摘要: 采用厚型防火涂料对两根碳纤维加固的钢筋混凝土梁进行了不同方法的防火保护. 耐火试验结果表明,采用50 mm 厚防火涂料全截面保护的碳纤维加固梁的耐火极限超过了2. 5 h ,防火涂层中增设钢丝网片对约束防火涂层、防止开裂和脱落效果明显.
关键词: 钢筋混凝土梁; 碳纤维加固; 防火保护; 耐火试验
中图分类号: TU 377. 9 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 374X(2006) 11 - 1451 - 06
碳纤维增强聚合物CFRP (carbon fiber rein2forced polymer) 最早应用于航空航天领域,近些年被广泛用于建筑加固改造行业. 其原理是用建筑结构胶将碳纤维布粘贴在混凝土受拉面,充当受拉钢筋,对结构进行补强加固. CFRP 以其高强、高效、质轻、耐久及施工方便等优点,在建筑改造加固领域应用范围越来越广泛,但是它的防火问题却一直没有得到解决. CFRP 材料包括碳纤维和配套结构胶. 有研究证明[1 ,2 ] ,随着温度的升高,结构胶的抗剪强度急剧下降. 超过120 ℃时, 抗剪强度不足常温时的20 % ,难以保证碳纤维与混凝土的共同工作,同时碳纤维丝也不能很好地协同工作,其本身的抗拉强度也明显下降. 另外,如果建筑结构胶没有任何保护措施,完全暴露在热空气中时,大约在600 ℃左右,即会发生剧烈燃烧. 对于碳纤维材料,在绝氧的情况下具有极佳的耐热性(可耐2 000 ℃高温) ,它的升华温度高达3 650 ℃左右. 但在有氧的情况下,当温度高于400 ℃时即发生明显的氧化. 当其暴露在600℃的空气中10 min 后,纤维大部分被氧化[3 ] . 所以没有任何防火保护的CFRP 在火灾发生时难以发挥补强加固的作用. 建筑构件由于承载力不足才进行加固,若加固后不采取防火保护措施则更加危险.在目前执行的CFRP 国家规程[4 ] 和地方规程[5 ]中,由于缺乏CFRP 防火问题的研究资料和实践经验,只是笼统地要求选择适当的防护措施以达到一定的耐火等级,在实际工程中难以实施,因此CFRP 的防火问题亟待解决.
1 CFRP 加固钢筋混凝土梁的防火保护方法
在传统的建筑材料中,钢材的耐火能力较差,其软化温度在400 ℃左右,裸露钢结构的耐火极限一般仅为0. 25 h. 常用的钢结构防火保护方法是包覆防火板材或涂覆防火涂料(一般又分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料两种) . 如果用这两种方法保护CFRP ,未尝不是很好的途径. 但是,CFRP 中建筑结构胶强度急剧劣化的临界温度仅100 ℃左右,与钢结构相比,其耐火性能更差,直接应用钢结构的防火保护方法显然是不够的.
国外对CFRP 加固结构进行了一系列的防火试验. 加拿大皇后大学的Kodur 等人[6 ,7 ]采用双层体系涂料对CFRP 进行防火保护,与CFRP 直接接触的是V G 层, 又称惰性层, 质量轻, 隔热性好, 与CFRP 有较强的粘结性,可直接喷射使用. 外面一层为EI 层,又称膨胀层,在高温下可以发泡膨胀. 试验时采用19 mm 厚的V G层加0. 25 mm 厚的EI 层及38 mm 厚的V G层加0. 25 mm 厚的EI 层对CFRP加固板进行了防火保护,用32 mm 厚的V G 层加0. 56 mm 厚的EI 层及57 mm 厚的V G 层加0. 25mm 厚的EI 层对加固柱做了防火保护,均取得了较好的耐火效果. 但与钢结构厚型防火涂料相比,其使用厚度明显增大,且外部又增加了价格昂贵的膨胀型保护涂层,防火保护费用可想而知.
我国中南大学徐志胜等人[8 ]对火灾后用CFRP加固的钢筋混凝土梁进行了再受火试验(用1. 5mm 厚防火涂料进行保护,最高温度320 ℃) ,结果证明高温下碳纤维布易于剥落.
由于目前厚型防火涂料热力学参数稳定且较易测量,防火效果相对较好,价格相对便宜,与混凝土和CFRP 粘结良好,而且使用不受构件几何形状限制,相对于薄型防火涂料和防火板材更具有优势,本文的试验中即采用厚型防火涂料对CFRP 加固钢筋混凝土结构进行防火试验研究,并对CFRP 的锚固区和非锚固区采用不同厚度的防火保护,进行对比试验.
