摘要: 采用厚型防火涂料對(duì)兩根碳纖維加固的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了不同方法的防火保護(hù). 耐火試驗(yàn)結(jié)果表明,采用50 mm 厚防火涂料全截面保護(hù)的碳纖維加固梁的耐火極限超過(guò)了2. 5 h ,防火涂層中增設(shè)鋼絲網(wǎng)片對(duì)約束防火涂層、防止開裂和脫落效果明顯.
關(guān)鍵詞: 鋼筋混凝土梁; 碳纖維加固; 防火保護(hù); 耐火試驗(yàn)
中圖分類號(hào): TU 377. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 0253 - 374X(2006) 11 - 1451 - 06
碳纖維增強(qiáng)聚合物CFRP (carbon fiber rein2forced polymer) 最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,近些年被廣泛用于建筑加固改造行業(yè). 其原理是用建筑結(jié)構(gòu)膠將碳纖維布粘貼在混凝土受拉面,充當(dāng)受拉鋼筋,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固. CFRP 以其高強(qiáng)、高效、質(zhì)輕、耐久及施工方便等優(yōu)點(diǎn),在建筑改造加固領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛,但是它的防火問(wèn)題卻一直沒(méi)有得到解決. CFRP 材料包括碳纖維和配套結(jié)構(gòu)膠. 有研究證明[1 ,2 ] ,隨著溫度的升高,結(jié)構(gòu)膠的抗剪強(qiáng)度急劇下降. 超過(guò)120 ℃時(shí), 抗剪強(qiáng)度不足常溫時(shí)的20 % ,難以保證碳纖維與混凝土的共同工作,同時(shí)碳纖維絲也不能很好地協(xié)同工作,其本身的抗拉強(qiáng)度也明顯下降. 另外,如果建筑結(jié)構(gòu)膠沒(méi)有任何保護(hù)措施,完全暴露在熱空氣中時(shí),大約在600 ℃左右,即會(huì)發(fā)生劇烈燃燒. 對(duì)于碳纖維材料,在絕氧的情況下具有極佳的耐熱性(可耐2 000 ℃高溫) ,它的升華溫度高達(dá)3 650 ℃左右. 但在有氧的情況下,當(dāng)溫度高于400 ℃時(shí)即發(fā)生明顯的氧化. 當(dāng)其暴露在600℃的空氣中10 min 后,纖維大部分被氧化[3 ] . 所以沒(méi)有任何防火保護(hù)的CFRP 在火災(zāi)發(fā)生時(shí)難以發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)加固的作用. 建筑構(gòu)件由于承載力不足才進(jìn)行加固,若加固后不采取防火保護(hù)措施則更加危險(xiǎn).在目前執(zhí)行的CFRP 國(guó)家規(guī)程[4 ] 和地方規(guī)程[5 ]中,由于缺乏CFRP 防火問(wèn)題的研究資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),只是籠統(tǒng)地要求選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施以達(dá)到一定的耐火等級(jí),在實(shí)際工程中難以實(shí)施,因此CFRP 的防火問(wèn)題亟待解決.
1 CFRP 加固鋼筋混凝土梁的防火保護(hù)方法
在傳統(tǒng)的建筑材料中,鋼材的耐火能力較差,其軟化溫度在400 ℃左右,裸露鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限一般僅為0. 25 h. 常用的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方法是包覆防火板材或涂覆防火涂料(一般又分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料兩種) . 如果用這兩種方法保護(hù)CFRP ,未嘗不是很好的途徑. 但是,CFRP 中建筑結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度急劇劣化的臨界溫度僅100 ℃左右,與鋼結(jié)構(gòu)相比,其耐火性能更差,直接應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)方法顯然是不夠的.
