防火措施对碳纤维布加固钢筋混凝土板防火性能的影响

防火措施对碳纤维布加固钢筋混凝土板防火性能的影响

碳纤维布加固钢筋混凝土板高温下的耐久性研究据统计，与新建项目相比，项目改革投资约40%，缩短项目审批时间约50%，投资回收率快3.4倍。碳纤维布加固混凝土结构技术具有高效高强、耐腐蚀性和耐久性好、不增加构件的自重及体积、适用面广、施工便捷等诸多优点,在国内外加固工程中得到了广泛的应用。目前,有关常温下碳纤维布加固钢筋混凝土构件的研究工作已开展较多,并取得了大量研究成果,但高温下该类构件的研究还刚刚开始。Blontrock等进行了碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火试验。试验过程中考虑了石膏板和石棉2种不同的防火材料,以及不同的加固量。研究结果表明:防火材料对提高加固板的耐火极限是必须的;碳纤维布与混凝土之间黏结作用的丧失发生在升温后24~55min之间,此时二者之间胶粘剂的温度约为47~69℃。Williams等也对采用不同种类及厚度防火材料进行保护的4块碳纤维布加固钢筋混凝土板进行了耐火试验。试验结果表明:在仅承受自重的情况下,防火材料厚度为38mm和19mm时,加固板的耐火极限分别大于4h和2h。但这些研究中防火材料的厚度都相对较大。与此同时,国内有关碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火性能研究几乎还是一片空白。针对上述问题,本文在实际荷载比0.53的情况下,通过3块设置不同防火涂料的碳纤维布加固钢筋混凝土板,以及1块未加固板的明火对比试验,探讨了水泥砂浆防火保护层和不同厚度的国产薄型防火涂料对提高该类加固构件耐火性能的效果。1试验总结1.1钢筋与碳纤维布的加固总共制作了4块截面尺寸、配筋情况、混凝土强度等级完全相同的钢筋混凝土板,其中1个未进行加固(试件B1),其余3个采用碳纤维布进行了加固(试件B2~B4)。图1所示为试件的截面及配筋情况,试件两端简支,净跨3440mm。混凝土设计强度等级C25,试验时混凝土的实测立方体抗压强度28.9MPa。所有钢筋均采用Ⅰ级钢筋。试件B2~B4的加固量相同,均为一层碳纤维布加固并黏贴于板底,宽度250mm,长度3320mm。根据CECS146:2003《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》的规定,碳纤维布两端设有压条。具体加固方式见图2。碳纤维布采用新日本石油株式会社生产的ST200碳纤维布,单层厚度0.111mm;采用配套的TH-RESIN型胶粘剂。试件B2的碳纤维布表面采用厚度15mm的水泥砂浆(注:水泥与砂的体积比为1∶2.5)进行防火保护;试件B3和B4的碳纤维布表面分别涂有厚度3mm和5mm的薄型防火涂料(注:广州市泰堡防火材料有限公司生产的TB薄型防火隔热涂料)。实际施工过程中,水泥砂浆和防火涂料的涂抹范围均适当超越了碳纤维布的边界,以确保边界处的防火效果,具体见图3。钢筋和碳纤维布的常温力学性能见表1。各试件的具体情况见表2。1.2炉内温度变化本次试验在华南理工大学结构耐火实验室进行,采用恒载升温途径,板底单面受火,受火面长度3m。在板面放置质量块以模拟均布荷载,并在整个升温过程中保持不变。试件吊装到位之后,安装位移和温度量测系统。升温过程中,利用铠装式热电偶测量试验炉内不同位置的气体温度,通过计算机对其平均值进行实时自动控制,使之按ISO834标准升温曲线升温。图4所示为试件B4试验过程中炉膛内的平均气体温度-时间曲线与ISO834标准升温曲线的对比。从图中可以看出,二者吻合很好,符合GB/T9978—1999《建筑构件耐火试验方法》的要求。其他试件对应的炉内升温过程也均与ISO834标准升温曲线吻合较好。试验过程中,仅量测试件跨中的竖向位移。根据GB/T9978—1999《建筑构件耐火试验方法》的规定,试件达到耐火极限的判定准则为:试件的最大挠度超过L/20。