R-CF-UD 200 g/m² Konstruktionsverstärkung, unidirektionales Kohlefasergewebe, UD-Kohlenstoffgewebe für Balken, Säulen, Wände, Bodenplatten und Pfeiler

Anwendung von kohlenstofffaserverstärktem Polymer

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist einer der am häufigsten verwendeten Hochleistungsverstärkungsmaterialien im Tiefbau. Mit seinen Vorteilen hoher Festigkeit, geringem Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und einfacher Konstruktion ist es zu einem Kernmaterial für die Verstärkung und Sanierung von Beton-, Stahl- und Mauerwerkskonstruktionen geworden. Seine Anwendungsszenarien erstrecken sich über den gesamten Lebenszyklus einer Gebäudestruktur, von der Verbesserung der Leistung neuer Strukturen über die Reparatur und Verlängerung der Lebensdauer bestehender Strukturen bis hin zur Notfallverstärkung nach Katastrophen. Spezifische Anwendungen können nach Strukturtyp und Verstärkungsziel wie folgt kategorisiert werden:

Kernanwendungsszenarien:

Die Verstärkungsfunktion von Kohlenstoffgewebe besteht im Wesentlichen darin, durch den Klebstoff (Epoxidharz) ein „synergistisches Kraftübertragungssystem“ mit der ursprünglichen Struktur zu bilden. Dadurch wird die hohe Festigkeit des Carbongewebes (Zugfestigkeit etwa 7–10-mal höher als bei gewöhnlichen Stahlstäben) auf schwache Bereiche der Struktur übertragen und so unzureichende Tragfähigkeit, Steifigkeitsmängel oder Haltbarkeitsprobleme in der ursprünglichen Struktur ausgeglichen.

Der Anwendungsschwerpunkt variiert je nach Struktur erheblich:

1. Betonstrukturverstärkung (häufigste Anwendung)

Betonstrukturen sind die Hauptanwendung für die Carbongewebeverstärkung, einschließlich Schlüsselkomponenten wie Balken, Platten, Säulen, Wände und Verbindungen. Die behandelten Kernthemen sind „unzureichende Tragfähigkeit“, „Risskontrolle“ und „Verbesserung der Duktilität“. Spezifische Anwendungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Verstärkte Komponenten	Kernthemen	Methoden zur Verstärkung von Carbongeweben	Typische Szenarien
Betonbalken	Unzureichende Biegetragfähigkeit (übermäßige Durchbiegung, Bodenrisse), unzureichende Schubtragfähigkeit (schräge Risse an den Trägerenden)	- Biegeverstärkung: 1-3 Lagen Carbongewebe werden auf die Unterseite des Balkens geklebt (parallel zur Kraftrichtung) - Schubbewehrung: U-förmiges oder ringförmiges Carbongewebe wird auf die Seite des Balkens geklebt (senkrecht zur Kraftrichtung).	Sanierung von Bodenträgern alter Bürogebäude (erhöhte Belastung), Reparatur von Brückenhauptträgern (erhöhte Fahrzeugbelastung)
Betonsäulen	Unzureichende axiale/exzentrische Drucktragfähigkeit (Säulenrisse, Verformung), unzureichende Duktilität (sprödes Versagen aufgrund von Erdbeben)	- Mit einem Reifen umwickeltes Carbongewebe (erzeugt einen „Beschränkungseffekt“, ähnlich wie bei Steigbügeln) - Mit der biaxialen Spannungszone verklebtes Carbongewebe (hält horizontalen Kräften stand)	Erdbebenverstärkung von Rahmenkonstruktionsstützen (Verbesserung der Erdbebensicherheit von Altbauten), belastungserhöhende Umgestaltung von Kellerstützen
Betonplatten	Unzureichende Biegetragfähigkeit (Risse an der Unterseite der Platte, unzureichende Tragfähigkeit), unzureichende lokale Scherfestigkeit	- Karbongewebestreifen werden entlang der Belastungsrichtung auf die Unterseite der Platte geklebt (unidirektional oder bidirektional) - Radiales Carbongewebe ist auf die Knotenpunkte der Brettsäulen geklebt (um der Durchstanzung standzuhalten)	Hinzufügen von Trennwänden/Geräten zu Wohngeschossen (erhöhte Belastung), Umwandlung von Garagendächern für gewerbliche Nutzung
Betonwände	Unzureichende Schubtragfähigkeit (diagonale Risse in der Wand) und unzureichende Tragfähigkeit außerhalb der Ebene	- Horizontales Carbongewebe wird auf die Wand geklebt (um der horizontalen Scherkraft standzuhalten) - Bidirektionales Carbongewebe wird auf die Wand geklebt (um die Steifigkeit außerhalb der Ebene zu verbessern)	Seismische Verstärkung von Scherwandkonstruktionen, Versickerungsschutz und Verstärkung von Kellerstützmauern
Gelenke	Unzureichende Tragfähigkeit der Kernbereiche der Balken-Stützen- und Wandplattenstöße (Erdbeben führen leicht zu Schäden)	- Den Knotenbereich mit einem „Tic-Tac-Toe“- oder ringförmigen Carbontuch einkleben (den Kernbereich umwickeln)	Erdbebensanierung von Rahmenstrukturknoten (alte Gebäudeknoten ohne oder mit unzureichenden Bügeln)

