碳纤维复合材料在土建结构加固中的技术应用分析

【摘要】在当前土建结构中开始推广利用碳纤维复合材料，因为该材料质量较轻，同时具有较高的强度，使用过程也比较简单。本文主要分析了碳纤维复合材料在土建结构加固中的应用，对实际施工发挥出参考作用，保障土建结构加固效果。

关键词：碳纤维复合材料；土建结构；加固施工；技术应用措施

随着我国城镇化进程的加快，大量的老旧建筑逐渐呈现出明显的老化现象，使得整个建筑的承载能力不足，急需对其进行相应的加固处理。由于碳纤维复合材料优异的力学特性和简便的施工工艺，已被大量用于结构加固中，所以施工单位应该加强对碳纤维复合材料的研究，并掌握其技术运用方式，保证其加固工程的质量，提高其服役年限。

一、碳纤维复合材料性能和加固机理

该材料主要是碳纤维的增强作用，同时将树脂材料作为基体，整体材料的强度较高，同时具有防腐性和抗拉强度等优势，正是因为碳纤维复合材料具有显著的力学性能，因此在加固施工中推广利用。

在加固施工中，碳纤维复合材料综合利用环氧树脂胶和基体，形成粘结界面，利用材料协同变形传递应力。当结构承受应力的时候，基体向碳纤维复合材料传递荷载，该材料承担拉应力，可以使整体结构的承载力得以提升【1】。界面粘结性能直接关系到碳纤维复合材料的加固效果，当粘结强度超过4.5MPa之后，将会保障加固的可靠性。

二、碳纤维复合材料在土建结构加固中的技术应用

（一）在混凝土构件加固中利用

1.加固设计原则

结合混凝土构件受力特点和损伤情况，根据主应力方向铺设碳纤维布，可以将材料优势充分发挥出来。针对受弯构件，需要在受拉区纵向布置碳纤维复合材料，结合承载力要求控制设计厚度，通常需要控制厚度在3mm范围内。针对受剪构件，布置过程中可以利用U型封闭方式。在加固设计过程中，需要综合分析界面剥离强度，如果剥离应力大于2.5MPa，需要采取锚固措施，界面强度因此提高。注意选择的碳纤维复合材料应变值复合标准，避免出现破坏问题。

2.施工技术要点

在施工过程中，需要提前处理基体，施工人员可以利用打磨处理基体，露出骨料之后即可停止施工，将面层平整性误差控制在2mm以内，水分含量在4%以内，将环氧树脂胶料的比例控制在3：1左右，混合3分钟或更长。在铺设碳纤维复合片材，铺设方向从中间向两端推进，施工单位需要利用橡胶滚轮压实片材，及时清除气泡，控制搭接长度超过100mm。在多层铺设施工中，施工单位需要错开相邻层在50mm以上。针对转角部位，施工单位需要采取圆弧处理措施，并且控制圆弧半径在25mm范围内。

3.质量控制措施

在工程的整个过程中都要进行质量管理。基体经过表面改性后，其拉伸强度不小于1.5MPa；配制好的环氧树脂胶要进行粘性试验，在25℃下的流动度为15s-25s。粘贴碳纤维布后，利用红外线图像对其进行检查，检查其表面的起泡及脱胶情况，其有效粘接区域要大于90%。在发生鼓包的地方，如果面积不超过100cm2，可以使用环氧树脂注浆修补；超过此面积需要清除重新粘贴。在加固处理的3d后再做拉拔试验，试件的粘接强度要超过2.0MPa。在质量验收方面，主要是对碳纤维布的布局进行检验，其中碳纤维方向的误差不能大于5°，并且在层间与重叠部分不能富集树脂。

（二）在钢结构加固中利用

1.损伤类型分析

常见的钢结构损伤包括疲劳裂纹和腐蚀以及受力变形等。通常是在应力集中区发生疲劳裂纹问题，在检测过程中可以利用超声波检测技术，如果裂纹长度没有超过150mm，可以选用碳纤维复合材料加固。在化工厂或者海港设施中经常会出现腐蚀问题，如果腐蚀减薄率在15%～30%范围内，需要进行加固处理【2】。如果构件挠度过大，很容易出现受力变形问题，适合利用碳纤维复合材料加固技术。

