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(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東廣州510640

引言

    統(tǒng)計資料顯示，與新建工程相比，改建工程節(jié)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(jié)構(gòu)技術(shù)具有高效高強、耐腐蝕性和耐久性好、不增加構(gòu)件的自重及體積、適用面廣、施工便捷等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)外加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，有關(guān)常溫下碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)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(gòu)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(jié)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(jié)作用的喪失發(fā)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(jié)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(nèi)有關(guān)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(shè)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(chǎn)薄型防火涂料對提高該類加固構(gòu)件耐火|生能的效果。

1、試驗概況

    1.1試件設(shè)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(shè)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(jù)CECS l46：2003《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，碳纖維布兩端設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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(xué)結(jié)構(gòu)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(zhì)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(tǒng)。升溫過程中，利用鎧裝式熱電偶測量試驗爐內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫。試件B4試驗過程中爐膛內(nèi)的平均氣體溫度一時間曲線與IS0834標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)件耐火試驗方法》的要求。其他試件對應(yīng)的爐內(nèi)升溫過程也均與IS0834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合較好。

    僅量測試件跨中的豎向位移。根據(jù) GB／T 9978--1999(健筑構(gòu)件耐火試驗方法》的規(guī)定，試件達到耐火極限的判定準(zhǔn)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(nèi)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(nèi)部設(shè)置有8個熱電偶，各溫度測點的具體位置見圖5。

2、結(jié)果分析

    2.1宏觀破壞形態(tài)

    宏觀破壞形態(tài)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(xiàn)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(yán)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(jié)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(fā)生了移動，所測數(shù)據(jù)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(guī)混凝土構(gòu)件不設(shè)置防火保護層一般也能滿足抗火要求，但碳纖維布加固構(gòu)件所承受的荷載常常明顯大于未加固構(gòu)件。因此，碳纖維布加固構(gòu)件的抗火問題很大程度上已轉(zhuǎn)化為高荷載水平下常規(guī)混凝土構(gòu)件防火保護層的設(shè)置問題。

3、小結(jié)

    通過本文的研究，可以得到如下初步結(jié)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(yán)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(dāng)?shù)姆阑鸫胧�，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(dāng)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(jié)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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    [3]岳清瑞．我國碳纖維(CFRP)加固修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]．工業(yè)建筑，2000，30(10)：23—26

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)