2 试验概况
2. 1 试验试件
试验采用两根相同规格钢筋混凝土梁,长5. 5m ,断面尺寸200 mm ×450 mm ,受拉钢筋2 12mm ,箍筋 6 @200 mm. 底面粘贴两层200 mm 宽、0. 167 mm 厚和4. 0 m 长的碳纤维布,两端粘贴单层碳纤维布U 形箍加固,如图1 所示. 混凝土采用普通硅酸盐水泥,设计强度等级为C30 ,实测混凝土立方体抗压强度29. 3 MPa. 纵筋为HRB335 级,箍筋为HPB235 级. 碳纤维布抗拉强度4 030 MPa ,弹性模量2. 16 ×105 MPa.
两根钢筋混凝土梁一次性浇筑完成,在养护40d 后进行CFRP 加固. CFRP 加固完成7 d 后进行表面防火保护施工. 施工采用分层涂抹的方法,打底涂料厚度控制在3 mm 左右,其他层厚度控制在10mm 以内,分层涂抹间隔时间为24 h. 考虑到所用的涂料厚度较大,易产生收缩裂缝,在做完打底涂料和第一层涂抹后,在涂层外面增设一层钢丝网片,然后再做外面涂层,直到满足设计厚度. 防火保护施工完成后,自然养护40 d 后进行耐火试验.
2. 2 防火保护设计
试验采用上海汇丽集团有限公司二厂生产的SJ - 2 室内厚型防火涂料,厂方提供的涂料热工参数为:密度500 kg·m- 3 ;比热容1 000 J·kg - 1·K- 1 ;导热系数0. 12 W·K- 1·m- 1 .为保证CFRP 与混凝土较好的粘结性,建筑结构胶必须有良好的抗剪强度,CFRP 温度不能太高,根据参考资料,将100 ℃作为CFRP 的临界温度,并基于这一温度,根据混凝土和防火涂料的热工参数,用ANSYS 通用有限元分析软件计算防火涂料的厚度为46 mm ,实际取防火涂料的厚度为50 mm.针对CFRP 加固钢筋混凝土梁的特点以及前述CFRP 的受热性能,对CFRP 锚固区和非锚固区采用不同厚度的防火涂料进行保护,做对比试验研究.第一根梁L1 为全保护梁,在底面和两个侧面全部涂抹50 mm 厚防火涂料,如图2a 所示;第二根梁L2 为半保护梁,在梁两端锚固区各1 150 mm 范围内涂抹50 mm 厚防火涂料,在跨中非锚固区半截面涂抹20 mm 厚防火涂料,如图2b 所示.
2. 3 加载与加温条件
根据建筑构件耐火试验方法[9 ] ,本试验对试件施加设计荷载,4 个等效集中荷载均为20 kN ,分别位于1/ 8 ,3/ 8 ,5/ 8 和7/ 8 净跨处.试验时,梁三面受火,按ISO834 —1975 标准曲线升温,即T - T0 = 345 lg (8 t + 1)式中: t 为试验所经历的时间,min ; T 为升温到t 时刻的炉温, ℃; T0 为炉内初始温度, ℃.
2. 4 测点布置
试验过程中记录炉内实际升温过程,记录防火涂料背火面(即CFRP 表面) 的温度过程,记录梁跨中挠度- 时间关系曲线. 对于CFRP 的温度测量,L1 梁和L2 梁分别布置了10 个和8 个热电偶,主要布置在跨中和端截面的底面中心、侧面中心和角点处,如图2 所示.
3 试验现象及分析
试验在中国船级社上海远东防火试验中心的标准梁板炉内进行,梁两端简支,跨度4. 6 m ,恒载30min 后进行耐火试验.
首先进行梁L1 的试验. 在点火10 min 内,防火涂料被火面温度升高较慢,水蒸气不断从构件表面冒出. 随着加热升温的继续,水蒸气不断增加. 加热到28 min 时,梁跨中底面脱落两层防火涂料(指抹灰层,防火涂料施工时分5 层涂抹,每层厚度约10mm) ,各测点升温加快,随后侧面涂料产生多条竖向裂缝. 43 min 时,跨中区域侧面涂料的最外面两层接近梁底的部分也脱落. 到68 min 时,梁端部底面涂层开裂翘起,随后有两层剥落,此时另一端的底面涂料产生水平裂缝. 到120 min 时,梁侧面中心温度为96 ℃,底面中心温度为128 ℃,跨中挠度为11mm 且较稳定,继续试验到150 min 时,跨中挠度为13 mm ,且无加速增大的趋势. 试验后观察涂层损坏情况:侧面涂料沿梁纵向产生分布均匀的竖向裂缝,底面涂料平均脱落2 层,如图3 所示. 打开检测内部涂料情况发现,梁侧竖向裂缝并未贯穿保护层,内部涂层基本完整,所加钢丝网片对防火涂层起到了很好的约束作用.