國(guó)外對(duì)CFRP 加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的防火試驗(yàn). 加拿大皇后大學(xué)的Kodur 等人[6 ,7 ]采用雙層體系涂料對(duì)CFRP 進(jìn)行防火保護(hù),與CFRP 直接接觸的是V G 層, 又稱惰性層, 質(zhì)量輕, 隔熱性好, 與CFRP 有較強(qiáng)的粘結(jié)性,可直接噴射使用. 外面一層為EI 層,又稱膨脹層,在高溫下可以發(fā)泡膨脹. 試驗(yàn)時(shí)采用19 mm 厚的V G層加0. 25 mm 厚的EI 層及38 mm 厚的V G層加0. 25 mm 厚的EI 層對(duì)CFRP加固板進(jìn)行了防火保護(hù),用32 mm 厚的V G 層加0. 56 mm 厚的EI 層及57 mm 厚的V G 層加0. 25mm 厚的EI 層對(duì)加固柱做了防火保護(hù),均取得了較好的耐火效果. 但與鋼結(jié)構(gòu)厚型防火涂料相比,其使用厚度明顯增大,且外部又增加了價(jià)格昂貴的膨脹型保護(hù)涂層,防火保護(hù)費(fèi)用可想而知.
我國(guó)中南大學(xué)徐志勝等人[8 ]對(duì)火災(zāi)后用CFRP加固的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了再受火試驗(yàn)(用1. 5mm 厚防火涂料進(jìn)行保護(hù),最高溫度320 ℃) ,結(jié)果證明高溫下碳纖維布易于剝落.
由于目前厚型防火涂料熱力學(xué)參數(shù)穩(wěn)定且較易測(cè)量,防火效果相對(duì)較好,價(jià)格相對(duì)便宜,與混凝土和CFRP 粘結(jié)良好,而且使用不受構(gòu)件幾何形狀限制,相對(duì)于薄型防火涂料和防火板材更具有優(yōu)勢(shì),本文的試驗(yàn)中即采用厚型防火涂料對(duì)CFRP 加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火試驗(yàn)研究,并對(duì)CFRP 的錨固區(qū)和非錨固區(qū)采用不同厚度的防火保護(hù),進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).
2 試驗(yàn)概況
2. 1 試驗(yàn)試件
試驗(yàn)采用兩根相同規(guī)格鋼筋混凝土梁,長(zhǎng)5. 5m ,斷面尺寸200 mm ×450 mm ,受拉鋼筋2 12mm ,箍筋 6 @200 mm. 底面粘貼兩層200 mm 寬、0. 167 mm 厚和4. 0 m 長(zhǎng)的碳纖維布,兩端粘貼單層碳纖維布U 形箍加固,如圖1 所示. 混凝土采用普通硅酸鹽水泥,設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30 ,實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度29. 3 MPa. 縱筋為HRB335 級(jí),箍筋為HPB235 級(jí). 碳纖維布抗拉強(qiáng)度4 030 MPa ,彈性模量2. 16 ×105 MPa.
兩根鋼筋混凝土梁一次性澆筑完成,在養(yǎng)護(hù)40d 后進(jìn)行CFRP 加固. CFRP 加固完成7 d 后進(jìn)行表面防火保護(hù)施工. 施工采用分層涂抹的方法,打底涂料厚度控制在3 mm 左右,其他層厚度控制在10mm 以內(nèi),分層涂抹間隔時(shí)間為24 h. 考慮到所用的涂料厚度較大,易產(chǎn)生收縮裂縫,在做完打底涂料和第一層涂抹后,在涂層外面增設(shè)一層鋼絲網(wǎng)片,然后再做外面涂層,直到滿足設(shè)計(jì)厚度. 防火保護(hù)施工完成后,自然養(yǎng)護(hù)40 d 后進(jìn)行耐火試驗(yàn).
