粘结剂对钢筋混凝土柱防火性能的影响

粘结剂对钢筋混凝土柱防火性能的影响

碳纤维加固混凝土结构复合结构的复合性能近年来，外包纤维板加固法利用了碳有机材料的优点，具有轻轻性、耐腐蚀性、施工周期长、维护成本少、抗疲劳性好等优点。然而，与用碳有机胶混合的碳有机凝胶的玻璃转化温度仅为tg（即用碳吸收层）约为100c，碳吸收层的固结效果将很快丧失。为此,国内外科研人员开始从两方面来改善碳纤维加固混凝土结构的耐火性能:一是对碳纤维采取防火保护措施,如通过表面粉刷、涂刷防火材料、外包防火板等方法,延缓粘结层内部的温度达到Tg,延长碳纤维和混凝土共同工作的时间,以此来提高碳纤维加固混凝土结构的耐火性能,如Williams等、Kodur等、吴波等的研究;二是从碳纤维增强复合材料高温性能中的薄弱环节(树脂粘结剂)入手,通过改进粘结剂的耐火性能,如采用无机胶、改性的有机胶等,来提高碳纤维加固混凝土结构的耐火性能,如Toutanji等、万黎黎、郑文忠等的研究。目前对碳纤维加固钢筋混凝土柱耐火性能的研究相对缺乏,针对这一现状,本文尝试采用一种耐高温、无毒的无机胶———氯氧镁水泥(MagnesiumOxychlorideCement,MOC)来粘贴碳纤维布,研究无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土柱的耐火性能,并将其与有机胶粘贴碳纤维布加固的混凝土柱和未加固的钢筋混凝土柱的耐火性能进行对比。1试验总结1.1固混凝土柱试件本次试验共设计制作了3根钢筋混凝土柱,其中,混凝土设计强度等级为C25,试件尺寸及配筋情况见图1。试验时,混凝土立方体抗压强度为16.1MPa;纵筋和箍筋的屈服强度分别为378.8MPa和296.2MPa,极限抗拉强度分别为545.9MPa和451.3MPa。其中2根柱分别采用有机胶和无机胶来粘贴碳纤维布,制成碳纤维加固混凝土柱试件,据此将试件分为3组———未加固柱、有机胶粘贴碳纤维布加固柱和无机胶粘贴碳纤维布加固柱,见表1。试验所用的有机胶为大连智鑫建筑新技术工程有限公司生产的智鑫牌JGN型建筑结构胶,无机胶为自行配制的氯氧镁水泥(MOC)粘结剂。采用掺10%高铝水泥的MOC作为底胶层和找平层,采用纯MOC作为碳纤维布粘结剂。MOC的制备原材料为工业用轻烧MgO、MgCl2·6H2O、普通工业用高铝水泥,配合比为MgO∶MgCl2=10.75∶1(摩尔比),水∶(MgO+MgCl2)=0.45∶1(质量比)。所有加固试件的碳纤维布粘贴层数均为2层,粘贴方法为连续环向粘贴于试件侧面、全面包裹混凝土试件,上下条带之间搭接50mm,各条带自身环向搭接300mm。对于将用无机胶MOC进行粘贴的碳纤维布,先用无水乙醇浸泡0.5h,以洗去表面憎水基有机物,使得纤维布各丝束之间充分散开,增强MOC在纤维布之间的渗透性,然后晾干待用。碳纤维布的材料性能见表2。为测得火灾下试件的截面温度场,在试件1/2高度处的横截面内布置了热电偶,测点布置见图2。变形测点位于柱顶,采用拉线式位移传感器测量。1.2试验加载制度本次试验在东南大学火灾试验室垂直抗火试验炉上进行,炉膛内尺寸为(3.0×3.0×3.0)m,配有专门的加载反力架,最大竖向加载能力为5000kN。试验时,炉内温度由计算机自动控制,并能按预先设定的升温曲线自动升温。研究表明,实际建筑物中,混凝土柱使用荷载与其容许荷载之比一般为0.5～0.7,据此,试验时对未加固的钢筋混凝土柱Z1,柱顶所加的竖向荷载取为其极限承载力的60%。为了便于对比,试件Z2的竖向荷载也取为其极限承载力的60%,并将试件Z3的竖向荷载取为与Z2一致,具体荷载取值见表1。柱两端边界条件模拟为固接,在底部基坑内和柱顶炉盖口处填塞防火棉,使得试件的实际受火高度为炉膛的高度3.0m。安装完加载系统及温度和位移量测系统后,开始进行试验。竖向荷载分5级施加,每级荷载持荷10min,以使柱的轴向变形达到稳定。此过程不加热,为预加载阶段。