碳纤维布抗弯加固混凝土梁的耐火性能试验研究

碳纤维布抗弯加固混凝土梁的耐火性能试验研究

纤维布具有强度高、轻量、施工周期长、施工方便等优点，在混凝土结构加固领域得到了广泛应用。但与之配套的胶粘剂的耐高温性能通常很差,导致无防火保护的碳纤维布加固混凝土结构存在严重安全隐患。我国《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》规定,对有防火要求的建筑物必须选择适当的防火措施以达到规定的耐火等级。但该规定显然较为笼统,在可操作性方面还有待进一步明确和定量。目前,国内外学者对碳纤维布加固混凝土构件的耐火性能已开展了一系列试验研究和计算分析,研究表明设置有防火涂料的加固混凝土梁,大多具有良好的耐火性能[2―9]。但从表1中可以看出,现有研究所采用的防火涂料厚度普遍偏大,且有的设置方式过于保守(例如,梁侧没有碳纤维布的地方也全部涂抹防火涂料)。为进一步提高加固混凝土梁的防火经济性,有必要进一步确认防火涂料厚度相对较薄且梁侧无碳纤维布处完全省略防火涂料时加固梁的火灾行为。此外,加固混凝土梁在荷载和高温共同作用下所产生的裂缝是否会对截面温度场产生较大影响,尚无文献提及。针对上述问题,本文开展了4根碳纤维布抗弯加固混凝土梁和1根未加固对比梁的明火试验,前者碳纤维布表面涂抹有厚度相对较薄(10mm~20mm)的非膨胀型防火涂料。试验考察了梁跨中裂缝对受拉钢筋温度的影响,以及防火涂料厚度较薄时加固梁的耐火性能。1试验总结1.1试验方法和材料共设计5个钢筋混凝土梁,即1个未加固对比梁(L1)和4个碳纤维布抗弯加固梁(L2~L5)。各试件的截面尺寸和配筋情况相同,加固梁底面粘贴宽度200mm、长度4000mm的碳纤维布。根据相关规定,碳纤维布两端及集中力作用处设置有单层碳纤维布U型箍。碳纤维布表面分层喷涂非膨胀型防火涂料,并在涂层厚度1/2处设置钢丝网。底面防火涂料与梁截面等宽,U型箍处防火涂料宽度取为U型箍宽度加上2倍防火涂料厚度,以避免碳纤维布边缘直接暴露于明火中。试件详细情况见表2和图1。采用硅质骨料混凝土,设计强度等级C30,试验时实测立方体抗压强度49.5MPa。纵筋和箍筋分别采用HRB335级和HPB235级钢筋,它们的实测屈服强度分别为375MPa(8)、277.1MPa(12)和357.6MPa(22)。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,抗拉强度3838.6MPa,弹性模量245GPa。配套胶粘剂采用TH-RESIN材料。采用广州市泰堡防火涂料有限公司生产的TB非膨胀型防火涂料,厂家提供的相关参数为密度500kg/m3、质量热容1047J/(kg·℃)、导热系数0.116W/(m·℃)。为确保高温下发生弯曲破坏,各试件的箍筋用量相对较多(剪跨区配箍率达到0.5%),但仍处于正常取值范围。1.2试验过程和布置试验在华南理工大学结构耐火实验室进行。梁两端简支,净跨4400mm,受火长度4000mm。根据建筑构件耐火试验方法,采用4点加载方式,加载点分别位于1/8、3/8、5/8和7/8净跨处。试验采用恒载升温途径,三面受火。预加载至预定荷载的50%并稳压10min,检查各系统和装置是否正常运行后卸载。正式加载至预定荷载并保持恒定,10min后按ISO834标准升温曲线升温。试验过程中,对梁的温度和挠度进行测量。跨中挠度增至L/20(L为梁净跨)时,即认为梁达到其耐火极限,试验结束。为量测裂缝对受拉钢筋温度的影响,在跨中附近的A、B、C这3个截面布置热电偶。位移计和热电偶的具体布设情况见图2,其中热电偶7和热电偶8设置于梁底面,热电偶1、热电偶2、热电偶3设置于受拉钢筋侧面(注:测点3处事先沿梁轴向放置一短钢筋棒)。试验过程中,每60s由仪器自动采集一次数据。