防火措施對碳纖維布加固鋼筋混凝土板防火性能的影響

防火措施對碳纖維布加固鋼筋混凝土板防火性能的影響

碳纖維布加固鋼筋混凝土板高溫下的耐久性研究據(jù)統(tǒng)計，與新建項目相比，項目改革投資約40%，縮短項目審批時間約50%，投資回收率快3.4倍。碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)具有高效高強、耐腐蝕性和耐久性好、不增加構(gòu)件的自重及體積、適用面廣、施工便捷等諸多優(yōu)點,在國內(nèi)外加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前,有關(guān)常溫下碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件的研究工作已開展較多,并取得了大量研究成果,但高溫下該類構(gòu)件的研究還剛剛開始。Blontrock等進行了碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火試驗。試驗過程中考慮了石膏板和石棉2種不同的防火材料,以及不同的加固量。研究結(jié)果表明:防火材料對提高加固板的耐火極限是必須的;碳纖維布與混凝土之間黏結(jié)作用的喪失發(fā)生在升溫后24~55min之間,此時二者之間膠粘劑的溫度約為47~69℃。Williams等也對采用不同種類及厚度防火材料進行保護的4塊碳纖維布加固鋼筋混凝土板進行了耐火試驗。試驗結(jié)果表明:在僅承受自重的情況下,防火材料厚度為38mm和19mm時,加固板的耐火極限分別大于4h和2h。但這些研究中防火材料的厚度都相對較大。與此同時,國內(nèi)有關(guān)碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火性能研究幾乎還是一片空白。針對上述問題,本文在實際荷載比0.53的情況下,通過3塊設(shè)置不同防火涂料的碳纖維布加固鋼筋混凝土板,以及1塊未加固板的明火對比試驗,探討了水泥砂漿防火保護層和不同厚度的國產(chǎn)薄型防火涂料對提高該類加固構(gòu)件耐火性能的效果。1試驗總結(jié)1.1鋼筋與碳纖維布的加固總共制作了4塊截面尺寸、配筋情況、混凝土強度等級完全相同的鋼筋混凝土板,其中1個未進行加固(試件B1),其余3個采用碳纖維布進行了加固(試件B2~B4)。圖1所示為試件的截面及配筋情況,試件兩端簡支,凈跨3440mm?；炷猎O(shè)計強度等級C25,試驗時混凝土的實測立方體抗壓強度28.9MPa。所有鋼筋均采用Ⅰ級鋼筋。試件B2~B4的加固量相同,均為一層碳纖維布加固并黏貼于板底,寬度250mm,長度3320mm。根據(jù)CECS146:2003《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定,碳纖維布兩端設(shè)有壓條。具體加固方式見圖2。碳纖維布采用新日本石油株式會社生產(chǎn)的ST200碳纖維布,單層厚度0.111mm;采用配套的TH-RESIN型膠粘劑。試件B2的碳纖維布表面采用厚度15mm的水泥砂漿(注:水泥與砂的體積比為1∶2.5)進行防火保護;試件B3和B4的碳纖維布表面分別涂有厚度3mm和5mm的薄型防火涂料(注:廣州市泰堡防火材料有限公司生產(chǎn)的TB薄型防火隔熱涂料)。實際施工過程中,水泥砂漿和防火涂料的涂抹范圍均適當(dāng)超越了碳纖維布的邊界,以確保邊界處的防火效果,具體見圖3。鋼筋和碳纖維布的常溫力學(xué)性能見表1。各試件的具體情況見表2。1.2爐內(nèi)溫度變化本次試驗在華南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)耐火實驗室進行,采用恒載升溫途徑,板底單面受火,受火面長度3m。在板面放置質(zhì)量塊以模擬均布荷載,并在整個升溫過程中保持不變。試件吊裝到位之后,安裝位移和溫度量測系統(tǒng)。升溫過程中,利用鎧裝式熱電偶測量試驗爐內(nèi)不同位置的氣體溫度,通過計算機對其平均值進行實時自動控制,使之按ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫。圖4所示為試件B4試驗過程中爐膛內(nèi)的平均氣體溫度-時間曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的對比。從圖中可以看出,二者吻合很好,符合GB/T9978—1999《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》的要求。