2. 2 防火保護(hù)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)采用上海匯麗集團(tuán)有限公司二廠生產(chǎn)的SJ - 2 室內(nèi)厚型防火涂料,廠方提供的涂料熱工參數(shù)為:密度500 kg·m- 3 ;比熱容1 000 J·kg - 1·K- 1 ;導(dǎo)熱系數(shù)0. 12 W·K- 1·m- 1 .為保證CFRP 與混凝土較好的粘結(jié)性,建筑結(jié)構(gòu)膠必須有良好的抗剪強(qiáng)度,CFRP 溫度不能太高,根據(jù)參考資料,將100 ℃作為CFRP 的臨界溫度,并基于這一溫度,根據(jù)混凝土和防火涂料的熱工參數(shù),用ANSYS 通用有限元分析軟件計(jì)算防火涂料的厚度為46 mm ,實(shí)際取防火涂料的厚度為50 mm.針對(duì)CFRP 加固鋼筋混凝土梁的特點(diǎn)以及前述CFRP 的受熱性能,對(duì)CFRP 錨固區(qū)和非錨固區(qū)采用不同厚度的防火涂料進(jìn)行保護(hù),做對(duì)比試驗(yàn)研究.第一根梁L1 為全保護(hù)梁,在底面和兩個(gè)側(cè)面全部涂抹50 mm 厚防火涂料,如圖2a 所示;第二根梁L2 為半保護(hù)梁,在梁兩端錨固區(qū)各1 150 mm 范圍內(nèi)涂抹50 mm 厚防火涂料,在跨中非錨固區(qū)半截面涂抹20 mm 厚防火涂料,如圖2b 所示.
2. 3 加載與加溫條件
根據(jù)建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法[9 ] ,本試驗(yàn)對(duì)試件施加設(shè)計(jì)荷載,4 個(gè)等效集中荷載均為20 kN ,分別位于1/ 8 ,3/ 8 ,5/ 8 和7/ 8 凈跨處.試驗(yàn)時(shí),梁三面受火,按ISO834 —1975 標(biāo)準(zhǔn)曲線升溫,即T - T0 = 345 lg (8 t + 1)式中: t 為試驗(yàn)所經(jīng)歷的時(shí)間,min ; T 為升溫到t 時(shí)刻的爐溫, ℃; T0 為爐內(nèi)初始溫度, ℃.
2. 4 測(cè)點(diǎn)布置
試驗(yàn)過(guò)程中記錄爐內(nèi)實(shí)際升溫過(guò)程,記錄防火涂料背火面(即CFRP 表面) 的溫度過(guò)程,記錄梁跨中撓度- 時(shí)間關(guān)系曲線. 對(duì)于CFRP 的溫度測(cè)量,L1 梁和L2 梁分別布置了10 個(gè)和8 個(gè)熱電偶,主要布置在跨中和端截面的底面中心、側(cè)面中心和角點(diǎn)處,如圖2 所示.
3 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析
試驗(yàn)在中國(guó)船級(jí)社上海遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心的標(biāo)準(zhǔn)梁板爐內(nèi)進(jìn)行,梁兩端簡(jiǎn)支,跨度4. 6 m ,恒載30min 后進(jìn)行耐火試驗(yàn).
首先進(jìn)行梁L1 的試驗(yàn). 在點(diǎn)火10 min 內(nèi),防火涂料被火面溫度升高較慢,水蒸氣不斷從構(gòu)件表面冒出. 隨著加熱升溫的繼續(xù),水蒸氣不斷增加. 加熱到28 min 時(shí),梁跨中底面脫落兩層防火涂料(指抹灰層,防火涂料施工時(shí)分5 層涂抹,每層厚度約10mm) ,各測(cè)點(diǎn)升溫加快,隨后側(cè)面涂料產(chǎn)生多條豎向裂縫. 43 min 時(shí),跨中區(qū)域側(cè)面涂料的最外面兩層接近梁底的部分也脫落. 到68 min 時(shí),梁端部底面涂層開裂翹起,隨后有兩層剝落,此時(shí)另一端的底面涂料產(chǎn)生水平裂縫. 到120 min 時(shí),梁側(cè)面中心溫度為96 ℃,底面中心溫度為128 ℃,跨中撓度為11mm 且較穩(wěn)定,繼續(xù)試驗(yàn)到150 min 時(shí),跨中撓度為13 mm ,且無(wú)加速增大的趨勢(shì). 試驗(yàn)后觀察涂層損壞情況:側(cè)面涂料沿梁縱向產(chǎn)生分布均勻的豎向裂縫,底面涂料平均脫落2 層,如圖3 所示. 打開檢測(cè)內(nèi)部涂料情況發(fā)現(xiàn),梁側(cè)豎向裂縫并未貫穿保護(hù)層,內(nèi)部涂層基本完整,所加鋼絲網(wǎng)片對(duì)防火涂層起到了很好的約束作用.