梁L2 的试验在开始20 min 时所发生的现象与梁L1 基本一致. 27 min 时,梁端底面涂料在变厚度处产生沿梁方向的水平裂缝. 34 min 时,跨中底面涂层与CFRP 之间出现水平裂缝,随后裂缝增大,并有火苗从裂隙窜出,CFRP 开始燃烧. 42 min 时,梁端部底面外层涂料脱落. 44 min 时,跨中涂料层完全脱落,CFRP 开始剧烈燃烧. 48 min 时,碳纤维丝烧断,并在热空气中飘浮. 71 min 时,梁端部底面又有一涂料层翘起. 79min时,梁底部全部胶体被烧毁,碳纤维丝在火中呈白色. 90 min 时,跨中碳纤维丝全部烧光. 117 min 时钢筋混凝土梁挠度达到130mm ,随即垮塌,试验结束.
由于施工时涂料为分层作业,50 mm 厚涂层共分为5 层,形成自然的薄弱面,受火时易分层脱落.涂料内层由于有钢丝网片约束,试验过程中保持完整,也说明钢丝网片的约束作用十分明显. L2 梁跨中非锚固区20 mm 厚涂层内未置钢丝网片,在火烧不到40 min ,碳纤维布燃烧,防火失败.
4 试验结果及分析
4. 1 温度过程及分析
梁L1 端部和跨中各测点的升温曲线分别如图4a 和图4b 所示,梁L2 端部和跨中各测点的升温曲线分别如图5a 和图5b 所示. 梁L1 和L2 不同时刻各测点的温度如表1 所示,其中L1 梁跨中3 ,4 测点热电偶未测出温度. L2 梁跨中由于防火涂层脱落导致温度过高,热电偶损坏.
由梁不同断面的升温曲线可以看出,梁端温度较跨中温度为小,主要是由于跨中防火层先分层脱落导致保护层厚度减小所致. 角部测点较其他位置测点温度高,这是由于角点两面受火的缘故. 底面中部测点较两侧面中部测点温度高,一方面是由于梁底面防火涂层在受火过程中部分脱落变薄,另一方面是由于二者热流方向不同所致.
由图4a ,4b 和5a 的温度曲线明显可见,在温度接近100 ℃时,各测点升温速度较缓慢,并保持低于100 ℃长达数十分钟的时间,在温度曲线中产生水平段,即温度平台. 如果定义温度平台的起始温度为90 ℃的话,梁L1 端截面两侧面中部测点在火烧90min 时,进入温度平台,长达40 min. 梁L2 端截面一侧面中部测点在100 min 时进入温度平台直到试验结束. 另一侧面中部测点在整个试验过程中温度一直低于90 ℃. 梁L2 端截面一角部测点在80 min 时进入温度平台,持续30 min. 产生这个温度平台的主要原因是,在防火涂层中含有大量自由水和结晶水,当涂层温度接近水沸点,这些水分开始蒸发,水分由液相变成气相, 吸收大量的热, 从而延缓了CFRP 温度的升高.
采用ANSYS 通用分析程序对试验梁进行有限元分析,因试件截面尺寸远小于长度,考虑到炉内均匀温度场,沿构件长度各截面温度分布可视为均匀,因此可取构件一个截面进行二维传热分析. 截面单元划分如图6 所示,计算时取混凝土的热工参数:密度ρ = 2 300 kg ·m- 3 , 比热容c = 1 200 J ·kg - 1 ·K- 1 ,导热系数λ= 1. 5 W·K- 1·m- 1 ;防火涂料的热工参数:密度ρ= 500 kg·m- 3 ,比热容c = 1 000 J ·kg - 1·K- 1 ,导热系数λ= 0. 12 W·K- 1·m- 1 ;由于碳纤维层很薄,其热工性能忽略. 按ISO834 —1975 标准升温曲线升温,在对流、辐射条件下进行温度场分析. 分析时考虑了防火涂料层中水分蒸发吸收热量对温度场的影响. 图7 为L1 梁部分测点试验值与理论计算值的对比,由图可以看出,理论计算的测点温度过程与试验结果较吻合.
4. 2 挠度过程及分析
L1 梁和L2 梁的实测挠度- 温度过程曲线如图8 所示. 在受火过程中,L1 梁防火涂层不断开裂、脱落,碳纤维布和结构胶的温度上升,强度下降,结构挠度不断增加,但在整个试验过程中,挠度波动不大,基本均匀增加.
