碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火技術(shù)研究

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火技術(shù)研究

0cfrp加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究碳纖維增強(qiáng)材料（rci）已在汽車和航運行業(yè)中應(yīng)用了40年。在過去的十幾年間,隨著其價格大幅度下降,同時也由于建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固的需求不斷增長,CFRP被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固和改造領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的外貼鋼板加固法,外貼CFRP加固法具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、安裝快速簡易、維護(hù)費用少、抗疲勞性能好等優(yōu)點。然而,傳統(tǒng)的用于粘貼CFRP的有機(jī)膠其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg(theglasstransitiontemperature)一般都比較低。在高溫下,當(dāng)溫度超過Tg后,CFRP與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度會迅速降低,從而影響兩者之間的共同工作性能。因此目前CFRP加固技術(shù)主要用于防火要求不高的結(jié)構(gòu),如橋梁等室外結(jié)構(gòu)。要想開拓CFRP加固技術(shù)的應(yīng)用市場,把它應(yīng)用到多高層民用建筑、公共建筑及工業(yè)廠房等耐火極限要求較高的建筑中,必須對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的性能進(jìn)行研究?，F(xiàn)階段各國規(guī)范對碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的防火安全設(shè)計方法都是基于保守的假設(shè)。美國ACI440委員會提出的設(shè)計指導(dǎo)原則中推薦:用FRP加固的混凝土構(gòu)件其加固前的承載力需滿足下式,以確保即使FRP在火災(zāi)下完全失效時結(jié)構(gòu)仍能保持不倒。(?Rn)existing≥(1.2SDL+0.85SLL)new(?Rn)existing≥(1.2SDL+0.85SLL)new式中:(?Rn)existing為加固前混凝土構(gòu)件的承載力;SDL為加固后構(gòu)件的使用恒荷載;SLL為加固后構(gòu)件的使用活荷載。2003年,我國頒布的《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)中規(guī)定:“考慮到在發(fā)生火災(zāi)等碳纖維片材可能失效的情況下,應(yīng)保證結(jié)構(gòu)不致產(chǎn)生嚴(yán)重破壞和倒塌。此時,應(yīng)取結(jié)構(gòu)自重荷載及在發(fā)生火災(zāi)等碳纖維片材失效時結(jié)構(gòu)上可能的活荷載,并采用相應(yīng)的材料強(qiáng)度驗算結(jié)構(gòu)安全性”。可以看出,這兩個設(shè)計指導(dǎo)原則都沒有考慮到CFRP在火災(zāi)下為加固混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載的可能性,這是一種在研究不充分的情況下不得已而采取的保守做法。本文的目的就是通過總結(jié)國內(nèi)外對碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火問題的研究成果,為相關(guān)研究人員了解其研究現(xiàn)狀提供參考,以求更好地展開對這一領(lǐng)域的研究工作。1聚合物樹脂引發(fā)的火災(zāi)早在1982年,Fardis和Khalili在研究FRP約束混凝土柱時,就討論了聚合物樹脂的易燃性對纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)所帶來的影響,從那時開始人們就認(rèn)識到火災(zāi)對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)造成的巨大隱患。目前對CFRP材料高溫性能的研究比較少,充分了解CFRP材料的熱力學(xué)性能有助于更好地對碳纖維加固混凝土構(gòu)件耐火性能進(jìn)行研究。