2. Verstärkung der Stahlkonstruktion

Anforderungen an die Verstärkung von Stahlkonstruktionen konzentrieren sich häufig auf die Erhöhung der Tragfähigkeit, die Verbesserung der Stabilität und die Reparatur von Schäden. Kohlenstoffgewebe bietet den Vorteil, dass kein Schweißen erforderlich ist (Schäden an der Stahlkonstruktion durch hohe Temperaturen werden verhindert) und das Eigengewicht der Struktur nicht erhöht. Spezifische Anwendungen umfassen:

Verstärkung von Zug-/Druckgliedern: Kohlenstoffgewebe wird auf die Flansche oder Stege von Stahlkonstruktionen aufgebracht, um die Zug-/Drucktragfähigkeit zu erhöhen (z. B. wenn Stahlsäulen oder -träger unzureichende Querschnitte haben).

Verbindungsverstärkung: Wenn Schweißnähte an Stahlverbindungen reißen oder Schraubverbindungen nicht ausreichen, wird Kohlenstoffgewebe um die Verbindungen herum angebracht, um Spannungskonzentrationen zu verteilen (z. B. an Stahlfachwerkverbindungen und Stahlrahmen-Träger-Stützen-Verbindungen).

Reparatur von Ermüdungsschäden: Wenn sich Ermüdungsrisse in Stahlkonstruktionen entwickeln, die wechselnden Belastungen ausgesetzt sind (z. B. Brücken und Fabrikkranträger), wird Kohlenstoffgewebe aufgetragen, um die Risse abzudichten, um deren Ausbreitung zu verhindern und die Ermüdungslebensdauer zu verlängern.

3. Mauerwerksverstärkung

Mauerwerkskonstruktionen (Ziegelwände und Säulen) haben eine hohe Steifigkeit, aber eine sehr geringe Zugfestigkeit, wodurch sie anfällig für Risse aufgrund von Temperaturschwankungen, Setzungen oder Erdbeben sind. Carbongewebe wird hauptsächlich verwendet für:

Wandriss-/seismische Verstärkung: Das horizontale oder vertikale Anbringen von Carbongewebe an der Oberfläche von Ziegelwänden erhöht die Zug- und Scherfestigkeit der Wand und verringert die Rissbildung (z. B. Ziegelwände von alten Wohngebäuden und historischen Gebäuden);

Verstärkung von Ziegelsäulen: Das umlaufende Umhüllen axial komprimierter Ziegelsäulen mit Kohlenstoffgewebe erzeugt eine Beschränkung und erhöht die Drucktragfähigkeit (z. B. Ziegelsäulen alter Fabrikgebäude und Zäune).

4. Spezielle strukturelle Verstärkung

Brückenkonstruktionen: Biegeverstärkung der Hauptträger (unter Verwendung von Kohlenstoffgewebe an der Unterseite), seismische Verstärkung von Brückenpfeilern (unter Verwendung von Kohlenstoffgewebe an der Umfangsfläche) und Verstärkung der unteren Platte des Brückendeckbelags (unter Verwendung von Kohlenstoffgewebe zur Verbesserung der Rissbeständigkeit). Durch die leichte Beschaffenheit des Carbongewebes wird ein zusätzliches Gewicht der Brücke vermieden.

Tunnelstrukturen: Wenn im Beton der Tunnelauskleidung Risse oder Undichtigkeiten auftreten, kann auf der Innenseite ein Carbongewebe angebracht werden, um die Risse abzudichten und die Auskleidungssteifigkeit zu erhöhen (z. B. bei Reparaturen von U-Bahn-Tunneln und Autobahntunneln).