2.加固方案设计

在钢结构加固中利用碳纤维复合材料，一方面需要提高钢结构的承载力，另一方面，进一步研究如何提碳纤维复合材料的界面应力转移效率。为解决裂缝开裂问题，在裂缝两边用双向碳纤维复合材料，按裂缝长2.5倍的比例进行控制片材铺设宽度。

3.施工技术要求

对钢结构利用碳纤维复合材料进行加固时，应对其表层处理及周围的环境状况进行严格的控制。对钢材进行了喷砂除锈，使其表面的粗糙度处于50-100μm，并在4h之内涂刷底漆。在配制环氧树脂过程中，控制温度在23±2℃，相对湿度在75%范围内。为增强复合材料粘贴的可靠性，施工单位可以利用分段预拉方式【3】。拐角部位要进行弧形加工，其半径不少于35mm。多层施工应以4-6h为间隔时间，固化阶段，周围的气温保持在20℃～30℃之间。产品的品质检查以红外线热象仪及锤击方式进行，黏结面积要超过95%，28 d后做拉伸测试，其结合强度不得低于3.5MPa。

（三）在桥梁结构加固中利用

1.分析加固必要性

桥梁结构在长期使用过程中将会逐渐降低承载力，引发裂缝和变形等问题。需要采取碳纤维复合材料加固，才可以提高整体结构的安全性。

2.加固方式选择

针对主梁底部受拉区，可以纵向铺贴碳纤维复合材料，从而提高了整个结构的承载力。若出现局部贯穿裂纹，则采用U型缠绕法来抑制裂纹的扩展。将 CFRP缠绕于墩柱外壁，实现对墩柱的约束效应的最优控制。在剪切损伤部位，采用斜向铺设CFRP，提高了结构的抗剪承载能力。

3.施工质量控制

从材料特性、环境条件及建造技术三个方面对碳纤维复合材料梁桥进行了全面的评价。在原材料的进场检查过程中，施工单位利用取样分析方式，并对其进行拉伸测试，保证其强度超过设计值95%。使用时应保持环境温度10℃至35℃。对基体表面进行了喷砂抛光，抛光后的基材表面粗糙程度为1.5-2.0mm范围内。在敷设过程中，应注意到纤维方向误差不超过5°，且重叠的宽度不小于120mm，且固化度要超过95%。施工完成后，利用红外线图像对粘接效果进行检查，粘结面积要超过90%；72h后再作拉伸测试，其结合强度不低于2.5MPa。三、碳纤维复合材料应用的建议

（一）材料性能优化

目前 CFRP的使用仍有诸多缺陷，如抗高温、结合强度较低等。在此基础上，通过对环氧树脂进行改性处理，并将其与纳米氧化铝等结合利用，达到改善其抗温的目的。为了改善两种材料的结合性能，可以采用一种新的方法，一种是采用表面处理技术，另一种是改善纤维束浸渗过程，有利于提高粘结强度。例如在工程施工中可以利用高模量碳纤维，可以有效控制变形问题。此外可以利用预应力碳纤维板，可以对界面应力分布给予优化。

（二）改进施工工艺

采用等离子体净化方法对基体进行处理，使其具有最佳的表面活性。在此基础上，提出了一种基于可视化张拉控制机系统，该系统不仅能实现精确的张拉，而且能对测量结果进行精确的测量。采用智能控温自动固化系统，有效地改善了固化过程中的升温过程，保证了固化程度的均匀。

结束语：

本文分析了土建结构加固中碳纤维复合材料的应用，可以对实际应用提供参考，保障整体加固效果。在今后发展过程中，施工单位需要改进相关材料性能，加大力度创新相应的施工技术，增强碳纤维复合材料的实用性和环境适应性，更好地完成土建结构加固任务。

参考文献：

[1]熊洁，余豪，杨人焱，等.玻璃纤维复合材料对建筑地下连续墙性能的影响[J].合成纤维，2025，54（03）：88-91.

[2]高钰堤，孙成文，卓景舒，等.碳纤维增强树脂基复合材料本构模型研究进展[J].上海航天（中英文），2025，42（01）：68-81.

[3]陈亮子，唐珊珊，王天立，等.高强中模碳纤维复合材料表面高速进给铣削材料去除机理研究[J].表面技术，2025，54（04）：151-164.