摘要: 采用厚型防火涂料對兩根碳纖維加固的鋼筋混凝土梁進行了不同方法的防火保護. 耐火試驗結果表明,采用50 mm 厚防火涂料全截面保護的碳纖維加固梁的耐火極限超過了2. 5 h ,防火涂層中增設鋼絲網片對約束防火涂層、防止開裂和脫落效果明顯.
關鍵詞: 鋼筋混凝土梁; 碳纖維加固; 防火保護; 耐火試驗
中圖分類號: TU 377. 9 文獻標識碼: A 文章編號: 0253 - 374X(2006) 11 - 1451 - 06
碳纖維增強聚合物CFRP (carbon fiber rein2forced polymer) 最早應用于航空航天領域,近些年被廣泛用于建筑加固改造行業. 其原理是用建筑結構膠將碳纖維布粘貼在混凝土受拉面,充當受拉鋼筋,對結構進行補強加固. CFRP 以其高強、高效、質輕、耐久及施工方便等優點,在建筑改造加固領域應用范圍越來越廣泛,但是它的防火問題卻一直沒有得到解決. CFRP 材料包括碳纖維和配套結構膠. 有研究證明[1 ,2 ] ,隨著溫度的升高,結構膠的抗剪強度急劇下降. 超過120 ℃時, 抗剪強度不足常溫時的20 % ,難以保證碳纖維與混凝土的共同工作,同時碳纖維絲也不能很好地協同工作,其本身的抗拉強度也明顯下降. 另外,如果建筑結構膠沒有任何保護措施,完全暴露在熱空氣中時,大約在600 ℃左右,即會發生劇烈燃燒. 對于碳纖維材料,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3 650 ℃左右. 但在有氧的情況下,當溫度高于400 ℃時即發生明顯的氧化. 當其暴露在600℃的空氣中10 min 后,纖維大部分被氧化[3 ] . 所以沒有任何防火保護的CFRP 在火災發生時難以發揮補強加固的作用. 建筑構件由于承載力不足才進行加固,若加固后不采取防火保護措施則更加危險.在目前執行的CFRP 國家規程[4 ] 和地方規程[5 ]中,由于缺乏CFRP 防火問題的研究資料和實踐經驗,只是籠統地要求選擇適當的防護措施以達到一定的耐火等級,在實際工程中難以實施,因此CFRP 的防火問題亟待解決.
1 CFRP 加固鋼筋混凝土梁的防火保護方法
在傳統的建筑材料中,鋼材的耐火能力較差,其軟化溫度在400 ℃左右,裸露鋼結構的耐火極限一般僅為0. 25 h. 常用的鋼結構防火保護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CFRP ,未嘗不是很好的途徑. 但是,CFRP 中建筑結構膠強度急劇劣化的臨界溫度僅100 ℃左右,與鋼結構相比,其耐火性能更差,直接應用鋼結構的防火保護方法顯然是不夠的.
國外對CFRP 加固結構進行了一系列的防火試驗. 加拿大皇后大學的Kodur 等人[6 ,7 ]采用雙層體系涂料對CFRP 進行防火保護,與CFRP 直接接觸的是V G 層, 又稱惰性層, 質量輕, 隔熱性好, 與CFRP 有較強的粘結性,可直接噴射使用. 外面一層為EI 層,又稱膨脹層,在高溫下可以發泡膨脹. 試驗時采用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CFRP加固板進行了防火保護,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 層對加固柱做了防火保護,均取得了較好的耐火效果. 但與鋼結構厚型防火涂料相比,其使用厚度明顯增大,且外部又增加了價格昂貴的膨脹型保護涂層,防火保護費用可想而知.
我國中南大學徐志勝等人[8 ]對火災后用CFRP加固的鋼筋混凝土梁進行了再受火試驗(用1. 5mm 厚防火涂料進行保護,最高溫度320 ℃) ,結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參數穩定且較易測量,防火效果相對較好,價格相對便宜,與混凝土和CFRP 粘結良好,而且使用不受構件幾何形狀限制,相對于薄型防火涂料和防火板材更具有優勢,本文的試驗中即采用厚型防火涂料對CFRP 加固鋼筋混凝土結構進行防火試驗研究,并對CFRP 的錨固區和非錨固區采用不同厚度的防火保護,進行對比試驗.
2 試驗概況
2. 1 試驗試件
試驗采用兩根相同規格鋼筋混凝土梁,長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,設計強度等級為C30 ,實測混凝土立方體抗壓強度29. 3 MPa. 縱筋為HRB335 級,箍筋為HPB235 級. 碳纖維布抗拉強度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,在養護40d 后進行CFRP 加固. CFRP 加固完成7 d 后進行表面防火保護施工. 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,分層涂抹間隔時間為24 h. 考慮到所用的涂料厚度較大,易產生收縮裂縫,在做完打底涂料和第一層涂抹后,在涂層外面增設一層鋼絲網片,然后再做外面涂層,直到滿足設計厚度. 防火保護施工完成后,自然養護40 d 后進行耐火試驗.