Historische Gebäude/kulturelle Relikte: Die Verstärkung historischer Gebäude (z. B. alte Holzkonstruktionen, die mit Beton oder Mauerwerk ummantelt sind) erfordert eine minimalinvasive Behandlung. Die Anwendung von Kohlenstoffgewebe erfordert keinen Abriss bestehender Komponenten und kann mit antiken Beschichtungen kombiniert werden, wodurch das Erscheinungsbild des Gebäudes minimiert wird (z. B. Verstärkung von Balken und Säulen in alten Stadtmauern und Tempeln).

Verwendung von  Kohlefasergeweben

I. Vorläufige Bauvorbereitung

Materialvorbereitung und -inspektion

Kernmaterialien: Carbongewebe (muss der vorgesehenen Anzahl an Schichten und der vorgesehenen Breite entsprechen, z. B. unidirektionales 12K-Carbongewebe; übliche Spezifikationen umfassen 200 g/㎡ und 300 g/㎡), spezieller Epoxidharzkleber (einschließlich Grundierung, Ausgleichskleber und Imprägnierkleber, der zum Carbongewebemodell passen und innerhalb der Haltbarkeitsdauer liegen muss. Gewöhnlicher Kleber ist strengstens verboten).

Materialinspektion: Die Oberfläche des Carbongewebes muss frei von Beschädigungen, Falten oder Ölflecken sein; Der Klebstoff muss frei von Delamination oder Sedimentation sein und muss nach dem Rühren gleichmäßig und frei von Partikeln sein.

Umweltkontrolle

Temperatur: Die Verarbeitungs- und Aushärtetemperatur muss zwischen 5 °C und 35 °C liegen. Bei Temperaturen unter 5 °C müssen Heizmaßnahmen umgesetzt werden, bei Temperaturen über 35 °C müssen Beschattung und Kühlung erfolgen.

Luftfeuchtigkeit: Die Luftfeuchtigkeit muss unter 85 % liegen. Bei Regenwetter oder wenn der Untergrund feucht ist, sollte die Konstruktion aufgehängt werden. Nach vollständiger Trocknung des Untergrundes mit der Arbeit fortfahren.

Säuberung der Baustelle: Der Bereich um die Bewehrung muss frei von Schmutz und Staub sein. Für Arbeiten über Kopf muss ein stabiles Gerüst aufgebaut werden. Das Arbeiten über Kopf ohne Schutzausrüstung ist strengstens untersagt.

Werkzeugvorbereitung

Werkzeuge zur Oberflächenvorbereitung: Winkelschleifer (mit Diamantschleifscheibe), Meißel, Hammer, Drahtbürste, Haartrockner oder Staubsauger, Lappen;

Werkzeuge zum Auftragen des Klebstoffs: Mischeimer, elektrischer Rührer, Schaber, Walze (spezielle Entschäumungswalze, Breite passend zum Carbongewebe);

Werkzeuge zur Handhabung von Kohlenstoffgewebe: Maßband, Tapetenschneider, Lineal.

II. Kernbauprozess

Betonstrukturen (Träger, Säulen und Platten) sind die Hauptziele für die Carbongewebeverstärkung. Während des Bauprozesses sollte besonderes Augenmerk auf die „Ebenheit der Oberfläche“ und die „Benetzung des Kohlenstoffgewebes mit dem Klebstoff“ gelegt werden. Die spezifischen Schritte sind wie folgt:

Schritt 1: Oberflächenvorbereitung Oberflächenreinigung: Entfernen Sie losen Beton, Schlicker und Hohlräume mit einem Hammer oder Meißel aus dem verstärkten Bereich. Aufrauen: Verwenden Sie einen Winkelschleifer (mit Diamantschleifscheibe), um die Oberfläche senkrecht zur Anwendungsrichtung des Carbongewebes aufzurauen (um die Klebefläche zu vergrößern). Rissbehandlung: Wenn Risse vorhanden sind, behandeln Sie diese entsprechend ihrer Breite. Bei Rissen von weniger als 0,2 mm reinigen Sie diese mit einer Drahtbürste und tragen dann direkt die Grundierung auf. Tragen Sie bei Rissen über 0,2 mm zunächst einen speziellen Rissreparaturkleber auf und lassen Sie ihn aushärten, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Staub- und Ölentfernung: Entfernen Sie Staub mit einem Blasebalg oder Staubsauger von der Oberfläche. Anschließend wischen Sie die Oberfläche mit einem mit Aceton oder Alkohol angefeuchteten Tuch ab, um Öl und Verunreinigungen zu entfernen. Stellen Sie dabei sicher, dass die Oberfläche trocken und sauber ist.

