碳纤维复合材料在土建结构加固中的技术应用

摘 要：碳纤维复合材料（CFRP）作为一种新型结构加固材料，具有质量轻、强度高、施工便捷等优点。通过对CFRP在混凝土构件、钢结构和桥梁加固工程中的应用研究，发现CFRP能显著提升结构承载能力。实验表明，CFRP与混凝土基材间的粘结强度在4.5 MPa以上时可确保加固效果；在钢结构加固中，CFRP片材的铺设角度在45±5°范围内最佳；对于桥梁加固，采用U型包裹法能使构件抗弯承载力提升40%以上。针对当前应用中存在的问题，从材料性能优化、施工工艺改进和质量控制等方面提出了相应的技术建议。

关键词：碳纤维复合材料；结构加固；粘结性能；施工工艺；质量控制

1 前言

随着城市化进程加快，大量既有建筑物面临结构老化、承载能力不足等问题，亟需采用高效的加固技术进行修复和加固。碳纤维复合材料（CFRP）因其优异的力学性能和施工便利性，已成为结构加固领域的重要材料。相比传统的钢板加固、混凝土包裹等方法，CFRP加固具有重量轻、耐腐蚀、施工简便等显著优势。深入研究CFRP在土建结构加固中的应用技术，对于提升加固工程质量、延长建筑使用寿命具有重要意义。

2 CFRP材料性能及加固机理

CFRP是以碳纤维为增强体、树脂为基体的高性能复合材料。CFRP具有密度低、强度高、耐腐蚀性强等优势，其抗拉强度可达普通钢材的9～10倍，弹性模量为15 GPa～40 GPa，极限应变为0.015～0.017，这些优异的力学性能使其成为理想的加固材料。在加固机理方面，CFRP通过环氧树脂胶与基体结构形成可靠的粘结界面，利用材料间的协同变形实现应力传递[1]。当结构受力时，基体通过剪应力将荷载传递给CFRP，CFRP凭借高强度和高模量特性承担拉应力，从而提高结构整体承载能力。CFRP加固效果很大程度取决于界面粘结性能，实验表明粘结强度需达到4.5 MPa及以上才能确保加固可靠性。

3 CFRP在混凝土构件加固中的应用

3.1加固设计原则

加固设计原则应充分考虑混凝土构件的受力特性和损伤状况。碳纤维布的铺设方向需与主应力方向一致，确保最大程度发挥材料性能。对于受弯构件，CFRP应沿构件纵向布置于受拉区，其设计厚度由承载力提升要求确定，一般不超过3 mm；对于受剪构件，CFRP应以45°倾角或U型封闭方式布置。加固设计还需验算界面剥离强度，当剥离应力超过2.5 MPa时，应增设锚固措施。实验研究表明，增设机械锚固件可使界面抗剪承载力提升35%。根据规范要求，CFRP材料的有效应变取值应控制在0.85倍极限应变以内，以避免过早破坏。

3.2施工工艺要点

施工工艺要重点把控基体处理、胶粘剂配比和CFRP铺贴三个关键环节。基体表面应采用喷砂或打磨方式处理至露出骨料，表面平整度偏差应控制在2 mm以内，并确保含水率低于4%。环氧树脂胶的配比严格遵循3：1原则，搅拌时间不少于3 min，搅拌温度控制在20℃～30℃。如图1所示，CFRP片材铺贴时应采用由中向两端推进的方式，使用橡胶滚轮压实，避免产生气泡，搭接长度不小于100 mm。多层铺贴时，相邻层的搭接位置应错开50 mm以上，铺层间隔时间控制在2～4小时。转角处应做圆弧处理，半径不小于25 mm。施工环境温度应保持在5℃～35℃，相对湿度不超过85%。

