既有建筑结构加固改造中碳纤维复合材料的适用性与施工工艺研究

引言

随着城市化进程的推进，大量既有建筑因服役年限增长、功能需求变化或结构损伤，面临加固改造的迫切需求。传统加固方法存在施工复杂、自重增加、耐久性不足等局限，难以满足现代工程对高效、轻量化、长寿命的要求。碳纤维复合材料以其高强度、轻质、耐腐蚀、施工便捷等显著优势，为既有建筑加固提供了新思路。深入研究其适用性与施工工艺，对提高加固效果、降低工程成本、促进建筑业可持续发展具有重要的现实意义。

一、碳纤维复合材料的材料特性与加固机理

1.1 碳纤维复合材料的组成与性能

碳纤维复合材料由碳纤维与基体树脂复合而成。碳纤维作为增强体，承担主要受力作用，其排列方式决定材料的方向性力学特征；基体树脂起粘结与保护作用，将碳纤维形成整体并传递应力。该材料具有显著的力学优势，抗拉强度远超传统钢材，弹性模量与混凝土接近，且密度仅为钢材的五分之一左右，可实现结构轻量化加固。在耐久性方面，碳纤维化学稳定性强，不易受酸碱腐蚀与电化学锈蚀，基体树脂的密封性进一步阻断了环境侵蚀路径，但在极端高温下可能出现性能衰减。

1.2 碳纤维复合材料加固机理

受拉加固中，碳纤维复合材料通过与原结构协同受力，分担构件所受拉力，借助高强度特性延缓原结构屈服，提升整体承载能力。受剪加固时，其通过环向或斜向粘贴形成约束作用，限制构件剪切变形，增强截面整体性，同时抑制裂缝开展，优化剪力传递路径。抗震加固则利用材料的高延性与耗能能力，在结构变形过程中通过自身拉伸与界面摩擦吸收地震能量，减少主体结构损伤，且其轻质特性可降低地震作用下的附加惯性力，改善结构动力响应。

1.3 碳纤维复合材料施工工艺研究现状

在碳纤维复合材料施工工艺研究方面，国外始终走在前列。以美国、日本等为代表的国家，凭借先进的自动化设备，实现了碳纤维材料的精准裁剪与高效粘贴。例如，美国研发的自动化铺丝设备，能依据预设程序，将碳纤维丝束精确铺放于结构表面，极大提升施工效率与质量稳定性，减少人工操作导致的误差。同时，国外对施工环境控制极为严格，通过精准调控温度、湿度等参数，确保胶黏剂固化过程稳定，保障碳纤维与结构基体的粘结效果。在施工设备方面，多数施工单位依赖人工操作，施工效率较低，且质量受工人技术水平影响较大。在质量检测手段上，尝试引入无损检测技术如超声检测、红外热像检测等，用于评估碳纤维粘贴质量，但技术成熟度和普及程度有待提高。

二、既有建筑结构中碳纤维复合材料的适用性分析

2.1 混凝土结构加固中的适用性

碳纤维复合材料在混凝土结构加固中展现出较强的适配性。对于受弯构件如梁、板，其可通过粘贴于受拉区直接承担拉力，弥补混凝土抗拉性能不足的缺陷，尤其适合因配筋不足导致的承载力下降问题，且不会显著增加构件自重。在柱体加固中，环向包裹的碳纤维能形成约束效应，限制混凝土横向变形，提升其轴压承载力与延性，对因耐久性退化出现酥裂、剥落的柱体修复效果显著。针对节点部位，碳纤维可灵活裁剪成复杂形状，通过多向粘贴增强节点核心区的抗剪能力，改善结构传力性能。

2.2 钢结构加固中的适用性

碳纤维复合材料在钢结构加固中主要适用于受拉构件与局部补强场景。对于承受轴向拉力的钢构件，粘贴碳纤维可直接提高其承载能力，且施工过程无需动火，避免了高温对钢材性能的影响，尤其适合既有建筑中不便焊接的加固部位。在钢结构节点加固中，碳纤维能贴合构件表面形成补强层，分散应力集中区域的荷载，延缓疲劳破坏。但由于碳纤维受压易发生屈曲，其在钢结构受压构件加固中的应用受限，通常需与其他措施配合使用。