1.1聚合物樹脂材料用來粘貼碳纖維的樹脂材料,其高溫性能最重要的一個參數(shù)就是它的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg。大量研究表明:在溫度達(dá)到Tg時,樹脂材料的粘結(jié)強(qiáng)度會急劇降低。一般常用于碳纖維加固中的聚合物樹脂其Tg為65～150℃,所以在火災(zāi)下,樹脂材料很快就會失去其粘結(jié)性能。Dimitrienko根據(jù)對某一環(huán)氧樹脂材料測試的結(jié)果指出:其彈性模量在150℃時降低了50%,在300℃時降低了95%,同時還發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度降低的速率取決于加熱升溫的速率,升溫越快,降低得也越快。Antonio等人則對采用環(huán)氧樹脂粘貼鋼板來加固的混凝土構(gòu)件進(jìn)行了高溫下的剪切試驗,結(jié)果顯示,環(huán)氧樹脂在高溫下的力學(xué)性能很差。在60℃時,它的粘結(jié)強(qiáng)度僅為室溫下的50%,在90℃時則降為室溫下強(qiáng)度的24%～29%。1.2溫度對碳纖維強(qiáng)度的影響現(xiàn)有的研究表明,碳纖維材料本身有著良好的耐火性能,除了在溫度高于400℃時有被氧化的趨勢外,有些碳纖維材料甚至在溫度為2000℃時強(qiáng)度仍基本保持不變。Rostasy的研究結(jié)果指出,在1000℃以前,溫度對碳纖維抗拉強(qiáng)度的影響很小;Dimitrienko通過對置于高溫下的碳纖維進(jìn)行拉伸試驗,得出碳纖維對高溫(試驗溫度高達(dá)1400℃)不是很敏感,更有趣的是,在600～1400℃時,碳纖維的強(qiáng)度和剛度實際上在增長。1.3材料模型的研究目前,對于CFRP復(fù)合材料本身(在此指用于混凝土結(jié)構(gòu)加固中的材料)在高溫下的性能及其高溫后的殘余性能的研究非常少,這不利于碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能研究的發(fā)展。因為通過對CFRP復(fù)合材料在高溫下和高溫后熱力學(xué)性能的研究,可為碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析提供基本的材料模型。已有的研究成果表明,CFRP復(fù)合材料在高溫下及高溫后的性能都會有顯著的降低,如強(qiáng)度和剛度的下降,與混凝土失去粘結(jié)力,可能燃燒以致助長火勢的蔓延或增加火災(zāi)荷載,產(chǎn)生黑色有毒氣體等。Bisby在其博士論文中的研究成果表明:在100℃以前,CFRP復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量幾乎不變,到200℃時,強(qiáng)度下降幅度也不足20%,但超過200℃后,強(qiáng)度和彈性模量都幾乎呈直線下降,到500℃時,下降至20%左右。Foster和Bisby通過軸向拉伸試驗、單面剪切試驗、熱解重量分析和差示掃描量熱法,研究了CFRP復(fù)合材料在分別經(jīng)歷100,200,300,400℃高溫后的殘余性能。試驗結(jié)果指出:只有在溫度超過環(huán)氧樹脂的受熱分解溫度時,CFRP復(fù)合材料的殘余抗拉強(qiáng)度和剛度才會有嚴(yán)重的降低,而當(dāng)溫度高于環(huán)氧樹脂的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg時,CFRP復(fù)合材料的殘余抗拉強(qiáng)度和剛度損失不大。2加拿大的研究現(xiàn)狀目前,關(guān)于碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的性能研究主要集中在歐洲和加拿大,尤以加拿大國家研究委員會(NationalResearchCouncilofCanada,NRC)研究得比較多且全面,國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究則相當(dāng)匱乏。2.1碳纖維加固混凝土柱退火能力普通的碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)一般都采用環(huán)氧樹脂粘貼碳纖維片材,而環(huán)氧樹脂的熱變形溫度僅為50℃左右,當(dāng)升溫至100～250℃時,環(huán)氧樹脂內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)就會受到破壞,使得碳纖維片材與混凝土之間的粘結(jié)界面逐漸失效。