2试验结果及分析2.1梁底竖向裂缝与梁底防火涂料的断裂与断裂各试件表现出相似的火灾行为,即升温过程中时有爆裂声传出,竖向挠度历经相当长时间的缓慢增长后,最终在接近耐火极限时迅速增大。加固梁L4在升温后98min左右伴随着较清晰的爆裂声竖向挠度增长加速,10min后传出一声轰响。试验结束后开炉发现,该试件从左边剪跨区断裂成两半并掉落至炉底。表3所示为各试件的破坏位置和耐火极限,试验后各试件的宏观破坏形态和裂缝分布情况见图3。从图3中可以看出:1)试件L1、试件L3和试件L5的变形和裂缝均呈现出典型的弯曲破坏特征,与未加固梁L1相比,加固梁L3和梁L5的竖向裂缝更集中于跨中附近。2)试件L2的最大挠度及最大裂缝出现在左侧剪跨区,该处梁底角部混凝土开裂剥落致使局部纵筋外露,同时梁侧有着最深约25mm的大面积混凝土爆裂。3)试件L4在左侧剪跨区发生断裂,断裂处梁底纵筋拉断并有明显颈缩现象(注:断裂处梁顶纵筋原本是连续的,为确保试验后起吊安全,起吊前梁顶纵筋被人为切断),跨中附近裂缝发展不明显。这主要是因为升温后98min左右伴随着较清晰的爆裂声,断裂处梁底混凝土发生严重爆裂,防火涂料脱落,纵筋部分外露温度迅速升高,致使该处截面抗弯承载力急剧降低,最终导致断裂发生。4)所有试件都出现了不同程度的爆裂,且爆裂大多集中在最大挠度处和/或加载点附近的梁侧面中上部,梁底面爆裂很少。这主要是前者区域的混凝土压应力较大所致,已有研究表明高温下混凝土压应力越大,其发生爆裂的可能性也就越大。5)加固梁梁底非U型箍处的防火涂料均与梁底剥离,或下垂或断裂或掉落于地。根据加固梁梁底混凝土颜色呈浅灰白色(注:梁侧无防火涂料部分的混凝土颜色偏土黄色)推断,梁底防火涂料的下垂或断裂应发生在试件挠度增长较快的升温后期,在之前相当长时间内梁底防火涂料基本保持完整。6)加固梁U型箍处的防火涂料均较为完好,只是表面呈现龟裂缝。从上述第5)点、第6)点可以看出,无论梁底还是U型箍处设置的钢丝网都能有效延迟或防止防火涂料的脱落,从而明显降低防火涂料覆盖部位的混凝土和钢筋的温度升高速率,进而改善加固梁的高温受力性能。防火涂料虽然具有很好的隔热性能,但其强度通常很低,这使得设置在防火涂料厚度1/2处的钢丝网只能发挥增强涂料整体性的作用,而对加固梁的受力性能几乎没有影响。2.2试件与试件的密度对高温完整性的影响图4所示为加固梁跨中截面热电偶B7和热电偶B8(见图2)的实测温度-时间曲线。从图4中可以看出:1)由于测点B7更毗邻梁侧受火面,致使其温度始终高于测点B8,但升温后期二者之间的差别逐渐缩小。2)试件L3的测点B7和测点B8的温度分别在升温10min和30min后迅速上升,明显有别于其它加固梁,这表明该试件跨中防火涂料此时出现了局部损坏。3)试件L4的防火涂料厚度只有10mm,其测点B7和测点B8的温度在升温后40min以内均高于试件L2和L5(注:防火涂料厚度20mm)的相应测点;但升温40min以后,试件L4测点B7和测点B8的温度却与试件L2和试件L5的相应测点差别不大甚至低于后者,这主要是因为试验过程中试件L4跨中附近的防火涂料完整性相对更好的缘故。开炉后发现该试件跨中附近的防火涂料虽也与梁底脱开,但与梁底之间的缝隙较小且涂料表面几乎无明显裂缝,完整性明显好于试件L2和试件L5的跨中附近防火涂料。这表明防火涂料的隔热效果不仅与其厚度有关,同时还与其高温完整性密切相关。4)所有加固试件的测点B7和测点B8温度均在升温30min后超过100℃,意味着碳纤维布的加固作用已逐渐丧失。图5所示为试件L1、试件L2、试件L4和试件L5跨中纯弯段A截面、B截面、C截面的实测受拉钢筋温度-时间曲线,其中试件L1的A2测点和试件L2的A1测点、B1测点因热电偶故障未能获得有效数据。从图5中可以看出:1)对于同一截面,测点3的温度明显低于测点1和测点2,这主要是因为后两者更靠近梁侧受火面的缘故(见图2)。2)试件L5的主要裂缝集中在跨中附近,其中截面A处有一条宽度达21mm的裂缝,而与截面B、截面C相邻的裂缝宽度较小,但不同截面对应测点的受拉钢筋温度却较为接近。