Schritt 2: Grundierung auftragen Die Funktion der Grundierung besteht darin, in die Poren des Betons einzudringen, die Festigkeit der Untergrundoberfläche zu erhöhen und die Grundlage für die anschließende Anwendung von Ausgleichskleber/Kohlenstoffvlies zu legen. Kernpunkte: Primer-Vorbereitung: Primer-Komponenten A und B gemäß Klebstoffanleitung in einen Mischeimer füllen. Mit einem Elektrorührer 3–5 Minuten lang vermischen, um eine gleichmäßige Konsistenz zu gewährleisten. Auftragen der Grundierung: Tragen Sie die Grundierung mit einem Schaber oder Pinsel gleichmäßig auf die Grundfläche auf und halten Sie dabei eine Dicke von 0,2 bis 0,3 mm ein (zu dick führt zu Rissen, zu dünn führt zu fehlender Beschichtung). Der Anwendungsbereich sollte 50 mm größer sein als der Anwendungsbereich des Carbongewebes (um den Kantenübergang aufzunehmen). Aushärtezeit: Der Primer härtet normalerweise 4–8 Stunden lang aus (bei 25 °C). Nach dem Aushärten sollte die Grundfläche matt sein und sich nicht klebrig anfühlen.

Schritt 3: Oberflächennivellierung Sollten nach dem Polieren noch Vertiefungen oder Unebenheiten (>2mm) zurückbleiben, füllen Sie diese mit Ausgleichskleber auf, um sicherzustellen, dass das Carbontuch perfekt auf der Oberfläche haftet. Nivellierung: Füllen Sie die Oberfläche mit einem Spachtel mit Klebstoff, glätten und verdichten Sie sie auf eine Ebenheitstoleranz von ≤2 mm. Alle scharfen Ecken sollten mit Klebstoff abgerundet werden. Aushärtung: Lassen Sie den Kleber ca. 6–12 Stunden aushärten (bei 25 °C). Nach dem Aushärten die Oberfläche leicht mit Schleifpapier anschleifen, um Grate zu entfernen, und mit einem Lappen reinigen.

Schritt 4: Imprägnierkleber auftragen und Carbontuch anbringen Vorbereitung des Imprägnierklebers: Imprägnierkleberkomponenten A und B gemäß Anleitung mischen und gründlich verrühren (mindestens 5 Minuten rühren, um eine vollständige Reaktion sicherzustellen). Vermeiden Sie es, zu viel auf einmal aufzutragen. Auftragen des Imprägnierklebers: Tragen Sie eine gleichmäßige Schicht Imprägnierkleber auf die ebene Oberfläche auf und halten Sie dabei eine Dicke von 0,3–0,5 mm ein. (Dies sollte den gesamten Carbon-Tuch-Befestigungsbereich abdecken, mit zusätzlichen 50 mm an den Rändern.) Schneiden und Anbringen von Carbongewebe: Zuschnitt: Schneiden Sie das Carbongewebe mit einem Tapetenschneider auf das gewünschte Maß zu. (Achten Sie bei unidirektionalem Carbongewebe auf die Kraftrichtung.) Der Schnitt muss mit der Faserrichtung des Carbongewebes übereinstimmen. Querschneiden, das zum Bruch der Fasern führen kann, ist strengstens untersagt. Nach dem Schneiden müssen die Kanten des Carbongewebes sauber und frei von losen Fäden sein. Anbringung: Legen Sie das zugeschnittene Carbontuch vorsichtig auf die mit Imprägnierkleber beschichtete Grundfläche. Drücken Sie leicht darauf, um das Carbongewebe zunächst festzuhalten. Verwenden Sie dann eine spezielle Entschäumungswalze (rollen Sie sie mit mäßigem Druck gleichmäßig von der Mitte des Carbongewebes zu den Enden entlang der Faserrichtung), um Luftblasen zwischen dem Carbongewebe und der Klebeschicht zu entfernen und sicherzustellen, dass der Imprägnierkleber das Carbongewebe vollständig durchdringt. Mehrschichtige Befestigung: Wenn das Design mehrere Schichten Carbongewebe verwendet (normalerweise 1–3 Schichten), befestigen Sie die zweite Schicht, bevor die erste Schicht Imprägnierkleber aushärtet (ca. 1–2 Stunden bei 25 °C). Tragen Sie zunächst Imprägnierkleber auf die erste Schicht auf und legen Sie dann die zweite Schicht darauf. Wiederholen Sie den Entschäumungswalzenvorgang, um sicherzustellen, dass zwischen den Schichten keine Blasen entstehen.