梁L2 的試驗(yàn)在開始20 min 時(shí)所發(fā)生的現(xiàn)象與梁L1 基本一致. 27 min 時(shí),梁端底面涂料在變厚度處產(chǎn)生沿梁方向的水平裂縫. 34 min 時(shí),跨中底面涂層與CFRP 之間出現(xiàn)水平裂縫,隨后裂縫增大,并有火苗從裂隙竄出,CFRP 開始燃燒. 42 min 時(shí),梁端部底面外層涂料脫落. 44 min 時(shí),跨中涂料層完全脫落,CFRP 開始劇烈燃燒. 48 min 時(shí),碳纖維絲燒斷,并在熱空氣中飄浮. 71 min 時(shí),梁端部底面又有一涂料層翹起. 79min時(shí),梁底部全部膠體被燒毀,碳纖維絲在火中呈白色. 90 min 時(shí),跨中碳纖維絲全部燒光. 117 min 時(shí)鋼筋混凝土梁撓度達(dá)到130mm ,隨即垮塌,試驗(yàn)結(jié)束.
由于施工時(shí)涂料為分層作業(yè),50 mm 厚涂層共分為5 層,形成自然的薄弱面,受火時(shí)易分層脫落.涂料內(nèi)層由于有鋼絲網(wǎng)片約束,試驗(yàn)過(guò)程中保持完整,也說(shuō)明鋼絲網(wǎng)片的約束作用十分明顯. L2 梁跨中非錨固區(qū)20 mm 厚涂層內(nèi)未置鋼絲網(wǎng)片,在火燒不到40 min ,碳纖維布燃燒,防火失敗.
4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
4. 1 溫度過(guò)程及分析
梁L1 端部和跨中各測(cè)點(diǎn)的升溫曲線分別如圖4a 和圖4b 所示,梁L2 端部和跨中各測(cè)點(diǎn)的升溫曲線分別如圖5a 和圖5b 所示. 梁L1 和L2 不同時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的溫度如表1 所示,其中L1 梁跨中3 ,4 測(cè)點(diǎn)熱電偶未測(cè)出溫度. L2 梁跨中由于防火涂層脫落導(dǎo)致溫度過(guò)高,熱電偶損壞.
由梁不同斷面的升溫曲線可以看出,梁端溫度較跨中溫度為小,主要是由于跨中防火層先分層脫落導(dǎo)致保護(hù)層厚度減小所致. 角部測(cè)點(diǎn)較其他位置測(cè)點(diǎn)溫度高,這是由于角點(diǎn)兩面受火的緣故. 底面中部測(cè)點(diǎn)較兩側(cè)面中部測(cè)點(diǎn)溫度高,一方面是由于梁底面防火涂層在受火過(guò)程中部分脫落變薄,另一方面是由于二者熱流方向不同所致.
由圖4a ,4b 和5a 的溫度曲線明顯可見,在溫度接近100 ℃時(shí),各測(cè)點(diǎn)升溫速度較緩慢,并保持低于100 ℃長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘的時(shí)間,在溫度曲線中產(chǎn)生水平段,即溫度平臺(tái). 如果定義溫度平臺(tái)的起始溫度為90 ℃的話,梁L1 端截面兩側(cè)面中部測(cè)點(diǎn)在火燒90min 時(shí),進(jìn)入溫度平臺(tái),長(zhǎng)達(dá)40 min. 梁L2 端截面一側(cè)面中部測(cè)點(diǎn)在100 min 時(shí)進(jìn)入溫度平臺(tái)直到試驗(yàn)結(jié)束. 另一側(cè)面中部測(cè)點(diǎn)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中溫度一直低于90 ℃. 梁L2 端截面一角部測(cè)點(diǎn)在80 min 時(shí)進(jìn)入溫度平臺(tái),持續(xù)30 min. 產(chǎn)生這個(gè)溫度平臺(tái)的主要原因是,在防火涂層中含有大量自由水和結(jié)晶水,當(dāng)涂層溫度接近水沸點(diǎn),這些水分開始蒸發(fā),水分由液相變成氣相, 吸收大量的熱, 從而延緩了CFRP 溫度的升高.