3)试件L2的破坏集中在左侧剪跨区,跨中附近裂缝不明显,其A截面、B截面、C截面对应测点的受拉钢筋温度均较为接近。4)对于防火涂料厚度相同的试件L2和试件L5来说,虽然二者跨中附近的裂缝开展情况明显不同,但二者相同截面对应测点的温度却较为接近。例如,升温后120min试件L2的A截面、B截面、C截面的测点2温度约为600℃~650℃,而L5的A截面、B截面、C截面的测点2温度约为560℃~610℃,二者之间仅存在40℃左右的差别。上述分析表明,虽然试验结束后开炉发现,有的试件跨中附近存在较大裂缝,但似乎对受拉钢筋温度影响不大。这是因为升温后相当长时间内由于试件挠度增长缓慢,跨中附近裂缝的开展宽度和深度均十分有限,开炉后发现的较大裂缝只是在最终破坏阶段试件挠度急剧增长时才迅速开展的,因而总体上看裂缝对受拉钢筋温度影响较小。2.3宏观和局部破坏形态图6所示为试件L2和试件L3的实测竖向挠度-时间曲线(具体测点见图2),以及各试件实测跨中挠度-时间曲线的对比。从图6中可以看出:1)升温后相当长一段时间内,试件的竖向挠度增长较为平缓,只是在临近最终破坏阶段才迅速增大。2)试件L3的测点(2)和测点(3)的竖向挠度曲线呈现出了很好的对称性;试件L2的测点(2)所对应竖向挠度却在升温后期明显超过对称测点(3),且逐渐逼近并追上跨中挠度,这一现象与前面所述试件L2的宏观破坏形态是吻合的。3)与未加固试件L1相比,虽然加固试件L2~试件L4所承受的竖向荷载更大,但由于防火涂料的隔热保护作用,相同升温时间下后者的跨中挠度明显偏小。4)在荷载比和防火涂料厚度完全相同的情况下,试件L5因加固量较大承受着比L3更大的竖向荷载,但升温中后期对应相同升温时间前者的跨中挠度却反而小于后者。这主要是因为后者跨中附近的梁底防火涂料较早出现了局部损坏。2.4加固梁的退火试验表3给出了所有试件的实测耐火极限。从表2和表3中可以看出:1)在防火涂料厚度仅为10mm~20mm的情况下,虽然加固梁L3~梁L5所承受的竖向荷载大于未加固梁L1,但前者耐火极限仍长于后者。这主要是因为防火涂料的存在降低了梁底纵筋的升温速度,有效延缓了加固试件高温抗弯承载力的衰减。2)试件L3的荷载比和防火涂料厚度均与试件L5相同,但在加固量仅为后者一半的情况下,前者耐火极限还低于后者是较为反常的。这主要是因为前者跨中附近的梁底防火涂料较早出现了局部损坏(注:这可从图4中试件L3的测点B7和测点B8温度分别在升温10min和30min后迅速上升得到印证)。正常情况下,试件L3的耐火极限应比试件L5的130min更长。3)试件L4的防火涂料厚度只有10mm且荷载比达到0.5,但其耐火极限仍接近2h的一级耐火要求。若不是该试件因左侧剪跨区的梁底混凝土发生严重爆裂造成意外断裂,其耐火极限应更长。考虑到本次试验是在试件制作后3个月左右进行的,混凝土爆裂的可能性相对较大,而实际火灾中的结构绝大多数已建成多年,混凝土发生爆裂的可能性相对较小,因此可以说正常情况下加固量22.5%、荷载比0.5且防火涂料厚度仅10mm的加固梁,是可以基本达到一级耐火要求的。这一结果比文献中涉及的30mm~50mm显著降低。4)虽然试件L5的加固量高达45%(注:文献要求加固量一般不超过40%)且荷载比为0.5,但在厚度20mm的防火涂料保护下仍具有超过2h的耐火极限。5)试件L2的耐火极限明显大于一级耐火要求2h,这表明在加固量22.5%、荷载比0.3的情况下,加固梁实际所需的防火涂料厚度可比该试件所采用的20mm明显减少。基于表2和表3所示数据,考虑到实际结构建成多年后混凝土发生爆裂的可能性相对较小,在确保防火涂料施工质量的情况下,可初步给出表4所示碳纤维布抗弯加固混凝土梁的防火涂料厚度建议取值。3对梁底防火涂料高温完整性的影响通过本文的研究,可以得到如下初步结论:(1)梁底混凝土爆裂脱落导