碳纤维加固钢筋混凝土板防火性能试验研究

碳纤维加固钢筋混凝土板防火性能试验研究

cfrp加固技术碳纤维增强材料（rci）已在汽车和航运行业中应用了40年。在过去的十几年间,其价格大幅度下降,也由于土木工程修复和加固的需求不断增长,CFRP被广泛应用于土木工程加固和改造领域。相比于传统的外贴钢板加固法,外贴CFRP加固法具有轻质高强、耐腐蚀、安装快速简易、维护费用少、抗疲劳性能好等优点。然而,用于粘贴CFRP的胶粘剂,大多属于环氧类有机物,其玻璃态转化温度Tg(theglasstransitiontemperature)一般都比较低(65～150°C)。在高温下,当温度超过Tg后,CFRP与混凝土之间的粘结强度会迅速降低,从而影响两者之间的共同工作性能。因此,目前CFRP加固技术主要用于防火要求不高的结构,如桥梁等室外结构。要想开拓CFRP加固技术的应用市场,把它应用到多、高层民用建筑、公共建筑及工业厂房等耐火等级要求较高的建筑中,必须对碳纤维加固混凝土结构在火灾下的性能进行研究。目前,有关常温下碳纤维加固钢筋混凝土构件的研究工作已经开展得比较多了,但是对于其在高温下的受力性能则研究得比较少。现有的研究主要集中在两个方面,一方面是通过采用防火保护措施,降低火灾作用下碳纤维粘贴层的温度,从而保证碳纤维与混凝土之间的粘结作用;另一方面是通过提高粘贴CFRP的胶粘剂的玻璃态转化温度,特别是采用无机胶粘剂,来提高火灾作用下碳纤维与混凝土之间的粘结作用。本文采用课题组研制的耐高温、无毒的无机胶——氯氧镁水泥(MagnesiumOxychlorideCement,MOC)及传统的有机胶粘贴碳纤维加固钢筋混凝土板,探讨在采用厚型防火涂料保护和不采用任何防火保护措施情况下,2种胶粘剂粘贴碳纤维加固混凝土板的耐火性能。1试验总结1.1试件的加固与材料本次试验共制作了5块钢筋混凝土板,其中1块未进行加固,2块采用有机胶粘剂粘贴碳纤维加固,2块采用无机胶粘剂MOC粘贴碳纤维加固。板的几何尺寸及配筋等见图1及表1。混凝土设计强度等级为C25,试验时混凝土的实测立方体抗压强度为25.6MPa,钢筋采用Ⅰ级钢筋,钢筋的力学性能见表2。试件B2～B5的加固方式相同,均采用1层碳纤维布加固,宽度为150mm的2条,每条长度3600mm。具体加固方式见图1。碳纤维采用日本东丽公司生产的碳纤维布,具体的力学性能见表3,其中B2及B4采用配套的有机胶粘剂粘贴,B3及B5以课题组研制的掺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)。试件B4及B5的碳纤维外表面采用某大型防火涂料生产厂家提供的厚型防火涂料进行防火保护,涂层的厚度为10mm。1.2升温曲线选择试验在东南大学九龙湖校区火灾试验室的水平火灾试验炉上进行,炉内尺寸为(4.0×3.0×1.5)m。试验采用恒载升温途径,按ASTM-E119的标准升温曲线进行。加载采用板面放置质量块模拟均布荷载,并在整个升温过程中保持不变,支座条件为两端简支,净跨3800mm。1.3试件的温度和位移测量试验中,采用K型热电偶(由镍铬-镍硅热电偶丝制成)测试构件如图2(a)所示的3个位置沿板厚方向的温度变化情况,沿板厚测点的布置情况见图2(b)。所有试件内的热电偶温度由数据采集系统采集后输入到计算机中。试件的位移采用拉线式位移传感器测量,测点沿试件顶面中轴线对称布置,如图3所示。根据《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(本次试验为190mm),L为试件的计算跨度。2试验结果的分析2.1板吊离试验结果火灾试验开始后大约5min的时间,板的背火面开始出现白烟,随着试验的进行,白烟量逐渐增多;60min后,白烟的量开始有所减少;将近90min后,白烟几乎消失。燃烧过程中,伴随有噼噼啦啦的爆裂声。如图4所示,试验后可以看到板B1的侧边有许多裂缝,部分已经贯通,板吊离试验炉后,板底及板侧边的混凝土严重开裂、脱落严重。板B2的碳纤维全部拉断脱落,变成条状垂下,粘贴碳纤维的有机胶完全烧成了灰状,板底满是裂缝。板B3底面的无机胶除靠近板边的地方容易脱落外,板中部的剩余无机胶粘贴得还比较牢固,说明还有一定的粘结强度。板B4外侧的厚型防火涂料除端部外全部脱落,而碳纤维也已经全部拉断,呈丝状垂挂在板端部,露出的有机胶已经烧成灰状。板B5外侧的防火涂料已经大块脱落,尤其是跨中部分几乎完全脱落,碳纤维大部分已经拉断并脱落,无机胶也脱落严重,板的跨中有一条很宽的贯通裂缝,由于受火时间较长,混凝土损伤也比较严重。