现用的底胶应该及时使用。其次，底胶涂刷完毕后要等其自然晾干，避免其表面出现不平整的问题。一旦底胶的表面出现不平整的问题，需要及时用剩余的底胶刷涂平整。另外，需要注意的是，针对不同的季节，底胶的刷涂厚度也不同，在天气寒冷的季节，底胶不宜涂刷过厚。

建筑架构加固工程的第四步是粘合碳纤维材料。一般利用碳纤维片进行加固，针对不同的位置碳纤维片的粘合方式不同，标准也不同。例如，仅仅需要单片粘合时，碳纤维片的厚度会低于多片粘合的情况。针对不同的贴合方式，其垂直距离也不相同。因此，需要根据相应的标准，划分好相应的贴合范围再进行施工。施工前要检查碳纤维片的质量，例如在运输的过程中是否发生损坏或者弯曲的情况。在粘合碳纤维材料的步骤完成之后，需要利用滚轮将碳纤维片和底层之间的空气排除干净，保证两者粘合的紧密度。另外，除了碳纤维片之外，其他碳纤维材料（如短纤维材料等）也是常用的材料，一部分材料需要和其他材料一起混用，另一部分材料仅仅利用树脂进行贴合即可。另外，棒状的碳纤维材料也是常用的材料之一。相较与钢筋来讲，在某些加固部位其可以替代钢筋进行加固。不同于片状的加固材料，棒状的碳纤维材料对结构的支撑作用更强。

建筑结构加固工程的最后一步主要是对加固部位的养护。在粘贴碳纤维板之后，需要经过一定的风干静置过程，待树脂初凝固之后，可以贴塑料膜等材料进一步保护加固部位的平整度和免外界伤害。最后进行养护步骤，养护的目的主要为了提高碳纤维材料的强度，可以根据不同的气温情况，决定养护的时间。另外，某些加固部位可能需要防火处理，在树脂初干之后可以涂抹防火涂层，对加固部位起到保护作用。

4 结束语

随着外界环境的侵害，或者建筑过程中未考虑到实际的受力环境等，基础建筑结构需要在原有的基础上进行加固。目前，常用的加固手段较为固定，而加固所用的材料一直处于升级的状态。其中，常用的碳纤维材料虽含碳量高达90%，但其仍旧属于复合材料。为了进一步使材料符合建筑材料使用标准，加固碳纤维材料具有较好的物理性能。不过，目前的碳纤维材料种类依旧较为局限，需要开发出性能更高的材料，以此来适应建筑加固工程的发展。