2.3 特殊环境下的适用性

碳纤维复合材料在水中的耐水性较好，在潮湿的环境选择碳纤维复合材料优势明显，基体树脂能够阻止水分入侵，避免发生钢筋的锈蚀现象，但在施工时要求基层干燥，否则会造成粘结层空鼓；在强腐蚀环境中，例如在化工车间和沿海地区，在潮湿的情况下选择碳纤维复合材料是首选，这种环境下碳纤维复合材料的耐化学腐蚀性有利于碳纤维加固材料替代传统的防腐加固材料，但长期放置在强腐蚀介质环境中应当进行防腐保护。在高温环境条件下，高温会破坏树脂，引起树脂软化，强度降低，所以使用碳纤维复合材料时，要注意温度不能太高，在消防要求较高的场合，需要进行防火包裹处理，或者采用耐高温树脂基体的碳纤维复合材料能够安全使用。

三、碳纤维复合材料加固的施工工艺

3.1 施工前准备

开工前应对结构进行全面测绘，并测出结构构件损坏程度和受力情况，以便得出应加固范围及碳纤维布或板铺设的具体方法。在材料准备过程中需注意检查碳纤维布或板的型号、尺寸，确保碳纤维布或板的性能指标与设计一致，检查其配套的胶黏剂的有效期和存放情况，不得采用过期变质的胶黏剂。对结构表面障碍物进行处理，将妨碍施工的障碍物清理，对混凝土结构突出的不规则物应进行剔凿处理，使工作面表面平整，且应对施工前天气状况、气温和湿度影响施工情况下的胶黏剂配合比以及使用时机进行调整，并架设临时遮蔽防护网等，避免外界因素的施工干扰。

3.2 关键施工工序

结构表面处理是直接影响到加固质量的关键工艺，应采用机械打磨的方法去除结构表层的浮浆和疏松层等，露出实体基层，用高压吹气将粉尘吹掉，如有裂痕或空洞，采用填补胶填补找平，使碳纤维与基层贴合紧密。碳纤维裁剪时要按设计尺寸下料，尽量保证边缘不漏毛不折皱，对于曲面及角边的材料应提前裁成相应形状，碳纤维粘贴前，应先在基层上涂刷均匀的底胶，待底胶固化后涂刷结构胶后铺贴碳纤维材料，按设计要求的方向刮铺，刮板用力刮压，直至排出气泡，结构胶浸润材料充分，搭接长度也应满足设计长度要求，以保证受力的连续性。

3.3 施工质量控制与验收

加强对每道工序的旁站管控，比如基层处理后的平整与洁净、胶黏剂涂刷均匀性、碳纤维铺设平整、无皱褶、无空鼓；粘贴合格后，进行敲击，检测粘结质量，空鼓超标及时剥粘重贴；固化养护应控制环境温度，严禁阳光曝晒和雨水冲刷，养护时间应符合胶黏剂固化时间的要求。重点对碳纤维材料铺设方向、搭接长度和粘贴质量的验收，表面应平整顺直，无翘边且应有材料进场检验及施工记录，并全过程可追溯，满足加固工程的质量要求。

在既有建筑结构加固改造中，碳纤维复合材料（CFRP）因高强度、轻质等特性应用广泛。其在混凝土结构的梁、板、柱及节点加固中适配性强，能提升承载力与延性；用于钢结构受拉构件及节点补强效果佳，但受压适用性受限。特殊环境下，潮湿、腐蚀环境中表现良好，高温环境需做防护。施工时，需做好前期检测与材料准备，注重基层处理、裁剪粘贴、固化养护等关键工序，加强质量控制与验收，以保障加固效果。

参考文献

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