粘結劑對鋼筋混凝土柱防火性能的影響

粘結劑對鋼筋混凝土柱防火性能的影響

碳纖維加固混凝土結構復合結構的復合性能近年來，外包纖維板加固法利用了碳有機材料的優(yōu)點，具有輕輕性、耐腐蝕性、施工周期長、維護成本少、抗疲勞性好等優(yōu)點。然而，與用碳有機膠混合的碳有機凝膠的玻璃轉化溫度僅為tg（即用碳吸收層）約為100c，碳吸收層的固結效果將很快喪失。為此,國內外科研人員開始從兩方面來改善碳纖維加固混凝土結構的耐火性能:一是對碳纖維采取防火保護措施,如通過表面粉刷、涂刷防火材料、外包防火板等方法,延緩粘結層內部的溫度達到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構的耐火性能,如Williams等、Kodur等、吳波等的研究;二是從碳纖維增強復合材料高溫性能中的薄弱環(huán)節(jié)(樹脂粘結劑)入手,通過改進粘結劑的耐火性能,如采用無機膠、改性的有機膠等,來提高碳纖維加固混凝土結構的耐火性能,如Toutanji等、萬黎黎、鄭文忠等的研究。目前對碳纖維加固鋼筋混凝土柱耐火性能的研究相對缺乏,針對這一現(xiàn)狀,本文嘗試采用一種耐高溫、無毒的無機膠———氯氧鎂水泥(MagnesiumOxychlorideCement,MOC)來粘貼碳纖維布,研究無機膠粘貼碳纖維布加固混凝土柱的耐火性能,并將其與有機膠粘貼碳纖維布加固的混凝土柱和未加固的鋼筋混凝土柱的耐火性能進行對比。1試驗總結1.1固混凝土柱試件本次試驗共設計制作了3根鋼筋混凝土柱,其中,混凝土設計強度等級為C25,試件尺寸及配筋情況見圖1。試驗時,混凝土立方體抗壓強度為16.1MPa;縱筋和箍筋的屈服強度分別為378.8MPa和296.2MPa,極限抗拉強度分別為545.9MPa和451.3MPa。其中2根柱分別采用有機膠和無機膠來粘貼碳纖維布,制成碳纖維加固混凝土柱試件,據(jù)此將試件分為3組———未加固柱、有機膠粘貼碳纖維布加固柱和無機膠粘貼碳纖維布加固柱,見表1。試驗所用的有機膠為大連智鑫建筑新技術工程有限公司生產(chǎn)的智鑫牌JGN型建筑結構膠,無機膠為自行配制的氯氧鎂水泥(MOC)粘結劑。采用摻10%高鋁水泥的MOC作為底膠層和找平層,采用純MOC作為碳纖維布粘結劑。MOC的制備原材料為工業(yè)用輕燒MgO、MgCl2·6H2O、普通工業(yè)用高鋁水泥,配合比為MgO∶MgCl2=10.75∶1(摩爾比),水∶(MgO+MgCl2)=0.45∶1(質量比)。所有加固試件的碳纖維布粘貼層數(shù)均為2層,粘貼方法為連續(xù)環(huán)向粘貼于試件側面、全面包裹混凝土試件,上下條帶之間搭接50mm,各條帶自身環(huán)向搭接300mm。對于將用無機膠MOC進行粘貼的碳纖維布,先用無水乙醇浸泡0.5h,以洗去表面憎水基有機物,使得纖維布各絲束之間充分散開,增強MOC在纖維布之間的滲透性,然后晾干待用。碳纖維布的材料性能見表2。為測得火災下試件的截面溫度場,在試件1/2高度處的橫截面內布置了熱電偶,測點布置見圖2。變形測點位于柱頂,采用拉線式位移傳感器測量。1.2試驗加載制度本次試驗在東南大學火災試驗室垂直抗火試驗爐上進行,爐膛內尺寸為(3.0×3.0×3.0)m,配有專門的加載反力架,最大豎向加載能力為5000kN。