3.3质量控制措施

质量控制措施贯穿施工全过程。基体处理后应进行附着力检测，抗拉强度不低于1.5 MPa；环氧树脂胶调配后需做粘度测试，25℃时流动度应在15 s～25 s之间。CFRP铺贴完成后采用红外成像检测排查气泡和脱胶，有效粘结面积应在90%以上。对于出现局部起鼓的区域，若面积小于100 cm2，可采用环氧灌浆修复；大于该面积需铲除重贴。加固3天后进行拉拔试验，其粘结强度应不低于2.0 MPa，且破坏应发生在混凝土基体内。质量验收时重点检查CFRP布置是否符合设计要求，纤维方向偏差不应超过5°，层间和搭接处不得出现树脂富集。

4 CFRP在钢结构加固中的应用

4.1损伤类型分析

钢结构损伤主要涉及疲劳裂纹、腐蚀减薄和受力变形三种类型。疲劳裂纹多发生在应力集中区域，通过超声波检测显示，裂纹长度在25 mm～150 mm范围内时最适合CFRP加固[2]。腐蚀减薄主要出现在化工厂房、海港设施等类似项目的环境中，当截面减薄率在15%～30%之间时需采取加固措施。受力变形则体现为构件挠度过大、局部屈曲等，实测数据表明，当梁构件挠度超过跨度的1/250或柱构件弯矩承载力下降超过20%时，应优先考虑CFRP加固。现场检测采用磁粉探伤结合超声波测厚，确保损伤程度评估准确性达到95%及以上，为加固方案设计提供可靠依据。

4.2加固方案设计

钢结构CFRP加固设计基于承载力提升需求和界面应力传递机制。对于疲劳裂纹，采用双向CFRP片材覆盖裂纹两侧，铺设宽度应不小于裂纹长度的2.5倍。腐蚀构件加固遵循等效截面原则，所需CFRP层数N通过下式计算：

N=

式中：As为原始截面面积；A's为剩余有效截面面积；fy为钢材屈服强度；bf为CFRP片材宽度；tf为单层CFRP厚度；ff为CFRP设计强度。界面剪应力τ应满足：

τ=≤[τ]

式中：V为剪力；Q为粘结面上静矩；I为组合截面惯性矩；b为粘结宽度；[τ]为容许剪应力。

4.3施工技术要求

钢结构CFRP加固施工要严格控制表面处理和环境条件。钢材表面采用喷砂处理达到Sa2.5级，表面粗糙度控制在50 μm～100 μm，处理后4小时内必须完成底漆涂刷。环氧树脂胶调配温度严格控制在23±2℃，湿度不超过75%。CFRP片材铺贴采用分段预拉工艺，预拉应力取设计强度的15%，以提高粘结可靠性。转角处应做圆弧处理，半径不小于35 mm。多层铺贴间隔时间为4～6小时，固化期间确保环境温度稳定在20℃～30℃。质量检验采用红外热像仪和敲击法，有效粘结面积应达到95%及以上，28天后进行拉拔试验，粘结强度不应小于3.5 MPa。

5 CFRP在桥梁结构加固中的应用

5.1加固必要性分析

桥梁结构在长期服役过程中会出现承载能力下降、裂缝发展和变形过大等病害。通过对145座服役15年以上桥梁的检测数据进行分析（表1），发现主梁承载力普遍下降25%～35%，部分桥梁出现Ⅲ类裂缝，最大裂缝宽度达0.35 mm。静载试验表明，47%的桥梁挠度值超过规范限值L/600，最大超限达到32%。混凝土碳化深度平均为28 mm，部分码头桥梁由于氯离子侵蚀，钢筋锈蚀率达15%。荷载等级提升和自然老化使桥梁结构性能持续退化，必须采取加固措施确保结构安全[3]。

5.2加固方式选择

针对不同类型的桥梁病害，CFRP加固采取差异化设计策略。主梁底部受拉区采用纵向铺贴提升正弯矩承载力，实测数据显示可提升35%～45%。对于裂缝贯通的区域，采用U形缠绕方式，裂缝发展速率降低85%以上。桥墩表面破损区域选用环向CFRP包裹，显著提升约束效果。剪力破坏区域采用斜向45°铺贴，提升抗剪承载力可达50%。对于早期损伤桥梁，宜采用预应力CFRP体系，预加应力水平控制在材料强度的35%。检测结果显示，U形缠绕加固方式对裂缝控制效果最佳，而预应力体系对提升整体承载能力最为有效。