其他試件對應(yīng)的爐內(nèi)升溫過程也均與ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合較好。試驗過程中,僅量測試件跨中的豎向位移。根據(jù)GB/T9978—1999《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》的規(guī)定,試件達到耐火極限的判定準(zhǔn)則為:試件的最大撓度超過L/20。其中L為試件的計算跨度(即凈跨),mm。試件內(nèi)部溫度采用WRNK-101K型鎧裝式鎳鉻-鎳硅熱電偶進行量測。試件B1~B4的混凝土內(nèi)部設(shè)置有8個熱電偶,各溫度測點的具體位置見圖5。2試驗結(jié)果的分析2.1板底混凝土局部脫色圖6和圖7所示分別為試驗后試件的宏觀破壞形態(tài)和板底裂縫情況。試件B1的板底混凝土有較多局部脫落,試件B2~B4沒有防火材料覆蓋的那部分板底混凝土也有個別地方局部脫落,脫落深度一般為5~15mm。試件B1~B4的板底除出現(xiàn)眾多細(xì)小裂縫之外,跨中附近還有一些較明顯的橫向裂縫。試件B2~B4的防火保護層均嚴(yán)重脫落,即使未完全脫落的部位防火保護層也已被部分掀起。常溫下,碳纖維布是由眾多碳纖維單絲通過膠粘劑黏結(jié)成一體共同工作的。試驗過程中由于膠粘劑受熱失效,碳纖維布可能分離成一組組碳纖維絲懸掛于板底。2.2性能對比及分析混凝土澆筑過程中,試件B1的第1、6、7測點,試件B2的第1、2測點,試件B3的第1、3測點,以及試件B4的第2、8測點的熱電偶位置發(fā)生了移動,所測數(shù)據(jù)有誤。從圖8中可以看出:(1)試驗過程中,試件B1~B3的板頂溫度均小于130℃。(2)升溫后60min試件B1~B4的鋼筋下表面溫度(注:試件B1的第2、3測點;試件B2~B4的第4、5測點)和上表面溫度(注:試件B1的第4、5測點;試件B2~B4的第6、7測點)分別平均為490℃和344℃、449℃和293℃、256℃和173℃、194℃和137℃。由此可知,水泥砂漿的防火效果與防火涂料相比相對較差,防火涂料厚度越大,防火效果越好。從試件B2~B4的板底混凝土溫度(注:試件B2的第3測點;試件B3的第2測點;試件B4的第1、3測點)的對比中也可以得出類似結(jié)論。(3)升溫后10min左右試件B2~B4的板底混凝土溫度均已達到150℃,由于板底混凝土溫度基本反映了碳纖維布與混凝土表面之間的膠粘劑溫度,此時膠粘劑的剪切強度幾乎衰減殆盡,意味著碳纖維布的加固效果基本喪失,其擔(dān)負(fù)的豎向荷載轉(zhuǎn)由鋼筋混凝土板承擔(dān)。雖然此時鋼筋混凝土板承擔(dān)的總豎向荷載明顯大于未加固試件B1(見表2),但由于防火保護層的存在延緩了板內(nèi)部分混凝土和鋼筋的溫度增長,使其抗火性能的衰減較為緩慢,因而從整體上看加固試件B2~B4仍具有較好的耐火性能。從上述分析可以看出,防火保護層最終保護的不是碳纖維布,而是部分鋼筋混凝土。雖然常規(guī)混凝土構(gòu)件不設(shè)置防火保護層一般也能滿足抗火要求,但碳纖維布加固構(gòu)件所承受的荷載常常明顯大于未加固構(gòu)件。因此,碳纖維布加固構(gòu)件的抗火問題很大程度上已轉(zhuǎn)化為高荷載水平下常規(guī)混凝土構(gòu)件防火保護層的設(shè)置問題。2.3升溫后350min的撓度從圖9中可以看出:(1)升溫后30min以內(nèi),各試件的撓度-時間曲線較為相近。(2)升溫30min以后,試件B1~B3的撓度增速明顯快于試件B4,直接導(dǎo)致后者的耐火極限最終長于前者。(3)升溫后30~50min之間,試件B1~B3的撓度增長曲線雖有一定差別,但50min稍后時刻3個試件的撓度值卻相差不大。在此之后,試件B1和B3的撓度曲線幾乎完全相同,且增速低于試件B2,使得后者的耐火極限最短。2.4碳纖維布加固混凝土板的耐熱性各試件的實測耐火極限見表2。從表2中可以看出:(1)由于防火材料對環(huán)境溫度的阻滯作用,試件B2~B4所承受的外荷載雖然明顯大于試件B1,前者的耐火極限仍與后者接近,甚至長于后者。這表明只要采取適當(dāng)?shù)姆阑鸫胧?在使用荷載明顯增大的情況下,碳纖維布加固鋼筋混凝土板仍具有與未加固板大體相當(dāng)甚至更長的耐火極限。(2)在豎向荷載相同的情況下,試件B2的耐火極限最短,而試件B4的耐火極限最長。這表明水泥砂漿的防火保護效果相對較差,而厚度5mm的薄型防火涂料的防火效果相對較好。3混凝土板的安裝通過本文的研究,可以得到如下初步結(jié)論:(1)明火作用下碳纖維布加固鋼筋混凝土板的防火材料將嚴(yán)重脫落,由于膠粘劑受熱失效,碳纖維布分離成一系列單絲懸掛于板底。(2)只要采取適當(dāng)?shù)姆阑鸫胧?在使用荷載明顯增大的情況下,碳纖