2. 2 防火保護設計
試驗采用上海匯麗集團有限公司二廠生產的SJ - 2 室內厚型防火涂料,廠方提供的涂料熱工參數為:密度500 kg·m- 3 ;比熱容1 000 J·kg - 1·K- 1 ;導熱系數0. 12 W·K- 1·m- 1 .為保證CFRP 與混凝土較好的粘結性,建筑結構膠必須有良好的抗剪強度,CFRP 溫度不能太高,根據參考資料,將100 ℃作為CFRP 的臨界溫度,并基于這一溫度,根據混凝土和防火涂料的熱工參數,用ANSYS 通用有限元分析軟件計算防火涂料的厚度為46 mm ,實際取防火涂料的厚度為50 mm.針對CFRP 加固鋼筋混凝土梁的特點以及前述CFRP 的受熱性能,對CFRP 錨固區和非錨固區采用不同厚度的防火涂料進行保護,做對比試驗研究.第一根梁L1 為全保護梁,在底面和兩個側面全部涂抹50 mm 厚防火涂料,如圖2a 所示;第二根梁L2 為半保護梁,在梁兩端錨固區各1 150 mm 范圍內涂抹50 mm 厚防火涂料,在跨中非錨固區半截面涂抹20 mm 厚防火涂料,如圖2b 所示.
2. 3 加載與加溫條件
根據建筑構件耐火試驗方法[9 ] ,本試驗對試件施加設計荷載,4 個等效集中荷載均為20 kN ,分別位于1/ 8 ,3/ 8 ,5/ 8 和7/ 8 凈跨處.試驗時,梁三面受火,按ISO834 —1975 標準曲線升溫,即T - T0 = 345 lg (8 t + 1)式中: t 為試驗所經歷的時間,min ; T 為升溫到t 時刻的爐溫, ℃; T0 為爐內初始溫度, ℃.
2. 4 測點布置
試驗過程中記錄爐內實際升溫過程,記錄防火涂料背火面(即CFRP 表面) 的溫度過程,記錄梁跨中撓度- 時間關系曲線. 對于CFRP 的溫度測量,L1 梁和L2 梁分別布置了10 個和8 個熱電偶,主要布置在跨中和端截面的底面中心、側面中心和角點處,如圖2 所示.
3 試驗現象及分析
試驗在中國船級社上海遠東防火試驗中心的標準梁板爐內進行,梁兩端簡支,跨度4. 6 m ,恒載30min 后進行耐火試驗.
首先進行梁L1 的試驗. 在點火10 min 內,防火涂料被火面溫度升高較慢,水蒸氣不斷從構件表面冒出. 隨著加熱升溫的繼續,水蒸氣不斷增加. 加熱到28 min 時,梁跨中底面脫落兩層防火涂料(指抹灰層,防火涂料施工時分5 層涂抹,每層厚度約10mm) ,各測點升溫加快,隨后側面涂料產生多條豎向裂縫. 43 min 時,跨中區域側面涂料的最外面兩層接近梁底的部分也脫落. 到68 min 時,梁端部底面涂層開裂翹起,隨后有兩層剝落,此時另一端的底面涂料產生水平裂縫. 到120 min 時,梁側面中心溫度為96 ℃,底面中心溫度為128 ℃,跨中撓度為11mm 且較穩定,繼續試驗到150 min 時,跨中撓度為13 mm ,且無加速增大的趨勢. 試驗后觀察涂層損壞情況:側面涂料沿梁縱向產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. 打開檢測內部涂料情況發現,梁側豎向裂縫并未貫穿保護層,內部涂層基本完整,所加鋼絲網片對防火涂層起到了很好的約束作用.
梁L2 的試驗在開始20 min 時所發生的現象與梁L1 基本一致. 27 min 時,梁端底面涂料在變厚度處產生沿梁方向的水平裂縫. 34 min 時,跨中底面涂層與CFRP 之間出現水平裂縫,隨后裂縫增大,并有火苗從裂隙竄出,CFRP 開始燃燒. 42 min 時,梁端部底面外層涂料脫落. 44 min 時,跨中涂料層完全脫落,CFRP 開始劇烈燃燒. 48 min 時,碳纖維絲燒斷,并在熱空氣中飄浮. 71 min 時,梁端部底面又有一涂料層翹起. 79min時,梁底部全部膠體被燒毀,碳纖維絲在火中呈白色. 90 min 時,跨中碳纖維絲全部燒光. 117 min 時鋼筋混凝土梁撓度達到130mm ,隨即垮塌,試驗結束.