5.3施工质量控制

CFRP桥梁加固施工质量控制体系包括材料性能、环境条件和施工工艺三个维度。材料进场检验时严格执行见证取样，通过拉伸试验确保实测强度不低于设计值的95%。环境温度控制在10℃～35℃，相对湿度不超过80%。基体表面处理采用水砂喷射工艺，粗糙度在1.5 mm～2.0 mm之间。施工铺设时要求纤维方向偏差控制在5°以内，搭接长度不少于120 mm，固化度不低于95%。完工后采用红外成像技术检测粘结质量，要求有效粘结面积达到90%及以上；72小时后进行拉拔试验，粘结强度不应小于2.5 MPa，且破坏应发生在混凝土层[4]。

6工程应用中存在的问题与对策

6.1材料性能优化

CFRP材料在实际应用中存在耐高温性能不足、界面粘结性能不稳定等问题。针对耐高温性能，采用改性环氧树脂基体、添加纳米氧化铝等措施，使材料耐温性从60℃提升至120℃。界面粘结性能通过开发新型表面处理剂和改进纤维束浸润工艺得到优化，实测粘结强度提升35%。研制出高模量碳纤维（E＞350 GPa）并实现工程化应用，有效解决了大跨度结构变形控制难题。开发双向预应力碳纤维板，横向预应力水平为设计值的20%，显著改善了界面应力分布[5]。

6.2施工工艺改进

施工工艺优化主要集中在基体处理、铺贴工序和养护措施三个方面。基体处理引入等离子清洗技术，处理效率提高2倍，表面活性提升40%。研发可视化张拉控制系统，实现预应力精确施加，误差控制在±2%以内。采用智能温控自动化固化系统，通过闭环反馈调节固化温度，使固化度均匀性提升至95%及以上。开发真空辅助铺贴工艺，气泡率降低至0.5%及以下。改进多层铺贴工艺，采用交错布置方式，层间应力集中降低45%。创新养护方案，研制智能温湿度控制舱，确保固化环境稳定，固化时间缩短30%，固化质量显著提升。

6.3质量检测方法

传统质量检测方法存在效率低、可靠性不足等问题。研发基于深度学习的红外热像检测系统，缺陷识别准确率达到98%，检测效率提升3倍。开发便携式电磁超声检测仪，可实现粘结界面完整性的快速评估，检测深度达到15 mm。引入光纤传感监测技术，实现加固结构全寿命周期的动态监测，应变测量精度达到1 με。建立基于声发射的早期损伤预警系统，可提前72小时预警界面剥离风险。研制新型拉拔试验装置，采用径向加载方式，使检测结果更接近实际受力状态。

7结论

通过对CFRP在土建结构加固中的应用研究，证实了CFRP具有显著的加固效果。实验数据表明，合理选择CFRP材料规格、优化施工工艺、加强质量控制是确保加固效果的关键。针对目前存在的粘结性能不稳定、施工质量难控制等问题，建议从改进材料性能、优化施工工艺、完善质量检测等方面着手解决。同时，应加强CFRP在特殊环境下的耐久性研究，建立更为完善的设计理论和施工规范，为CFRP在土建结构加固工程中的推广应用提供技术支撑。

参考文献

[1]李帅.土建施工中混凝土结构加固技术探究[J].建材发展导向，2024，22（19）：35-37.

[2]岳永兵.纤维增强复合材料在土建结构加固工程中的应用[J].合成材料老化与应用，2024，53（3）：74-76.

[3]王汉民.纤维增强复合材料在土建结构加固工程中的应用[J].合成材料老化与应用，2022，51（4）：135-137.

[4]陆智斐.土建领域中的纤维复合材料应用现状及前景展望[J].合成材料老化与应用，2022，51（4）：118-120.

[5]张武村.浅谈碳纤维加固技术在土建工程中的应用[J].建材与装饰，2017（31）：10-11.