2.2升温曲线测试试验过程中,试件B1～B5的升温曲线及各测点的温度详见图5,图中的实际温度为试验炉内的8个铠装热电偶测得的温度平均值,1#、2#、3#、4#、5#、6#分别为图2(b)所示沿板厚度方向布置的6个热电偶的实测温度。由图5可以看出:(1)本次试验中,试验炉内的实际升温曲线与ASTM-E119的标准升温曲线吻合很好,达到了预期的试验目的。(2)试件B2碳纤维粘贴层(测点6)的温度在升温3min时为82°C,升温4min时为121°C;试件B4碳纤维粘贴层的温度在升温8min时为90°C,升温9min时为161°C。由此可见,碳纤维粘贴层的温度在未采取任何防火防护措施及采用10mm厚型防火涂料进行保护的情况下,分别在升温4min及9min时,超过100°C。此时,由于碳纤维粘贴层的温度超过了碳纤维的玻璃态转化温度,碳纤维与混凝土之间的粘结强度迅速降低,从而导致碳纤维的加固作用基本丧失。(3)升温50min时,试件B2与B3钢筋位置(测点4)处的温度分别为396°C和327°C,试件B4与B5钢筋位置处的温度分别为288°C和123°C,由此可见,采用厚型防火涂料可以显著降低钢筋的温度,从而保证构件在火灾条件下的承载能力。2.3跨中变形突变由图6及图7的时间—跨中变形曲线可以看出:(1)B2与B4的时间—跨中变形曲线分别在4min及9min时发生突变,此时碳纤维粘贴层的温度超过100°C,碳纤维与混凝土的粘结强度迅速降低,碳纤维的加固作用基本丧失,原来由碳纤维所承受的竖向荷载转而由钢筋混凝土板承受,从而导致板的跨中变形迅速增加,产生突变。由此可见,未采用任何防火保护措施的有机胶粘贴碳纤维加固混凝土板在升温4min时基本丧失加固作用,采用10mm厚型防火涂料的有机胶粘贴碳纤维加固混凝土板在升温9min时基本丧失加固作用。因此,为保证碳纤维加固混凝土板的加固作用,必须采用足够厚的厚型防火涂料,根据课题组的前期研究,当厚型防火涂料的厚度达到35mm以上时,才能保证碳纤维层的温度在升温90min时仍低于100°C(文献)。(2)由于跨中变形曲线产生突变,B4表面的厚型防火涂料开裂,防火保护作用减弱,从而导致如图7(b)所示防火涂料内侧的温度迅速上升。(3)B3与B5的时间—跨中变形曲线在整个升温过程中未见明显的突变,可见碳纤维与混凝土之间的粘结并没有完全丧失,随混凝土的高温损伤逐渐降低。2.4有机胶粘贴碳纤维加固混凝土板的性能分析各试件的耐火极限详见表1,从表1可以看出:(1)与未加固的B1相比,在温度较低的情况下,采用有机胶粘贴碳纤维加固的B2的承载能力还是有所提高的,但当温度升高到超过有机胶的Tg时,碳纤维布与混凝土之间的粘结强度会迅速降低,使得碳纤维失去加固作用,导致B2的耐火极限明显低于B1,故在未采取有效防火保护措施的情况下,火灾作用下有机胶粘贴碳纤维加固混凝土板的承载能力得不到有效提高。(2)采用有机胶粘贴碳纤维加固,并在有机胶外侧采用10mm厚型防火涂料的B4耐火极限大于未加固的B1,但是由前面的分析可以看出,升温9min时,碳纤维的加固作用已基本丧失,其耐火极限之所以能提高,主要是由于防火涂料对钢筋混凝土板起到了防火保护作用。(3)采用无机胶粘贴碳纤维加固的B3耐火极限明显大于未加固的B1,而且此时B3所承受的竖向荷载也大于B1,由此可见,即使未采取任何防火保护措施,采用无机胶粘贴的碳纤维仍具有较好的加固性能,其耐火极限超过90min,满足耐火等级一级建筑楼板的耐火要求。(4)B5在无机胶的外侧采用10mm厚的厚型防火涂料进行保护,因此其耐火极限更是达到154min,远远大于B1。(5)在相同的竖向荷载作用下,试件B2的耐火极限最短,B5的耐火极限最长。采用无机胶粘贴碳纤维加固的2块混凝土板的耐火极限明显大于采用有机胶粘贴的。由此可见,无机胶具有较好的耐火性能。3有机胶粘贴碳纤维加固混凝土板的标准本研究得出以下主要结论:(1)火灾条件下,在未采取任何防火保护措施的情况下,有机胶粘贴碳纤维加固混凝土板的耐火极限明显低于未加固混凝土板。采用10mm厚的厚型防火涂料保护后,其耐火极限与未加固混凝土板基本相同。(2)火灾条件下,采用无机胶粘贴碳纤维加固混凝土板,即使在未采取任何防火防护措施的情况下,其耐火极限超过90min,明显高于未加固混凝土板,满足耐火等级一级建筑楼板的耐火要求。在采用10mm厚的厚型防火涂料保护后,其耐火极限更是达到154min。(3)有机胶粘贴碳纤维加固混凝土板在未采取任何