Schritt 5: Auftragen und Aushärten des Decklacks Auftragen der Deckschicht: Tragen Sie nach dem Anbringen des Carbongewebes sofort eine gleichmäßige Schicht Imprägnierkleber (als Deckschicht) mit einer Dicke von ≥ 0,2 mm auf die Carbongewebeoberfläche auf. Stellen Sie eine vollständige Abdeckung sicher, um einer Alterung durch Lufteinwirkung vorzubeugen. Aushärtung: Aushärtung bei Raumtemperatur (25°C): Aushärtezeit ≥ 7 Tage. Anforderungen an die Aushärtung: Während der Aushärtung darf das Carbongewebe nicht berührt oder bewegt werden. Vermeiden Sie Regen oder Staub. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen muss die Aushärtezeit möglicherweise verlängert werden. Überprüfung der Aushärtung: Nach der Aushärtung ist die Oberfläche des Carbongewebes fest und nicht klebrig. Ein leichter Schlag mit einem Hammer sollte einen klaren Klang erzeugen.

III. Konstruktionsunterschiede für verschiedene Strukturen (gezielte Anpassungen)

Betonsäule (Umfangsbewehrung)

Oberflächenvorbereitung: Die Säulenoberfläche sollte kreisförmig (oder abgerundetes Rechteck) mit einem Eckenradius von ≥ 25 mm poliert werden.

Carbongewebe-Befestigung: Das Carbongewebe sollte umlaufend um die Säule angebracht werden, mit einer Überlappungslänge von ≥ 100 mm (oder wie vom Design gefordert). Das Rollen sollte von der Mitte der Säule zu beiden Enden reichen, um Luftblasen zu vermeiden. Betonträger (Schubbewehrung, U-förmige Bindung)

Beide Enden des Carbongewebes sollten U-förmig um den Balken gewickelt werden (bis zur Oberseite des Balkens reichend, mit einer Länge ≥ 100 mm). Wenn sich auf dem Balken eine Bodenplatte befindet, sollte das Carbongewebe an der Schnittstelle zwischen Bodenplatte und Balken eingebettet werden, um einen sicheren Halt zu gewährleisten.

Hinweis: Bei der Schubbewehrung muss das Carbongewebe senkrecht zur Balkenachse (also horizontal) angebracht werden.

Verstärkung der Stahlkonstruktion

Oberflächenvorbereitung: Entfernen Sie Rost und Farbe mit einer Drahtbürste von der Stahloberfläche und wischen Sie sie anschließend mit Aceton ab, um sie zu entfetten. Eventuell vorhandene Schweißnahtüberstände mit einem Winkelschleifer glätten.

Kleber: Verwenden Sie einen Kohlenstoffgewebekleber, der speziell für Stahlkonstruktionen entwickelt wurde.

Vorsichtsmaßnahmen

Sicherheitsvorkehrungen: Applikatoren müssen Handschuhe tragen (um den Kontakt des Klebstoffs mit der Haut zu verhindern), Masken (um das Einatmen von Kohletuchstaub zu verhindern) und Schutzbrillen (um zu verhindern, dass beim Schleifen herumfliegende Schmutzpartikel entstehen).

Carbon-Tuch-Schutz: Carbon-Tuch ist ein leitfähiges Material. Halten Sie es während des Schleifens von elektrischen Leitungen und Elektrogeräten fern, um Stromschläge zu vermeiden.

Klebstoffauftrag: Der Klebstoff muss sofort vorbereitet und verwendet werden. Um eine Kontamination zu vermeiden, geben Sie unbenutzten Klebstoff nicht in die Originalverpackung zurück.

Brandschutz: Wenn das Carbongewebe nach dem Aushärten in einer Umgebung mit offenem Feuer (z. B. in einer Küche oder Fabrik) verwendet wird, tragen Sie eine feuerhemmende Beschichtung der Klasse B1 oder höher (Dicke ≥ 3 mm) auf die Oberfläche auf, um Oxidation und Zersetzung durch hohe Temperaturen zu verhindern.