碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火性能試驗研究

吳波　王軍麗

華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州510640

引言

    統計資料顯示，與新建工程相比，改建工程節約投資約40％，縮短工期約50％，投資回收速度快3～4倍。碳纖維布加固混凝土結構技術具有高效高強、耐腐蝕性和耐久性好、不增加構件的自重及體積、適用面廣、施工便捷等諸多優點，在國內外加固工程中得到了廣泛的應用。目前，有關常溫下碳纖維布加固鋼筋混凝土構件的研究工作已開展較多，并取得了大量研究成果，但高溫下該類構件的研究還剛剛開始。 

    Blontrock等進行了碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火試驗。試驗過程中考慮了石膏板和石棉2種不同的防火材料，以及不同的加固量。研究結果表明：防火材料對提高加固板的耐火極限是必須的；碳纖維布與混凝土之間黏結作用的喪失發生在升溫后24～55 min之間，此時二者之間膠粘劑的溫度約為47～69℃。Williams等也對采用不同種類及厚度防火材料進行保護的4塊碳纖維布加固鋼筋混凝土板進行了耐火試驗。試驗結果表明：在僅承受自重的情況下，防火材料厚度為38mm和19mm時，加固板的耐火極限分別大于4h和2h。但這些研究中防火材料的厚度都相對較大。與此同時，國內有關碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火性能研究幾乎還是一片空白。

    針對上述問題，本文在實際荷載比0.53的情況下，通過3塊設置不同防火涂料的碳纖維布加固鋼筋混凝土板，以及1塊未加固板的明火對比試驗，探討了水泥砂漿防火保護層和不同厚度的國產薄型防火涂料對提高該類加固構件耐火|生能的效果。

1、試驗概況

    1.1試件設計

    總共制作了4塊截面尺寸、配筋情況、混凝土強度等級完全相同的鋼筋混凝土板，其中1個未進行加固(試件81)，其余3個采用碳纖維布進行了加固(試件82～B4)。試件兩端簡支，凈跨3440mm。混凝土設計強度等級 C25，試驗時混凝土的實測立方體抗壓強度28.9MPa。所有鋼筋均采用I級鋼筋。

     試件B2～B4的加固量相同，均為一層碳纖維布加固并黏貼于板底，寬度250mm，長度3320mm。根據CECS l46：2003《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》的規定，碳纖維布兩端設有壓條。具體加固方式見圖2。碳纖維布采用新日本石油株式會社生產的ST200碳纖維布，單層厚度0.111mm；采用配套的TH—RESIN型膠粘劑。

    試件B2的碳纖維布表面采用厚度15mm的水泥砂漿(注：水泥與砂的體積比為1：2.5)進行防火保護；試件B3和B4的碳纖維布表面分別涂有厚度3mm和5mm的薄型防火涂料(注：廣州市泰堡防火材料有限公司生產的TB薄型防火隔熱涂料)。實際施工過程中，水泥砂漿和防火涂料的涂抹范圍均適當超越了碳纖維布的邊界，以確保邊界處的防火效果。

    1.2試驗過程

    本次試驗在華南理工大學結構耐火實驗室進行，采用恒載升溫途徑，板底單面受火，受火面長度3m。在板面放置質量塊以模擬均布荷載，并在整個升溫過程中保持不變。

    試件吊裝到位之后，安裝位移和溫度量測系統。升溫過程中，利用鎧裝式熱電偶測量試驗爐內不同位置的氣體溫度，通過計算機對其平均值進行實時自動控制，使之按IS0834標準升溫曲線升溫。試件B4試驗過程中爐膛內的平均氣體溫度一時間曲線與IS0834標準升溫曲線的對比。從圖中可以看出，二者吻合很好，符合GB/T 9978--1999《建筑構件耐火試驗方法》的要求。其他試件對應的爐內升溫過程也均與IS0834標準升溫曲線吻合較好。

    僅量測試件跨中的豎向位移。根據 GB／T 9978--1999(健筑構件耐火試驗方法》的規定，試件達到耐火極限的判定準則為：試件的最大撓度超過L／20。其中L為試件的計算跨度(即凈跨)，mm。 

    試件內部溫度采用WRNK．I01K型鎧裝式鎳鉻一鎳硅熱電偶進行量測。試件81～B4的混凝土內部設置有8個熱電偶，各溫度測點的具體位置見圖5。

2、結果分析

    2.1宏觀破壞形態

    宏觀破壞形態和板底裂縫情況。試件B l的板底混凝土有較多局部脫落，試件82～B4沒有防火材料覆蓋的那部分板底混凝土也有個別地方局部脫落，脫落深度一般為5～15mm。試件Bl～B4的板底除出現眾多細小裂縫之外，跨中附近還有一些較明顯的橫向裂縫。試件B2～ B4的防火保護層均嚴重脫落，即使未完全脫落的部位防火保護層也已被部分掀起。

    常溫下，碳纖維布是由眾多碳纖維單絲通過膠粘劑黏結成一體共同工作的。試驗過程中由于膠粘劑受熱失效，碳纖維布可能分離成一組組碳纖維絲懸掛于板底。

    2.2截面溫度場

    混凝土澆筑過程中，試件Bl的第l、6、7測點，試件82的第l、2測點，試件B3的第l、3測點，以及試件84的第2、8測點的熱電偶位置發生了移動，所測數據有誤。

    防火保護層最終保護的不是碳纖維布，而是部分鋼筋混凝土。雖然常規混凝土構件不設置防火保護層一般也能滿足抗火要求，但碳纖維布加固構件所承受的荷載常常明顯大于未加固構件。因此，碳纖維布加固構件的抗火問題很大程度上已轉化為高荷載水平下常規混凝土構件防火保護層的設置問題。

3、小結

    通過本文的研究，可以得到如下初步結論：

    (1)明火作用下碳纖維布加固鋼筋混凝土板的防火材料將嚴重脫落，由于膠粘劑受熱失效，碳纖維布分離成一系列單絲懸掛于板底。

    (2)只要采取適當的防火措施，在使用荷載明顯增大的情況下，碳纖維布加固鋼筋混凝土板仍具有與未加固板大體相當甚至更長的耐火極限。

    (3)厚度l5mm的水泥砂漿的防火效果與防火涂料相比相對較差，防火涂料厚度越大，防火效果越好，厚度5mm的薄型防火涂料的防火效果相對較好。

    (4)需要指出的是，上述結論是在實際荷載比等于0.53時針對本文特定防火形式得到的，對于其他荷載比和其他防火形式等情況，尚有待進一步探討。

參考文獻

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    [2]趙彤，謝劍．碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M]．天津：天津大學出版社，2001

    [3]岳清瑞．我國碳纖維(CFRP)加固修復技術研究應用現狀與展望[J]．工業建筑，2000，30(10)：23—26

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)