故在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下,如未采取任何保護(hù)措施,CFRP同混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度在幾分鐘之內(nèi)就可以喪失,從而失去加固效果。所以,普通的碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能較差。Gamage等人對高溫下CFRP同混凝土之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果顯示:為了維護(hù)CFRP和混凝土在高溫下的整體性,環(huán)氧粘結(jié)層內(nèi)部的溫度不能超過70℃;在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下,CFRP同混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度在5.5～6min內(nèi)就會喪失,且粘結(jié)強(qiáng)度并不取決于CFRP的粘結(jié)長度。Bisby等人采用一種新型的數(shù)值模型預(yù)測了高度為3810mm、直徑為356mm的碳纖維加固混凝土柱的耐火極限。結(jié)果表明,在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下,若未采取任何隔熱保護(hù)措施,粘結(jié)劑達(dá)到其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg只需4min,碳纖維加固混凝土柱達(dá)到其承載能力極限狀態(tài)也只需117min?？芍胀ǖ奶祭w維加固混凝土柱其耐火能力是不能令人滿意的。Deuring在研究碳纖維板加固混凝土梁火災(zāi)下的抗彎強(qiáng)度時發(fā)現(xiàn),碳纖維板和混凝土之間的相互作用,即粘結(jié)力,對于沒有隔熱層的梁損失得非?？?幾分鐘就可以喪失掉,而對于有隔熱層的梁,發(fā)生在1h左右以后。從上面的研究成果可知,對于未采取任何隔熱措施的普通碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu),由于在火災(zāi)下粘結(jié)層內(nèi)部的溫度達(dá)到其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg只需幾分鐘,碳纖維和混凝土共同工作的性能很快就會喪失,因此其耐火性能較差,在火災(zāi)作用下碳纖維對混凝土結(jié)構(gòu)性能的提高作用不大。為提高碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能,科研人員開始從兩個方面采取措施:一是對碳纖維采取防火保護(hù)措施,如通過表面粉刷、涂刷防火材料、外包防火板等方法,延緩粘結(jié)層內(nèi)部的溫度達(dá)到Tg,延長碳纖維和混凝土共同工作的時間,以此來提高碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能;另一方面則是從CFRP復(fù)合材料高溫性能中的薄弱環(huán)節(jié)(樹脂粘結(jié)劑)入手,通過改進(jìn)粘結(jié)劑的耐火性能,如采用無機(jī)膠、改性的有機(jī)膠等提高碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能。2.2火災(zāi)試驗和材料研究進(jìn)展現(xiàn)有研究表明,通過合理地設(shè)計隔熱層可以延緩粘結(jié)劑內(nèi)部的溫度達(dá)到Tg,推遲碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到其極限承載能力,使之具有較好的耐火性能?，F(xiàn)有應(yīng)用于建筑工程中的隔熱材料主要有:1)礦物棉、巖棉、玻璃棉;2)泡沫塑料及多孔聚合物:主要有聚苯乙烯泡沫塑料(包括擠塑型和發(fā)泡型)和聚氨脂泡沫塑料;3)膨脹珍珠巖及其制品,如水玻璃珍珠巖板;4)硅酸鈣絕熱制品,如硅酸鈣板;5)各種復(fù)合保溫隔熱材料,如復(fù)合硅酸鹽保溫隔熱涂料、膠粉料聚苯乙烯顆粒保溫隔熱材料等。除此之外,還有各種厚型、薄型和超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。選擇好防火材料后,還需進(jìn)行防火方式的設(shè)計,如隔熱層的厚度、長度及粘貼方式(僅僅粘貼還是粘貼加機(jī)械錨固)等。Blontrock等人的研究結(jié)果指出:U形的隔熱保護(hù)層能最有效地延長碳纖維板和混凝土之間的相互作用,且僅在梁端錨固區(qū)域?qū)μ祭w維板進(jìn)行防火保護(hù)也能夠維持CFRP和混凝土之間的相互作用,同時使用機(jī)械錨固可以更好地使隔熱層粘貼在梁上。