L2 梁在试验开始的30 min 内挠度发展较为平缓,在之后的5 min 内,挠度出现一次明显增长,由8mm 增加到14 mm , 后又趋平缓. 在75 min 时,CFRP 的结构胶几乎全部烧毁,原CFRP 加固梁退化为普通钢筋混凝土梁,挠度开始以远大于前一阶段的速率急剧增长,在10 min 内增加了40 mm ,之后挠度保持约以2 mm·min - 1的速度增加.在试验中,梁挠度随时间变化多处波动,这一方面可能是由于位移计的精度不够,另一方面也可能与防火涂层受火时分层脱落引起CFRP 温度突变产生滑移有关.
5 结论
(1) 现有钢结构厚型防火涂料也同样适用于CFRP 加固的钢筋混凝土结构,用50 mm 厚的防火涂料全截面保护CFRP 加固的钢筋混凝土梁,其耐火极限可达到2. 5 h 以上.
(2) 用于CFRP 加固结构的防火涂料较厚,由于施工时分层涂抹形成的自然分界面,火灾时易于分层脱落. 在防火涂层内部设置钢丝网片能很好地防止其开裂和脱落,且钢丝网片应尽量放在涂层外侧.
(3) 试验证明,涂覆厚型防火涂料的防火保护措施对于CFRP 加固的钢筋混凝土梁是较为成功的,该方法也同样适用于CFRP 加固的钢筋混凝土板和柱,以及粘钢加固的钢筋混凝土结构,但应根据不同防火要求采用不同的涂层厚度.
(4) 后续研究工作是进一步改进防火涂层构造措施,优化防火涂层厚度,以及研究其他材料的防火保护效果,本文工作还仅是个开端.
参考文献:
[1] 吴波,万志军. 碳纤维布及胶粘剂的高温强度研究[C] ∥第三届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第一届全国结构抗火学术交流会论文集. 福州: [出版者不详] ,2005 :386 - 394.WU Bo ,WAN Zhijun. Study on the strengths of CFS and adhesiveat elevated temperatures [ C] ∥3rd National Conference for Fire2Resistance and Anti2Corrosion of Steel Structures & 1st NationalConference on Structural Fire2Resistance. Fuzhou : [ s. n. ] ,2005 :386 - 394.
[2] 曾春华. 高温环境下粘钢加固钢筋混凝土梁正截面抗弯性能研究[D] . 南京:东南大学土木工程学院,2001.ZENG Chunhua. Study of ultimate moment of reinforced concretebeams strengthened by epoxy2bonded steel plates in high tempera2ture[D] . Nanjing :College of Civil Engineering , Southeast Univer2sity ,2001.
[3] 唐龙贵. 碳纤维的抗氧化处理[J ] . 高等学校化学学报,1995 ,16(8) :1301.TANG Longgui. Anti2oxidation treatment on carbon fiber [J] .Chemical Journal of Chinese Universities ,1995 ,16 (8) :1301.
[4] 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心. CECS146 :2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[ S ] . 北京: [ 出版者不详] ,2002. State Technical Research Centre for Diagnosing and TransformingEngineering of Industrial Buildings. CECS146 : 2003 Technicalspecification for strengthening concrete structure with carbon fiberreinforced polymer laninate[ S] .Beijing : [ s. n. ] ,2002.
[5] 上海市建筑科学研究院. DG/ TJ 08 - 012 —2002 纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程[ S ] . 上海: [ 出版者不详] ,2002. Shanghai Research Institute of Building Science. DG/ TJ 08 -012 —2002 Technical code for strengthening concrete structureswith fiber reinforced polymer laminate [ S ] . Shanghai : [ s. n. ] ,2002.
[6] Williams B K,Kodur V K R ,Bisby L A ,et al. The performance ofFRP2strengthened concrete slabs in fire[C/ CD] ∥4th Internation2al Conference on Advanced Composite Materials in Bridges andStructures (ACMBS IV) . Calgary : [ s. n. ] ,2004.
[7] Bisby L A ,Kodur V K R ,Green M F. Performance in fire of FRP2confined reinforced concrete columns [ C/ CD ] . 4th InternationalConference on Advanced Composite Materials in Bridges andStructures (ACMBS IV) . Calgary : [ s. n. ] ,2004.
[8] 徐志胜,冯凯,张威振,等. CFRP 加固钢筋混凝土梁火灾后的试验研究[J ] . 哈尔滨工业大学学报,2005 ,37 (1) :98. XU Zhisheng , FENG Kai ,ZHANG Weizhen ,et al. Experimentalanalysis of CFRP used to strengthen RC beam after fire[J ] . Jour2nal of Harbin Institute of Technology ,2005 ,37 (1) :98.
[9] 公安部天津消防科学研究所. GB/ T 9978 —1999 建筑构件耐火试验方法[ S] . 北京:中国标准出版社,1999.
Tianjin Fire Research Institute of China Public Security. GB/ T9978 —1999 Fire2resistance tests2elements of building construction[S] .Beijing :China Standard Press ,1999.