由于施工時涂料為分層作業,50 mm 厚涂層共分為5 層,形成自然的薄弱面,受火時易分層脫落.涂料內層由于有鋼絲網片約束,試驗過程中保持完整,也說明鋼絲網片的約束作用十分明顯. L2 梁跨中非錨固區20 mm 厚涂層內未置鋼絲網片,在火燒不到40 min ,碳纖維布燃燒,防火失敗.
4 試驗結果及分析
4. 1 溫度過程及分析
梁L1 端部和跨中各測點的升溫曲線分別如圖4a 和圖4b 所示,梁L2 端部和跨中各測點的升溫曲線分別如圖5a 和圖5b 所示. 梁L1 和L2 不同時刻各測點的溫度如表1 所示,其中L1 梁跨中3 ,4 測點熱電偶未測出溫度. L2 梁跨中由于防火涂層脫落導致溫度過高,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致保護層厚度減小所致. 角部測點較其他位置測點溫度高,這是由于角點兩面受火的緣故. 底面中部測點較兩側面中部測點溫度高,一方面是由于梁底面防火涂層在受火過程中部分脫落變薄,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,各測點升溫速度較緩慢,并保持低于100 ℃長達數十分鐘的時間,在溫度曲線中產生水平段,即溫度平臺. 如果定義溫度平臺的起始溫度為90 ℃的話,梁L1 端截面兩側面中部測點在火燒90min 時,進入溫度平臺,長達40 min. 梁L2 端截面一側面中部測點在100 min 時進入溫度平臺直到試驗結束. 另一側面中部測點在整個試驗過程中溫度一直低于90 ℃. 梁L2 端截面一角部測點在80 min 時進入溫度平臺,持續30 min. 產生這個溫度平臺的主要原因是,在防火涂層中含有大量自由水和結晶水,當涂層溫度接近水沸點,這些水分開始蒸發,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 通用分析程序對試驗梁進行有限元分析,因試件截面尺寸遠小于長度,考慮到爐內均勻溫度場,沿構件長度各截面溫度分布可視為均勻,因此可取構件一個截面進行二維傳熱分析. 截面單元劃分如圖6 所示,計算時取混凝土的熱工參數:密度ρ = 2 300 kg ·m- 3 , 比熱容c = 1 200 J ·kg - 1 ·K- 1 ,導熱系數λ= 1. 5 W·K- 1·m- 1 ;防火涂料的熱工參數:密度ρ= 500 kg·m- 3 ,比熱容c = 1 000 J ·kg - 1·K- 1 ,導熱系數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 標準升溫曲線升溫,在對流、輻射條件下進行溫度場分析. 分析時考慮了防火涂料層中水分蒸發吸收熱量對溫度場的影響. 圖7 為L1 梁部分測點試驗值與理論計算值的對比,由圖可以看出,理論計算的測點溫度過程與試驗結果較吻合.
4. 2 撓度過程及分析
L1 梁和L2 梁的實測撓度- 溫度過程曲線如圖8 所示. 在受火過程中,L1 梁防火涂層不斷開裂、脫落,碳纖維布和結構膠的溫度上升,強度下降,結構撓度不斷增加,但在整個試驗過程中,撓度波動不大,基本均勻增加.
L2 梁在試驗開始的30 min 內撓度發展較為平緩,在之后的5 min 內,撓度出現一次明顯增長,由8mm 增加到14 mm , 后又趨平緩. 在75 min 時,CFRP 的結構膠幾乎全部燒毀,原CFRP 加固梁退化為普通鋼筋混凝土梁,撓度開始以遠大于前一階段的速率急劇增長,在10 min 內增加了40 mm ,之后撓度保持約以2 mm·min - 1的速度增加.在試驗中,梁撓度隨時間變化多處波動,這一方面可能是由于位移計的精度不夠,另一方面也可能與防火涂層受火時分層脫落引起CFRP 溫度突變產生滑移有關.
5 結論
(1) 現有鋼結構厚型防火涂料也同樣適用于CFRP 加固的鋼筋混凝土結構,用50 mm 厚的防火涂料全截面保護CFRP 加固的鋼筋混凝土梁,其耐火極限可達到2. 5 h 以上.
(2) 用于CFRP 加固結構的防火涂料較厚,由于施工時分層涂抹形成的自然分界面,火災時易于分層脫落. 在防火涂層內部設置鋼絲網片能很好地防止其開裂和脫落,且鋼絲網片應盡量放在涂層外側.
(3) 試驗證明,涂覆厚型防火涂料的防火保護措施對于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構,但應根據不同防火要求采用不同的涂層厚度.
(4) 后續研究工作是進一步改進防火涂層構造措施,優化防火涂層厚度,以及研究其他材料的防火保護效果,本文工作還僅是個開端.
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