同濟(jì)大學(xué)的胡克旭和何桂生通過對兩根采用U形隔熱層進(jìn)行防火保護(hù)的碳纖維加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行火災(zāi)試驗,研究了碳纖維加固鋼筋混凝土梁的防火方法。試驗結(jié)果表明,采用50mm厚防火涂層全截面保護(hù)的碳纖維加固鋼筋混凝土梁其耐火極限可以達(dá)到2.5h以上;在防火涂層內(nèi)部設(shè)置鋼絲網(wǎng)片能很好地防止其開裂和脫落。但此處設(shè)計的半保護(hù)梁在置于火災(zāi)下30min后,其撓度相對全保護(hù)梁來說快速增長,防火失敗。因而,要想取得Blontrock等人所說的僅在錨固區(qū)域?qū)μ祭w維板進(jìn)行防火保護(hù)就能夠維持CFRP和混凝土之間的相互作用,應(yīng)該合理地設(shè)計隔熱層。Richard和James對小尺寸的碳纖維板(100mm×1230mm×1mm)加固鋼筋混凝土梁(100mm×150mm×1300mm)在火災(zāi)后的性能進(jìn)行了試驗研究,其中部分梁用水泥質(zhì)防火材料(厚15～20mm)進(jìn)行了隔熱保護(hù)?；馂?zāi)后觀察發(fā)現(xiàn):沒有隔熱層的梁其碳纖維板完全脫落,而有隔熱層的梁其隔熱層仍掛在鋼絲網(wǎng)片上,碳纖維板只是部分地與混凝土失去粘結(jié)。但隨后進(jìn)行的承載力測試發(fā)現(xiàn),有隔熱層和無隔熱層的碳纖維加固梁其極限承載力幾乎一樣。文獻(xiàn)指出,如果期望CFRP加固系統(tǒng)在火災(zāi)下能承擔(dān)一部分荷載,必須要有更厚的隔熱保護(hù)層。加拿大國家研究委員會Williams等人研究了4塊只受自重、有隔熱層的纖維加固鋼筋混凝土板(954mm×1331mm×150mm)在火災(zāi)下的性能,該試驗考慮了兩種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和3種不同的防火材料在為時4h的火災(zāi)試驗過程中發(fā)現(xiàn),19mm厚隔熱層在132min時脫落,而38mm厚的隔熱層能始終保持完好。按照ASTME119耐火極限標(biāo)準(zhǔn),厚38mm的隔熱層可以使碳纖維加固板達(dá)到4h的耐火等級,而19mm厚的隔熱層可為150mm厚的碳纖維加固鋼筋混凝土板提供約2h的防火保護(hù)。這表明只要對碳纖維加固鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和充分的隔熱,還是有可能達(dá)到滿意的抗火性能。與上同一研究團(tuán)隊的Bisby等人對兩根隔熱保護(hù)的碳纖維加固鋼筋混凝土圓形柱(高3810mm,直徑406mm,纖維類型在火災(zāi)下的性能進(jìn)行了試驗研究。兩柱分別采用32mm的VG層加0.56mm的EI層和57mm的VG層加0.25mm的EI層進(jìn)行隔熱保護(hù)。試驗結(jié)果顯示:按照ASTME119耐火極限標(biāo)準(zhǔn),兩柱都可以達(dá)到超過5h的耐火極限;隔熱層在置于標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下多達(dá)4h后仍舊能夠保持基本完好。日前該研究團(tuán)隊仍舊在進(jìn)行更進(jìn)一步的對FRP加固鋼筋混凝土構(gòu)件耐火性能的試驗研究。國內(nèi)學(xué)者吳波和王軍麗通過對3塊設(shè)置不同防火材料的碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火性能的試驗研究指出:只要采取適當(dāng)?shù)姆阑鸫胧?碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限同未加固板大體相當(dāng)甚至更長;厚15mm水泥砂漿的防火效果不如厚3mm的薄型防火涂料,而3塊板中采用厚5mm薄型防火涂料的板耐火性能最好。2.3無機(jī)樹脂加固混凝土的研究從以上可知,普通的環(huán)氧樹脂在高溫下的性能很差,缺乏抗火能力。相關(guān)研究人員開始從三方面提高環(huán)氧樹脂的耐高溫性能:選擇更為合適的固化劑;采用其他耐高溫樹脂與環(huán)氧樹脂物理共混或化學(xué)改性;引入新的基團(tuán)來提高環(huán)氧樹脂的耐熱性。主要產(chǎn)品有環(huán)氧-酚醛膠粘劑、環(huán)氧-丁腈膠粘劑、有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂及其他改性的環(huán)氧樹脂膠粘劑。然而這些產(chǎn)品主要是用于航空航天領(lǐng)域和汽車制造業(yè),昂貴的價格限制了其在建筑加固領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?？