古代木结构建筑修复中的新型材料应用研究

　　摘 要：中国的古典建筑以其深厚的文化底蕴和独特的结构形式闻名于世，木结构建筑又作为古建筑的主流形式发展并保存至今。然而木材作为生物材料，在自然环境及人为因素作用下，易发生变形、腐蚀甚至破坏，故对古代木结构建筑进行科学的修复和保护具有重要的意义。从大量木结构修复新技术、新材料出发，探讨现代修复技术在古代木结构修复中的应用，为今后木结构的修复与维护提供合理的依据。

　　关键词：古典建筑 木结构 修复技术

　　中图分类号：TU53 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）012-005-02

　　1木结构建筑现状与修复原则

　　中华五千年历史源远流长，是一部文化的发展史，更是中国建筑的发展史。作为古典建筑中重要组成部分的木结构建筑，以其独特的特点和良好的使用性，从古至今一直为我国及东南亚等国家喜爱，在人民的生活生产中发挥了不可替代的作用。但是在外部环境作用，众多木建筑千百年来在地震、大风、火灾、雷电和人为因素的作用下，发生变形破损甚至坍塌。故对木结构建筑进行修复加固意义重大，造福子孙后代。在维护建筑的使用性能的同时，能更好的恢复其文化底蕴，“曾修益完”是木结构修复的主要目的。

　　《古建筑木结构维护与加固技术规范》GB50165-92中规定：古建筑的修复与加固，必须遵守不改变文物原状的原则。同时在维修古建筑时，应保存原来的建筑形式、原来的建筑结构、原来的建筑材料以及原来的工艺技术等原则，即不改变原建筑风貌下，维护加固木结构建筑。相比较传统修复技术而言，现代木结构修复技术有其独特的优点和更大的发展空间。

　　2现代修复技术在木建筑修复中的应用

　　对于特大或稀有木种和木结构文物古迹，在木结构的修复过程中不可能大面积用新材替代，所以对木构件破损部位进行部分修复和加强木构件节点是现代木结构修复的主要方面。同时随着材料科学的发展，新型修复材料的引入，在保证木建筑原貌的前提下，提高了修复后木结构构件的力学性能和使用寿命，目前大量应用于实际工程中木结构修复的新型材料有：碳纤维增强材料、玻璃纤维增强材料、玄武岩纤维和化学加固等，以下对不同材料的性能和优点进行分析。

　　2.1碳纤维增强材料（CFRP）在木结构修复中的应用

　　考虑到木结构弹性模量低、形变大等本身材质缺点，为使修复后木结构满足建筑使用荷载的要求，可通过木结构与复合高强材料的复合来实现。CFRP为碳纤维增强材料，其力学性能如表1所示。

　　表1 结构工程中碳纤维材料与钢材力学性能对比

　　由表1可知，碳纤维材料具有很好的力学性能，其比强度约为HRB400钢材的20倍到50倍，所以碳纤维材料大大的减轻了其自重对结构的不利影响，当与木结构共同作用下，可以大大提高木结构的力学性能。并且基于碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，在现代木结构修复中被大量采用。

　　碳纤维材料在实际工程中多以碳纤维布的形式应用于木结构修复加固中，其施工工艺流程如图1：将需要修复加固的木结构构件表面清洁处理后，涂刷基底树脂，然后将碳纤维布黏贴在木构件表面并用辊子挤压密实，赶出气泡，经处理后的木结构构件如下图所示。同时在实际工程中考虑构件修复加固后的耐久性问题，必须在经修复加固后的纤维布外表面涂刷防护层。

　　以山西应县木塔为例，该木塔又称佛宫寺释迦塔，建于辽清宁二年（1056），塔高67.31米，由于年代久远，木塔构件老旧失效，在地震、强光和风振的作用下发生严重破坏，20世纪90年初开始对木塔进行修复，对破损的木柱子及梁柱节点处采用碳纤维布处理修复加固技术，现已基本完成木塔的修复加固及维护工作，修复后的应县木塔如图2所示。