之后,开始点火进入火灾试验阶段,并由计算机实时控制炉内温度,使之尽可能严格按照ISO834标准升温曲线进行升温。在试件达到耐火极限后,停火并且停止加载。试验过程中,炉内温度和压力、试件各测点的温度以及试件的轴向变形,均由计算机数据采集系统自动采集。根据《建筑构件耐火试验方法》规定,柱构件达到耐火极限的判定准则为试件发生垮塌,或试件的轴向变形大于H/100(mm),或轴向变形速率大于3H/1000(mm/min)。H为试件的初始受火高度(mm)。2宏观破坏形态火灾试验过程中,所有试件都会有白烟从炉盖口和其它空隙处溢出,白烟为水蒸汽。在竖向荷载和高温的共同作用下,所有试件的最终破坏都呈现出一定的脆性特征,表现为破坏来得较为突然,试件的轴向变形陡然快速增大,变形速率很快超过耐火极限限值,同时,试件无法继续承担所施加的竖向荷载。无机胶加固试件Z3在破坏时还带有“咚”的一声巨响,其它试件则未发出明显的声响。试验后各试件的宏观破坏形态见图3。在主破坏区域,混凝土脱落严重,脱落深度深及箍筋内部核心区混凝土,有的混凝土则整体往外鼓出,几欲脱落;纵筋和箍筋外露,且纵筋呈压屈状,箍筋则由于受到纵筋和内部混凝土的挤压而发生变形以至错位,甚至拉断。对于未加固试件Z1,在受火高度内,柱身明显发黄、起皮,表层混凝土非常酥松,用手可以戳动,由于部分区域混凝土保护层脱落,露出了内部骨料。试件的主要破坏区域有2处,一处在柱身中部,一处在离柱顶约1/3高度处。对于有机胶加固试件Z2,点火8min后,从炉底飘出黄色浓烟,气味刺鼻,约持续了2min,这是柱身有机胶的燃烧所致。打开炉子后,发现在受火高度内,柱身的CFRP约束不复存在,碳纤维布散落在基坑各处,呈碎条状。露出的混凝土颜色发黄,其上还粘有一些有机胶燃烧剩下的灰烬。试件的主要破坏区域靠近柱身上部,有明显的纵向劈裂裂缝。对于无机胶加固试件Z3,在受火高度内,柱身的无机胶颜色发白,且由于部分面层无机胶起皮、脱落,柱身看上去斑驳陆离,总体看来,外层无机胶脱落严重,里层基本无脱落,但都很酥松,一戳就掉;碳纤维布已分散成丝束,些许散落在基坑内,大部分仍残留在柱身,但很容易扯下,同有机胶试件一样,CFRP约束已失效。试件的主要破坏区域靠近受火高度底部。3试验结果与分析3.1混凝土受火后的温度分布试件内各测点的实测温度随时间变化的关系曲线如图4所示,其中有些测点由于热电偶的失效而未能得到数值。从图中可以看出:(1)各试件火灾试验过程中,炉内空气的实测升温过程与ISO834标准升温曲线总体吻合较好。除了第一个试件Z1由于缺乏经验,使得在前70min与标准升温曲线偏差稍大以外,其它时间误差都比较小。(2)从总体上看,柱截面内各测点处的温度会随着受火时间的增长而曲线上升。有些测点的温度—时间曲线会出现下降段,这主要是应力重分布导致混凝土裂缝闭合、混凝土内部水蒸汽的迁徙、测点的移位、热电偶本身的不稳定性等因素所导致。同时,还可以看到大部分测点在100°C附近有一或长或短的温度平台,即温度随时间变化较为缓慢,这是由于混凝土内水分的蒸发和迁徙所致。(3)随着距混凝土柱表面距离的增大,温度会越来越小,且下降幅度会慢慢减缓。总体看来,当距混凝土柱表面的距离大于100mm后,内部混凝土的温度基本相差不大。对于不同的试件,相同位置处测点的温度各不相同,图5对其进行了对比。从图中可以发现:(1)相同位置处的温度,试件Z1要比试件Z2和Z3高,这说明不管采用有机胶还是无机胶,裹在柱身上的碳纤维布都可以在一定程度上延缓内部混凝土的升温。比如距柱表面5mm处,升温到400°C,Z1仅需24min,Z2、Z3则分别需要49min和72min。(2)总体看来,在距离受火面较近处,试件Z2的温度较之试件Z3偏高,这是由于Z2外包的有一定隔热功能的碳纤维布在有机胶燃烧以后从柱身脱落,导致表层混凝土直接受火,而Z3的碳纤维布仍在柱身上,故而试件Z2的温度会较之Z3偏高。