紤]到樹脂的高溫性能直接影響到碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能,人們又開始把目光轉(zhuǎn)向無機(jī)樹脂。無機(jī)樹脂具有抗火性能好、抗紫外線輻射、使用性能優(yōu)良、施工和養(yǎng)護(hù)期間不會散發(fā)氣味和毒素、更適合于滲透到碳纖維布當(dāng)中等優(yōu)點。文獻(xiàn)介紹了多種無機(jī)膠,如磷酸鹽類膠黏劑、硅酸鹽類膠黏劑、硼酸鹽類膠黏劑等,其耐高溫范圍在1000～1400℃之間,且價格均遠(yuǎn)低于有機(jī)膠,因此或許可以在其中找出適合于碳纖維片材和混凝土之間粘結(jié)的無機(jī)膠。現(xiàn)今主要對無機(jī)聚合樹脂(geopolymerresin,又稱地聚物)、氯氧鎂水泥(MOC)這兩種無機(jī)膠進(jìn)行了試驗研究,且研究結(jié)果表明:無機(jī)膠可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)膠,只是其脆性使得碳纖維加固混凝土構(gòu)件的延性有所降低,是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ哪z結(jié)材料。Foden的研究成果顯示:無機(jī)聚合樹脂能抵抗高達(dá)1000℃的高溫,并且用無機(jī)聚合樹脂制成的CFRP在經(jīng)歷800℃的高溫后仍可保留約63%的原有抗彎強(qiáng)度。張文華等人研究了以飛灰制成無機(jī)聚合樹脂取代傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂應(yīng)用于混凝土補(bǔ)強(qiáng)的可行性。通過以飛灰及變高嶺為初始材料,用矽酸鈉溶液及堿性溶液混和配制成不同模數(shù)比的溶液,將其制成無機(jī)聚合樹脂。試驗結(jié)果表明,無機(jī)聚合樹脂的抗剪強(qiáng)度與環(huán)氧樹脂相差不大,且具有優(yōu)良的防火隔熱性能,為一極具發(fā)展?jié)摿Φ脑偕牧稀Ｇ迦A大學(xué)也成功研制出一種用于纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)的無機(jī)樹脂材料——改性地聚物。它可在常溫下(5～30℃)實現(xiàn)固化反應(yīng),克服了一般地聚物固化溫度高的缺陷,有利于施工。汕頭大學(xué)的傅劍波則嘗試研發(fā)加固混凝土用氯氧鎂水泥粘結(jié)劑,并探討了溫度對聚合物改性氯氧鎂水泥的影響。東南大學(xué)的萬黎黎也研究了用無機(jī)粘結(jié)劑氯氧鎂水泥(MOC)來粘貼碳纖維布,以改善碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能的可行性,結(jié)果表明,MOC有較高的實用價值。對于采用無機(jī)樹脂粘貼碳纖維的加固混凝土結(jié)構(gòu),現(xiàn)階段對其高溫下的性能研究非常有限,主要集中于常溫下的性能研究。但是必須注意的一點是,無機(jī)樹脂是耐高溫的,故而研究用無機(jī)樹脂粘貼碳纖維的加固混凝土結(jié)構(gòu)在常溫下的性能有著重大的意義。研究表明,用無機(jī)樹脂粘貼碳纖維的加固混凝土結(jié)構(gòu)在常溫下可以取得較好的加固效果,其耐火性能也較有機(jī)樹脂粘貼碳纖維的加固混凝土結(jié)構(gòu)好。Toutanji等人研究了采用無機(jī)樹脂粘貼碳纖維布的加固鋼筋混凝土梁(108mm×158mm×1800mm)的抗彎性能。結(jié)果顯示,梁的承載能力隨著碳纖維布層數(shù)的增加而增大,最大可達(dá)到未加固的參照梁相應(yīng)承載能力的170.2%;對于粘貼有3層和4層碳纖維布的梁,其破壞模式是碳纖維布在跨中常彎矩區(qū)域的斷裂破壞;對于粘貼有5層和6層碳纖維布的梁,其破壞模式是FRP的剝離破壞;同未加固的參照梁相比,加固梁的延性大大降低了。Deng和Toutanji則研究了無機(jī)樹脂粘貼碳纖維布的加固混凝土梁的疲勞性能,并分析了疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命、裂縫寬度及深度和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果顯示,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,裂縫寬度和深度只是在開始的50萬次循環(huán)荷載作用下增大,此后裂縫的寬度和深度趨于穩(wěn)定;同未加固的鋼筋混凝土梁相比,加固的梁其疲勞性能得到較大改善,疲勞強(qiáng)度增加了55%。東南大學(xué)的萬黎黎還對采用MOC粘貼碳纖維布的加固混凝土梁(100mm×100mm×380mm)的高溫性能進(jìn)行了試驗研究,