　　2.2玻璃纤维增强材料（GFRP）加固修复木结构

　　玻璃纤维增强材料（GFRP）的力学性能及施工方法类似于碳纤维增强材料（CFRP），由前面论述可知，CFRP力学性能好，强度高，并具有良好的耐腐蚀性能，但由于其约束矩形截面柱时，其强度往往不能充分发挥，造成不必要的浪费，从经济角度考虑，在一定的实际工程中应用玻璃纤维具有一定优势。将玻璃纤维布按照规定黏贴在木构件表面修复受损的木构件（其施工工艺流程与碳纤维布同），有效的提高木构件修复后的力学性能和耐久性能，基于种种优点，玻璃纤维增强材料广泛的应用于木结构修复加固中。

　　2.3连续玄武岩纤（CBF）在木结构修复中的应用

　　连续玄武岩纤维（CBF）是一种新型无机纤维材料，不仅具有良好的力学性能、耐酸碱腐蚀性，而且具有几何可塑性大，轻薄易剪切等特点。经玄武岩纤维布（BFS）处理后的木结构构件不影响木结构原来外观，施工操作简便，对原结构构件破坏小，目前已广泛用于木结构构件的修复加固中。

　　玄武岩纤维布的施工程序为：在黏贴纤维复合材料以前，对木构件表面进行表面处理，并且找平表面，使其不能有明显的凹凸痕迹；然后黏贴纤维布，并顺纤维受力方向挤出气泡，同时为避免有害物质的侵入造成木构件的破坏延长使用寿命，需在最后一层纤维布表面上涂抹树脂。

　　木构件黏贴BFS加固木构件是利用其良好的力学性能，可以提高对木构件侧向的约束。玄武岩纤维布（BFS）加固木构件的方式如图3所示，分为连续黏贴和分段黏贴。加固按施加侧压力的不同，分为被动加固法和主动加固法两种。被动加固法是直接用环氧树脂BFS布带连续缠绕黏贴在木构件上；主动加固法是事先将预制好的BFS套在木构件上，将BFS和柱子之间的空隙用高压注入环氧树脂浆，以大袋主动施加柱子侧压力的效果。

　　2.4木结构构件化学加固

　　木材属于天然材料，容易在分潮湿环境下发生腐败，同时也因内部虫蛀形成中空部分。这种情况下，可根据实际情况，去除木构件破坏部分后，选择化学试剂（多采用不饱和聚树脂）灌注加固。随着现代检测技术的发展，配合使用超声波等精密仪器，可以检测出不易用肉眼发觉的木材损伤部分，更全面准确的对其进行化学加固修复。经化学修复加固后的木结构构件，外部状态较原貌差别不大，并具有良好的耐腐蚀性能，大大提高木建筑的使用年限。相关文献指出，徐州戏马台建筑群之一的风云阁的木柱经化学加固处理后，经过10年仍然没有发现问题，说明现代化学加固方法在木结构建筑中具有良好的效果。

　　3古典木结构建筑修复的未来发展

　　目前我国大量的古代木结构建筑急需加固维护，从业人员人数严重不足、技术水平参差不齐，都是阻碍木结构修复技术发展的主要原因。随着科学技术水平及材料科学的发展，未来将会有更多的新型材料应用于木结构建筑的修复中，从业人员的技术水平也讲有很大程度的提高，施工工艺将会更方便快，这些都将对我国广阔的木结构修复市场产生的巨大的影响。

　　4结论

　　（1）相比较嵌补、剔补和支撑加固等传统修复加固建筑技术，现代新型修复材料和修复技术的应用在更好的满足木建筑外观要求的前提下，保证了木结构的力学性能和耐久性能，提高木结构建筑的使用寿命。

　　（2）碳纤维增强材料、玻璃纤维增强材料、玄武岩纤维和化学加固等新型木建筑修复材料，基于其良好的力学性能，轻便高效、易于操作等特点，已广泛应用于木结构的修复加固中，并有十分广阔的发展前景。

　　（3）随着材料科学的发展，越来越多的木结构修复技术将兴起发展，对古代建筑的修复和维护具有重要的历史意义。

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