采用ANSYS 通用分析程序?qū)υ囼?yàn)梁進(jìn)行有限元分析,因試件截面尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度,考慮到爐內(nèi)均勻溫度場(chǎng),沿構(gòu)件長(zhǎng)度各截面溫度分布可視為均勻,因此可取構(gòu)件一個(gè)截面進(jìn)行二維傳熱分析. 截面單元?jiǎng)澐秩鐖D6 所示,計(jì)算時(shí)取混凝土的熱工參數(shù):密度ρ = 2 300 kg ·m- 3 , 比熱容c = 1 200 J ·kg - 1 ·K- 1 ,導(dǎo)熱系數(shù)λ= 1. 5 W·K- 1·m- 1 ;防火涂料的熱工參數(shù):密度ρ= 500 kg·m- 3 ,比熱容c = 1 000 J ·kg - 1·K- 1 ,導(dǎo)熱系數(shù)λ= 0. 12 W·K- 1·m- 1 ;由于碳纖維層很薄,其熱工性能忽略. 按ISO834 —1975 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫,在對(duì)流、輻射條件下進(jìn)行溫度場(chǎng)分析. 分析時(shí)考慮了防火涂料層中水分蒸發(fā)吸收熱量對(duì)溫度場(chǎng)的影響. 圖7 為L(zhǎng)1 梁部分測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的對(duì)比,由圖可以看出,理論計(jì)算的測(cè)點(diǎn)溫度過(guò)程與試驗(yàn)結(jié)果較吻合.
4. 2 撓度過(guò)程及分析
L1 梁和L2 梁的實(shí)測(cè)撓度- 溫度過(guò)程曲線如圖8 所示. 在受火過(guò)程中,L1 梁防火涂層不斷開裂、脫落,碳纖維布和結(jié)構(gòu)膠的溫度上升,強(qiáng)度下降,結(jié)構(gòu)撓度不斷增加,但在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,撓度波動(dòng)不大,基本均勻增加.
L2 梁在試驗(yàn)開始的30 min 內(nèi)撓度發(fā)展較為平緩,在之后的5 min 內(nèi),撓度出現(xiàn)一次明顯增長(zhǎng),由8mm 增加到14 mm , 后又趨平緩. 在75 min 時(shí),CFRP 的結(jié)構(gòu)膠幾乎全部燒毀,原CFRP 加固梁退化為普通鋼筋混凝土梁,撓度開始以遠(yuǎn)大于前一階段的速率急劇增長(zhǎng),在10 min 內(nèi)增加了40 mm ,之后撓度保持約以2 mm·min - 1的速度增加.在試驗(yàn)中,梁撓度隨時(shí)間變化多處波動(dòng),這一方面可能是由于位移計(jì)的精度不夠,另一方面也可能與防火涂層受火時(shí)分層脫落引起CFRP 溫度突變產(chǎn)生滑移有關(guān).
5 結(jié)論
(1) 現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)厚型防火涂料也同樣適用于CFRP 加固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),用50 mm 厚的防火涂料全截面保護(hù)CFRP 加固的鋼筋混凝土梁,其耐火極限可達(dá)到2. 5 h 以上.
(2) 用于CFRP 加固結(jié)構(gòu)的防火涂料較厚,由于施工時(shí)分層涂抹形成的自然分界面,火災(zāi)時(shí)易于分層脫落. 在防火涂層內(nèi)部設(shè)置鋼絲網(wǎng)片能很好地防止其開裂和脫落,且鋼絲網(wǎng)片應(yīng)盡量放在涂層外側(cè).
(3) 試驗(yàn)證明,涂覆厚型防火涂料的防火保護(hù)措施對(duì)于CFRP 加固的鋼筋混凝土梁是較為成功的,該方法也同樣適用于CFRP 加固的鋼筋混凝土板和柱,以及粘鋼加固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),但應(yīng)根據(jù)不同防火要求采用不同的涂層厚度.
(4) 后續(xù)研究工作是進(jìn)一步改進(jìn)防火涂層構(gòu)造措施,優(yōu)化防火涂層厚度,以及研究其他材料的防火保護(hù)效果,本文工作還僅是個(gè)開端.
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