其中L为试件的计算跨度(即净跨),mm。试件内部温度采用WRNK-101K型铠装式镍铬-镍硅热电偶进行量测。试件B1~B4的混凝土内部设置有8个热电偶,各温度测点的具体位置见图5。2试验结果的分析2.1板底混凝土局部脱色图6和图7所示分别为试验后试件的宏观破坏形态和板底裂缝情况。试件B1的板底混凝土有较多局部脱落,试件B2~B4没有防火材料覆盖的那部分板底混凝土也有个别地方局部脱落,脱落深度一般为5~15mm。试件B1~B4的板底除出现众多细小裂缝之外,跨中附近还有一些较明显的横向裂缝。试件B2~B4的防火保护层均严重脱落,即使未完全脱落的部位防火保护层也已被部分掀起。常温下,碳纤维布是由众多碳纤维单丝通过胶粘剂黏结成一体共同工作的。试验过程中由于胶粘剂受热失效,碳纤维布可能分离成一组组碳纤维丝悬挂于板底。2.2性能对比及分析混凝土浇筑过程中,试件B1的第1、6、7测点,试件B2的第1、2测点,试件B3的第1、3测点,以及试件B4的第2、8测点的热电偶位置发生了移动,所测数据有误。从图8中可以看出:(1)试验过程中,试件B1~B3的板顶温度均小于130℃。(2)升温后60min试件B1~B4的钢筋下表面温度(注:试件B1的第2、3测点;试件B2~B4的第4、5测点)和上表面温度(注:试件B1的第4、5测点;试件B2~B4的第6、7测点)分别平均为490℃和344℃、449℃和293℃、256℃和173℃、194℃和137℃。由此可知,水泥砂浆的防火效果与防火涂料相比相对较差,防火涂料厚度越大,防火效果越好。从试件B2~B4的板底混凝土温度(注:试件B2的第3测点;试件B3的第2测点;试件B4的第1、3测点)的对比中也可以得出类似结论。(3)升温后10min左右试件B2~B4的板底混凝土温度均已达到150℃,由于板底混凝土温度基本反映了碳纤维布与混凝土表面之间的胶粘剂温度,此时胶粘剂的剪切强度几乎衰减殆尽,意味着碳纤维布的加固效果基本丧失,其担负的竖向荷载转由钢筋混凝土板承担。虽然此时钢筋混凝土板承担的总竖向荷载明显大于未加固试件B1(见表2),但由于防火保护层的存在延缓了板内部分混凝土和钢筋的温度增长,使其抗火性能的衰减较为缓慢,因而从整体上看加固试件B2~B4仍具有较好的耐火性能。从上述分析可以看出,防火保护层最终保护的不是碳纤维布,而是部分钢筋混凝土。虽然常规混凝土构件不设置防火保护层一般也能满足抗火要求,但碳纤维布加固构件所承受的荷载常常明显大于未加固构件。因此,碳纤维布加固构件的抗火问题很大程度上已转化为高荷载水平下常规混凝土构件防火保护层的设置问题。2.3升温后350min的挠度从图9中可以看出:(1)升温后30min以内,各试件的挠度-时间曲线较为相近。(2)升温30min以后,试件B1~B3的挠度增速明显快于试件B4,直接导致后者的耐火极限最终长于前者。(3)升温后30~50min之间,试件B1~B3的挠度增长曲线虽有一定差别,但50min稍后时刻3个试件的挠度值却相差不大。在此之后,试件B1和B3的挠度曲线几乎完全相同,且增速低于试件B2,使得后者的耐火极限最短。2.4碳纤维布加固混凝土板的耐热性各试件的实测耐火极限见表2。从表2中可以看出:(1)由于防火材料对环境温度的阻滞作用,试件B2~B4所承受的外荷载虽然明显大于试件B1,前者的耐火极限仍与后者接近,甚至长于后者。这表明只要采取适当的防火措施,在使用荷载明显增大的情况下,碳纤维布加固钢筋混凝土板仍具有与未加固板大体相当甚至更长的耐火极限。(2)在竖向荷载相同的情况下,试件B2的耐火极限最短,而试件B4的耐火极限最长。这表明水泥砂浆的防火保护效果相对较差,而厚度5mm的薄型防火涂料的防火效果相对较好。3混凝土板的安装通过本文的研究,可以得到如下初步结论:(1)明火作用下碳纤维布加固钢筋混凝土板的防火材料将严重脱落,由于胶粘剂受热失效,碳纤维布分离成一系列单丝悬挂于板底。(2)只要采取适当的防火措施,在使用荷载明显增大的情况下,碳纤