碳纤维复合材料在古建筑木结构加固中的应用-建筑职称网建筑职称期刊查询交流服务平台

作者:刘文涛，来源：编辑部的故事，更新时间：2025-12-16 14:25:33

关键词：加固技术,古建筑木结构,易腐蚀,木材材料,碳纤维复合材料,建筑论文范文

摘要：古建筑作为中华民族灿烂文化的重要组成部分，其保护和修缮应遵循真实性和修旧如旧原则。传统的木结构修缮加固方法会对古建筑的原貌及木材材料自身造成一定程度的破坏，且不易更换与维护。碳纤维复合材料（CFRP）具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀以及抗疲劳、易于加工等特点，越来越多地被用于木结构古建筑的加固中。该文介绍了CFRP的特点与发展，综述了其在古建筑木结构加固领域的应用现状及存在的问题，为古木结构的修复加固提供一定的参考。

关键词：加固技术,古建筑木结构,易腐蚀,木材材料,碳纤维复合材料

中国具有悠久的历史和灿烂的文化,而古建筑是这辉煌的古代艺术文化中最具有魅力的一部分｡古建筑是历史的见证,被誉为是“立体的教科书”和“现成的博物馆”｡中国古代建筑以木结构为主,由于建造年代久远,这些历史建筑经受了荷载的长期作用和各种外界环境的影响,加之木材材料本身存在着易腐蚀､易燃烧等缺陷,使得古建筑出现了不同类型和不同程度的破坏｡木结构的主要破坏类型有构件开裂､木材糟朽､挠度过大和节点拔榫等｡中国传统木结构的加固和处理方法主要有剔补､包镶和墩接法等[1],传统的一些加固方法会对木构件自身造成一定的锈蚀和化学腐蚀等问题,影响古建筑的原貌｡材料科学技术的不断发展和进步,推动了新材料的研发与应用,增强了材料的性能和耐用性,为古建筑的维修与加固提供了更多可能性｡其中,碳纤维复合材料(CFRP)因其具有较高的强度､良好的耐候性､抗腐蚀性和抗疲劳性,以及设计方便､施工便捷等优点,获得了较快的发展和应用｡

1、碳纤维复合材料的特点与发展

碳纤维复合材料是一种通过热处理有机纤维制成的无机高性能纤维,其碳含量超过90%｡它不仅具备碳材料的固有特性,还具有纺织纤维的柔软性和可加工性,是一种力学性能卓越的新一代增强纤维｡碳纤维经表面处理后,与基体材料(如环氧树脂､酚醛树脂､聚酰亚胺等)一起置于高温环境中,随着温度升高,基体材料逐渐熔化,熔化的基体材料开始浸润碳纤维,填充纤维之间的空隙,基体材料充分浸润碳纤维后,逐渐降低温度,使基体材料凝固,形成坚固均匀的复合材料｡因此,碳纤维复合材料具有优异的力学性能和其他良好的特性｡

(1)轻质高强｡碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体组成,碳纤维本身具有极高的强度,而树脂基体则起到粘合和传递载荷的作用｡碳纤维和树脂基体的力学性能相互匹配,使得复合材料在承受载荷时,能够将载荷有效地传递到整个材料中,从而提高了材料的整体强度｡碳纤维复合材料的相对密度较低,意味着在相同体积下其重量较轻,从而提高了材料的刚度｡碳纤维的密度非常小,不到钢的1/4,这使得碳纤维复合材料具有极高的比强度(材料的强度与其密度之比),可达到2000MPa/(g·cm-3)以上,远高于普通钢材｡

(2)耐腐蚀性｡碳纤维本身具有很高的化学稳定性,不易与酸､碱､盐等腐蚀性物质发生反应｡同时,树脂基体也能在一定程度上隔绝外界环境,进一步保护碳纤维不受腐蚀｡因此,碳纤维复合材料整体表现出较好的耐腐蚀性,使其在恶劣环境下仍能保持高强度和高刚度｡

