China hat in der Forschung und praktischen Anwendung von Strukturverstärkung und -festigung mit Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen bedeutende Fortschritte gemacht. Zu den im Ingenieurwesen üblichen Methoden gehören Querschnittsvergrößerung, Stahlummantelung, Vorspannung, Stahlplattenverklebung und Kohlenstofffaserverbundverklebung. Traditionelle Verstärkungsmethoden sind im Allgemeinen veraltet und beinhalten komplexe Konstruktionsprozesse und -techniken, die sich auf das Gewicht und die Nutzfläche der Struktur auswirken können. Im Gegensatz dazu bietet die Kohlenstofffaserverbundverklebung Vorteile wie hohe Festigkeit, Effizienz, Korrosionsbeständigkeit, einfache Konstruktion und keine Vergrößerung der Strukturabmessungen, weshalb sie in Ingenieurprojekten weit verbreitet ist.

1. Prinzipien der Kohlenstofffaser-Verbundverstärkung

Die Verstärkung von Betonstrukturen mit Kohlenstofffasern ist eine moderne Methode, deren Erforschung in den 1980er Jahren begann und die 1996 in China eingeführt wurde. Sie erregte schnell Aufmerksamkeit in der Ingenieursgemeinde und entwickelte sich zu einem heißen Forschungs- und Anwendungsthema. Bei dieser Methode werden Kohlenstofffaserverbundstoffe auf die Oberfläche von Betonstrukturen geklebt, wodurch ihre Festigkeit und Leistung durch die Zusammenarbeit der Fasern und der Struktur verbessert werden.

2. Kohlefaserverbundwerkstoffe

Die wichtigsten Materialien, die zur Verstärkung und Reparatur von Betonstrukturen mit Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen verwendet werden, sind Kohlenstofffasergewebe und kompatible Harze. Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe sind für ihre hohe Festigkeit, ihren hohen Elastizitätsmodul, ihr geringes Gewicht und ihre ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bekannt. Ihre Zugfestigkeit ist etwa zehnmal höher als die von gewöhnlichen Stahlstäben. Zu den kompatiblen Harzen gehören Basisharze, Ausgleichsharze und Bindeharze. Diese Harze verbessern die Bindungsqualität der Kohlenstofffasern und helfen, mit dem Beton einen Verbundwerkstoffkörper zu bilden, wodurch die Biege- und Scherfestigkeit der Struktur verbessert wird.

2.1 Kohlenstofffasergewebe

Kohlenstofffasergewebe können anhand ihrer Rohstoffe in PAN-basierte, Viskose-basierte und Asphalt-basierte Gewebe eingeteilt werden. Sie unterscheiden sich auch in der Spezifikation, darunter 1K-, 3K-, 6K-, 12K- und 24K- oder größere Kohlefasergewebe, und im Karbonisierungsprozess in graphitierte, karbonisierte und voroxidierte Gewebe. Darüber hinaus unterscheiden sie sich in den Webverfahren, z. B. gewebte, gestrickte, geflochtene und vorimprägnierte Gewebe.

2.2 Verbindungsmaterialien

Es gibt drei Arten von Klebstoffen, die zur Verstärkung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen verwendet werden: Grundierung (Basisharz), Reparaturharz (Ausgleichsmaterial oder Kitt) und Imprägnierharz. Die Grundierung stärkt die Betonoberfläche und verbessert die Bindung zwischen Beton und Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen. Das Reparaturharz gleicht die Betonoberfläche aus und erleichtert die Haftung von Kohlenstofffaserplatten. Das Imprägnierharz bindet die Kohlenstofffasern untereinander und an den Beton und bildet so ein Verbundmaterial, das äußeren Kräften standhält. Die Leistung des Imprägnierharzes ist für die wirksame Verstärkung von Betonstrukturen von entscheidender Bedeutung.

3. Überlegene Leistung von kohlenstofffaserverstärkten Betonkonstruktionen

• Hohe Festigkeit und Elastizitätsmodul:Kohlefaserverbundstoffe bieten eine hohe Zugfestigkeit, die etwa zehnmal so hoch ist wie die von Stahl, und einen mit dem von Stahl vergleichbaren Elastizitätsmodul.

• Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit:Kohlefaserverbundstoffe sind chemisch stabil und reagieren nicht mit Säuren, Basen oder Salzen, wodurch sie verstärkten Strukturen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit verleihen.

• Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient:Kohlefaserverbundstoffe haben einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der in Faserrichtung nahezu null beträgt.

• Einfache Konstruktion und hohe Effizienz:Die Verstärkung mit Kohlenstofffasergeweben erfordert keine schweren Maschinen oder große Geräte, nimmt nur minimalen Platz ein und ermöglicht flexiblen Zuschnitt und schnelle Installation.

• Garantierte Bauqualität:Aufgrund ihrer Flexibilität können Kohlefasergewebe nach Reparaturen gut auf unebenen Oberflächen haften und erreichen eine effektive Haftrate von über 95 %.

• Minimale Auswirkungen auf Strukturen:Das geringe Gewicht und das dünne Profil von Kohlefaserverbundwerkstoffen erhöhen weder das Gewicht noch die Abmessungen der ursprünglichen Struktur erheblich, sodass der nutzbare Raum erhalten bleibt.

• Breites Anwendungsspektrum:Geeignet zur Verstärkung unterschiedlicher Strukturtypen, Formen und Materialien sowie verschiedener Schwachstellen in Strukturelementen.

4. Anwendungen von Kohlenstofffaser-Verbundbewehrungen in Betonkonstruktionen

In der praktischen Technik werden Carbonfasergewebe vor allem zur Verstärkung eingesetzt. Die Technologie ist ausgereift und wird in mehreren Bereichen eingesetzt:

• Verbesserung der Scherkapazität:Kohlefasergewebe tragen ähnlich wie Bügel zur Scherfestigkeit bei und tragen dazu bei, ein vorzeitiges Nachgeben der Hauptbewehrung zu verhindern, indem sie den Beton zurückhalten und Zugspannungen aufnehmen.

• Erhöhung der Biegekapazität:Durch die Verklebung von Kohlenstofffasergeweben mit der Zugfläche von Strukturelementen wird deren Biegebelastbarkeit deutlich verbessert.

• Verbesserung der seismischen Leistung:Kohlenstofffasergewebe können die Duktilität und Energieabsorptionsfähigkeit von Betonelementen verbessern, insbesondere bei Balken-Stützen-Verbindungen und Stützen unter axialer Belastung, und bieten so eine hervorragende seismische Verstärkung.

• Stärkung der Ermüdungsresistenz:Mit Kohlenstofffasergewebe verstärkte Stahlbetonträger und Spannbetonträger behalten ihre Festigkeit und Steifigkeit auch nach wiederholten Belastungszyklen, was ihre Lebensdauer erheblich verlängert und die Verformung verringert.

5. Einschränkungen der Kohlenstofffaser-Verbundbewehrung in Betonkonstruktionen

• Sprödigkeit:Kohlenstofffasern sind linear elastisch und spröde. Um ihre Eigenschaften voll zu nutzen, ist eine erhebliche Verformung der Struktur erforderlich.

• Haftungsprobleme:Bei Kohlenstofffaserverstärkungen kann es zu Bindungsfehlern kommen, die zu Sprödbruch in den Stahlbetonstrukturen führen.

• Begrenzte Forschung zur langfristigen Leistung:Es besteht ein Mangel an Forschung zum Verhalten von Carbonfaserbeton unter Langzeit- und Stoßbelastungen.

• Theoretische Lücken:Während die Scher- und Biegeverstärkungsmechanismen von Kohlenstofffasermaterialien in Balken und Stützen umfassend erforscht werden, ist das Verständnis ihrer Anwendung in Scherwänden begrenzt.

Insgesamt bietet die Carbonfaser-Verbundwerkstoff-Bewehrungstechnologie erhebliche wirtschaftliche, soziale und ökologische Vorteile. Mit der Entwicklung von Carbonfasermaterialien, reduzierten Produktionskosten und fortlaufender Forschung wird diese Technologie zunehmend zur Verstärkung von Betonstrukturen eingesetzt werden und verspricht eine vielversprechende Zukunft.