而在距离受火面较远处,试件Z2的温度与试件Z3相差不大,这一方面是由于混凝土的热惰性,使得内部混凝土的温度对外部的温度变化不敏感,另一方面则由于无机胶粘贴的碳纤维布在柱身上形成了一道致密的外壳,使得表层混凝土的水蒸汽大部分都往内部转移,于是内部温度会升高,接近Z2的温度。3.2受火情况对试件受力分析图6所示为各试件实测轴向变形随时间变化的关系曲线,其中轴向变形以压缩为正。从图中可以看出:(1)各试件轴向变形的发展大致经历了基本不变、逐渐增长和陡然增大3个阶段。炉子点火后,混凝土内部的温度会逐渐升高,温度升高会带来两方面的效应:一方面试件会产生温度膨胀变形,另一方面会导致混凝土和纵向钢筋的强度及弹性模量降低,进而使试件的受力变形增大。温度膨胀变形和受力压缩变形异号。在试件受火初期,由于混凝土内部的温度不是很高,试件的膨胀变形和受力变形基本上可相互抵消,故而试件总的轴向变形基本不变。随着受火时间的增长,混凝土内部的温度不断升高,到一定时候(Z1为88min时、Z2为40min时、Z3为53min时),试件的受力变形开始明显大于膨胀变形,且前者的发展速度快于后者,故而试件总的轴向变形会逐渐增长。最后阶段,由于混凝土和钢筋的残留强度不足以承受外部荷载,以致试件的受力变形突增,试件轴向变形发展的速率很快就超过了耐火极限规定的限值,试验结束。(2)对于试件Z2,由前述试验现象可知其在8min左右时有机胶发生燃烧,碳纤维约束失效,而其实测轴向变形在该时刻却没有发生明显的变化。这是由于试件所加竖向荷载仅为内部核芯混凝土柱极限承载力的78.4%,还没能有效激发碳纤维的约束作用,即碳纤维提供的约束力很小,故其失效时,柱子的轴向变形不会突然增大。由于碳纤维很早就失效,试件Z2基本上就成了高荷载比条件下的未加固柱,故其轴向变形—时间曲线与试件Z1相似,但斜率(即轴向变形的速度)较Z1大。(3)对于试件Z3,仔细观察可以发现,其轴向变形曲线有2个突变处,81～85min和113～115min时段处,相应变形为1.88～2.89mm和4.63～5.64mm,这说明无机胶粘贴的碳纤维约束至少在前80min可以为核芯混凝土提供约束作用,80min后慢慢失效,故其耐火极限会较相同竖向荷载条件下的试件Z2长。(4)比较试件Z2与Z3的轴向变形—时间曲线可知,由于Z2在8min左右后核芯混凝土就处于无约束状态,而Z3中的混凝土有碳纤维约束作用,且随着受火时间的增长,核芯混凝土的强度不断降低,横向变形不断增大,相应无机胶粘贴碳纤维约束作用就越来越大,故Z2的轴向变形速度较之Z3要大,很快Z2就会先于Z3发生破坏,Z3则会随着外部碳纤维约束作用的慢慢丧失而破坏。3.3机构内部竞争极限各试件的实测耐火极限见表1,从表中可以看出:(1)荷载比相同的条件下,试件Z3的耐火极限比试件Z2提高了53.3%,且和试件Z1的耐火极限相当。故而可知,在相同荷载比条件下,有机胶粘贴碳纤维布加固的混凝土柱耐火极限最短,无机胶粘贴碳纤维布加固的混凝土柱耐火极限与未加固柱相当,比有机胶粘贴碳纤维布加固的混凝土柱提高了53.3%。(2)试件Z3的耐火极限为141min,已超过2h,达到耐火等级为三级的建筑物的要求,同时与未加固试件Z1的耐火极限相当,故可认为无机胶粘贴碳纤维布加固的钢筋混凝土柱有较好的耐火性能。4热功能与热作用本文研究得到以下结论:(1)有机胶粘贴碳纤维布加固的混凝土柱,在受火8min左右后,其表面的有机胶就会发生燃烧,碳纤维约束作用消失;无机胶粘贴碳纤维布加固的混凝土柱,在受火时不会出现燃烧现象,碳纤维至少在前80min可以为核芯混凝土提供约束作用。(2)由于碳纤维具有一定的隔热功能,故当受火时间相同时,碳纤维加固混凝土柱的截面温度场要比未加固柱的低。无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土柱的温度场与有机胶粘贴碳纤维布加固混凝土柱的温度场总体相差不大,只是在距离受火面较近处,由于有机胶粘贴的碳纤维布脱落,导致有机胶加固试件的温度会较无机胶加固试件高一点。(3)在火灾作用下,碳纤维加