(3)耐疲劳性｡碳纤维复合材料抗疲劳的原因在于其独特的结构和组成｡碳纤维本身具有高强度和良好的弹性模量,而基体材料(如树脂)则提供了良好的韧性和粘接性能｡在疲劳载荷作用下,碳纤维能够承受较大的应力,而基体材料能够有效地分散应力,减少应力集中,从而降低疲劳损伤｡此外,复合材料中纤维与基体间的界面结合能够阻止裂纹的扩展,延长材料的使用寿命｡

(4)热稳定性｡碳纤维复合材料具有很高的热稳定性,而树脂基体经过特殊处理也能在高温下保持稳定,两者的结合使得复合材料能够在高温下保持结构和性能稳定｡

(5)可设计性强,施工方便｡碳纤维复合材料质量轻,便于搬运,易于裁剪和粘贴,可裁剪定制,施工速度快,适应性强,无需大型设备｡

碳纤维复合材料起源于20世纪50年代,英国科学家开始研究碳纤维,他们通过将聚丙烯腈(PAN)纤维在惰性气体中加热至高温,制得了碳纤维｡20世纪60年代,美国开始大量研究和应用,碳纤维开始被应用于航天和军事领域,因其高强度､低密度和耐高温的特性,被用于制造火箭发动机的喷嘴和导弹的外壳｡20世纪70年代,日本在碳纤维生产技术上取得重大突破｡20世纪80年代,碳纤维复合材料在航空航天领域得到广泛应用｡20世纪90年代,随着碳纤维复合材料生产成本的降低,其应用逐渐拓展到体育用品､汽车制造等领域｡21世纪初,我国在碳纤维复合材料研发和生产上取得显著进展,推动了该材料在新能源､高端制造等领域的应用｡随着碳纤维生产技术的不断进步和成本的进一步降低,碳纤维复合材料开始应用于更广泛的领域,如汽车､船舶､高铁和可再生能源等｡

2、古建筑木结构的破坏形式及加固原则

中国古建筑以木结构为主,多使用木材等天然材料,这些材料容易受到虫害的侵袭,加之古建筑长期暴露在自然环境中,受潮､受热､受冻等气候变化影响,导致木材内部结构发生变化,从而产生虫蛀糟朽等破坏｡常见的破坏形式主要有虫蛀､糟朽､开裂､受弯构件变形､节点拔榫[2]｡在高温潮湿的环境下,白蚁､蠹虫会在木材内部啃食,使得木材出现坑洞与裂纹;木材糟朽是由真菌引起的,主要通过真菌的侵入和繁殖导致木材细胞结构破坏,从而降低木材的强度和耐久性,这种破坏一般发生在构件的端部,尤其是柱根和屋面的角梁处[3];由于在加工过程中木材水分没有完全蒸发,含水率的变化会导致木材内部应力失衡｡木材在干燥过程中,其内部水分会逐渐减少,导致木材的体积收缩｡当木材的收缩受到外界的限制时,就会产生应力,如果应力超过木材的极限强度,木材就会发生开裂｡此外,木材在吸湿膨胀过程中,如果吸收的水分过多,也可能因为膨胀不均匀而导致开裂｡在荷载的长期作用下,由于木构件老化､过度使用等原因,木构件就会出现挠度过大､节点拔榫等破坏｡

古建筑木结构修缮加固应遵循真实性原则和修旧如旧原则[4]｡真实性原则是指在修复过程中必须要尊重原建筑的历史､文化､艺术和科学价值,保持其历史原貌和特征,真实地反映其时代风格和建造技术,是古建筑修复应遵循的基本原则,主要包括背景与文脉的真实性､功能与使用的真实性以及建筑本体的真实性｡而“修旧如旧”则是指在进行古建筑修复工作时,尽量采用原有的材料､工艺和技术,保持其原有的历史风貌和艺术特征,最大限度地保留历史信息,使修复后的对象在视觉和风格上尽可能接近其原始状态,也就是保持“历史沧桑感”[5]｡对“旧”的理解是对古建筑进行修复或翻新时不改变其历史面貌和工艺特点,使其恢复到原始的健康状态,而非刻意的做旧､仿古,应使木结构古建筑焕发出其历史的美感｡

3、碳纤维复合材料在古建筑木结构加固中的应用与展望

古建筑作为人类文明的瑰宝,经历了漫长的岁月,往往遭受了风沙侵蚀､地震､台风､自然老化等多种因素的摧残｡木结构古建筑传统的修缮加固方法有替换已损坏的木构件､设置钢支撑等,这些加固方法虽然能起到一定的修复作用,但也存在一定的缺陷｡如由于钢板自身的重量较大,粘贴钢板虽然能够提高原有木构件的强度和刚度,但也存在易腐蚀和不易成型等缺点,容易对古建筑的原貌造成锈蚀,不能广泛应用于木结构古建筑的修缮加固中｡近年来,碳纤维复合材料(CFRP)材料作为一种新型的修缮加固材料,其抗拉强度高､化学性质稳定､材料重量轻､容易剪裁､施工灵活方便,开始逐渐运用于古建筑的修复加固中,不仅能够提高木结构的强度､刚度和疲劳性能,而且能够避免传统加固法对原有结构的破坏,对加固对象的结构受力和建筑风格的扰动很小,做到保存现状､修旧如旧｡

3.1应用现状

为了维持古建筑的安全性和稳定性,同时不破坏其历史价值,碳纤维复合材料成为了一种理想的加固材料｡20世纪60年代,针对传统木结构加固方法存在的施工复杂､易锈蚀､破坏古建筑原貌等问题,国外一些学者提出采用纤维材料加固木结构的构想,并进行了相关理论分析和实验研究[6]｡我国学者在20世纪末也开始展开了纤维材料加固木结构的研究,取得了较多的研究成果｡

淳庆等[7]通过抗弯性能试验结合有限元数值计算,研究了采用CFRP布加固木梁的受弯性能,结果表明,木梁经碳纤维布加固后,其抗弯承载力可以提高12.9%~34.5%,木梁的抗弯承载力明显提高｡贾彬等[8]通过8根老化损伤旧木梁的CFRP布加固试验,研究了使用不同层数的碳纤维布加固旧木梁的抗弯承载力､破坏形态以及荷载-挠度曲线,结果表明,使用碳纤维布加固旧木梁,可以显著提高木梁的受弯承载力｡袁峥[9]对一组木梁分别采用了底部受拉区粘贴一层加环箍一层､底部受拉区粘贴两层加环箍两层､底部受拉区粘贴两层不加环箍以及底部受拉区粘贴一层加环箍两层等不同的加固方式,进行了抗弯试验,并与未加固木梁进行了对比分析,结果表明:不同加固方式的木梁总体加固效果都比较好,加固后木梁的抗弯承载力和刚度都得到了很大的提高,木梁的抗弯承载力提高了26.3%~76.3%,刚度提高了13.9%~30.4%;其中,采用底部受拉区粘贴一层加环箍一层加固方式的恢复程度可以达到89.9%,基本接近原水平,可以满足实际工程的加固需要｡

碳纤维加固还可以增强木柱的受压性能｡周乾等[10]以故宫某木结构的檐柱为参考,制作了6根1:2试验柱,其中1根为完好柱,其余5根采用CFRP布墩接加固了木柱的柱根,通过静力加载试验,研究了经碳纤维布墩接加固木柱的轴压承载力｡结果表明,木柱的糟朽柱根经碳纤维布墩接加固后,其轴压承载力可提高0.2%~8.3%,且可增强木柱抵抗变形的能力,采用碳纤维布墩接加固糟朽柱根具有良好的效果｡

除了对木结构构件的加固,越来越多的学者也开展了CFRP加固残损榫卯节点的研究｡薛建阳等[11]通过振动台试验研究了残损榫卯节点经碳纤维布加固后的动力特性及抗震性能,结果表明,经CFRP布加固后,榫卯节点仍然具有良好的抗震耗能能力｡孙文等[12]采用3种不同的碳纤维布加固方式对所制作的3榀透榫木构架进行加固,并通过水平低周反复加载试验与未加固的木构件的破坏模式､节点耗能能力等进行对比分析,结果表明,不同加固方式的碳纤维布的破坏程度不一样,木框架的刚度与承载力均得到了提高,其中,双层分离式加固方式的效果最好｡王建省等[13]制作了4根直榫木梁,并分别对CFRP布加固梁与未加固梁进行了拟静力试验,结果表明,经CFRP布加固后,榫卯节点的位移显著降低,降低幅度可达20.1%,可大幅度提升结构的可靠性｡

3.2存在的问题

虽然CFRP加固技术已经广泛应用于古建筑木结构的修复加固中,且能够显著提高结构的承载力,增强结构刚度,以及具有良好的抗震性能｡但该项新技术新材料的应用也存在一定的问题｡徐恺[14]指出,目前国内外学者大多都是针对力学性能开展碳纤维复合材料加固古建筑木结构的相关研究,而忽略了碳纤维材料对于木材自身特性的影响｡CFRP具有较强的防水性,木构件经过碳纤维布粘贴包裹后,其表面透气性明显降低,而透气性对木材的含水率有着直接的影响,将导致木材自身的含水率发生变化｡含水率变化会导致木材内部应力不均,引起木材细胞壁膨胀或收缩,进而导致木材弯曲和开裂,这些都会对木构件本身造成不可逆的伤害｡另外,碳纤维布的铺设不均匀､粘结不牢固等也是加固过程中常见的问题｡因此,在进行碳纤维复合材料加固古建筑木结构时,需要严格控制施工质量,确保碳纤维布的铺设均匀､粘结牢固,并注意施工环境温度和湿度的控制｡同时,还需要加强技术人员的培训和监督,以确保施工过程的规范性和安全性｡

3.3前景与展望

碳纤维复合材料(CFRP)作为性能卓越的新型材料,其高强轻质的特性可以显著提升木结构的机械性能和耐候性｡在修缮加固时,CFRP对位置的局限性较小,能够灵活应用于木结构梁柱等构件端部以及斗拱等不同部位,施工简便,且能与传统修缮加固技术相结合｡随着对古建筑遗产保护修缮观念的日益强化以及修复加固技术的不断进步,对木结构修缮加固材料与工艺的创新提出了更高的要求｡在实施木结构古建筑修缮加固过程中,单一修复材料或技术往往难以满足各种复杂损伤机理及木构件多样性修缮需求｡因此,应当采取多种修缮材料和技术的综合应用,实现协同配合,从而更有效地保护和修缮木构古建筑｡今后,应深入开展研究并推广多种修缮加固技术的联合应用,以拓宽古建筑木结构修缮加固的技术途径,更好地应对古建筑不同损伤破坏的修缮加固需求｡

4、结语

碳纤维复合材料以其轻质高强､耐腐蚀､耐疲劳､施工便捷等特点,在古建筑木结构的加固应用中具有很大的潜力和广阔的应用前景｡采用CFRP加固木结构,不仅能够增强木梁的受弯性能和木柱的受压性能,还能够提高榫卯节点的承载能力和耗能能力｡但由于古建筑遗产自身的特殊性和唯一性,在新技术和新材料的选择和应用上应该更加小心谨慎,还需要开展更多更深入的研究和探索｡

参考文献:

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[6]王鲲.碳纤维增强材料(CFRP)加固古建筑木结构试验研究[D].西安:西安建筑科技大学,2007.

[7]淳庆,张承文,贾肖虎,等.碳纤维布加固松木梁受弯试验[J].建筑科学与工程学报,2020,37(02):71-80.

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[9]袁峥.玄武岩纤维与碳纤维加固古建筑木梁试验研究[D].济南:山东建筑大学,2024.

[10]周乾,杨娜,闫维明.CFRP布墩接加固木柱轴压试验研究[J].建筑结构学报,2016,37(S1):314-320.

[11]薛建阳,隋契,葛鸿鹏,等.古建筑木结构榫卯节点采用碳纤维布加固模型振动台试验研究[J].建筑结构学报,2012,33(08):143-148.