試驗時,爐內溫度由計算機自動控制,并能按預先設定的升溫曲線自動升溫。研究表明,實際建筑物中,混凝土柱使用荷載與其容許荷載之比一般為0.5～0.7,據(jù)此,試驗時對未加固的鋼筋混凝土柱Z1,柱頂所加的豎向荷載取為其極限承載力的60%。為了便于對比,試件Z2的豎向荷載也取為其極限承載力的60%,并將試件Z3的豎向荷載取為與Z2一致,具體荷載取值見表1。柱兩端邊界條件模擬為固接,在底部基坑內和柱頂爐蓋口處填塞防火棉,使得試件的實際受火高度為爐膛的高度3.0m。安裝完加載系統(tǒng)及溫度和位移量測系統(tǒng)后,開始進行試驗。豎向荷載分5級施加,每級荷載持荷10min,以使柱的軸向變形達到穩(wěn)定。此過程不加熱,為預加載階段。之后,開始點火進入火災試驗階段,并由計算機實時控制爐內溫度,使之盡可能嚴格按照ISO834標準升溫曲線進行升溫。在試件達到耐火極限后,?；鸩⑶彝Ｖ辜虞d。試驗過程中,爐內溫度和壓力、試件各測點的溫度以及試件的軸向變形,均由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集。根據(jù)《建筑構件耐火試驗方法》規(guī)定,柱構件達到耐火極限的判定準則為試件發(fā)生垮塌,或試件的軸向變形大于H/100(mm),或軸向變形速率大于3H/1000(mm/min)。H為試件的初始受火高度(mm)。2宏觀破壞形態(tài)火災試驗過程中,所有試件都會有白煙從爐蓋口和其它空隙處溢出,白煙為水蒸汽。在豎向荷載和高溫的共同作用下,所有試件的最終破壞都呈現(xiàn)出一定的脆性特征,表現(xiàn)為破壞來得較為突然,試件的軸向變形陡然快速增大,變形速率很快超過耐火極限限值,同時,試件無法繼續(xù)承擔所施加的豎向荷載。無機膠加固試件Z3在破壞時還帶有“咚”的一聲巨響,其它試件則未發(fā)出明顯的聲響。試驗后各試件的宏觀破壞形態(tài)見圖3。在主破壞區(qū)域,混凝土脫落嚴重,脫落深度深及箍筋內部核心區(qū)混凝土,有的混凝土則整體往外鼓出,幾欲脫落;縱筋和箍筋外露,且縱筋呈壓屈狀,箍筋則由于受到縱筋和內部混凝土的擠壓而發(fā)生變形以至錯位,甚至拉斷。對于未加固試件Z1,在受火高度內,柱身明顯發(fā)黃、起皮,表層混凝土非常酥松,用手可以戳動,由于部分區(qū)域混凝土保護層脫落,露出了內部骨料。試件的主要破壞區(qū)域有2處,一處在柱身中部,一處在離柱頂約1/3高度處。對于有機膠加固試件Z2,點火8min后,從爐底飄出黃色濃煙,氣味刺鼻,約持續(xù)了2min,這是柱身有機膠的燃燒所致。打開爐子后,發(fā)現(xiàn)在受火高度內,柱身的CFRP約束不復存在,碳纖維布散落在基坑各處,呈碎條狀。露出的混凝土顏色發(fā)黃,其上還粘有一些有機膠燃燒剩下的灰燼。試件的主要破壞區(qū)域靠近柱身上部,有明顯的縱向劈裂裂縫。對于無機膠加固試件Z3,在受火高度內,柱身的無機膠顏色發(fā)白,且由于部分面層無機膠起皮、脫落,柱身看上去斑駁陸離,總體看來,外層無機膠脫落嚴重,里層基本無脫落,但都很酥松,一戳就掉;碳纖維布已分散成絲束,些許散落在基坑內,大部分仍殘留在柱身,但很容易扯下,同有機膠試件一樣,CFRP約束已失效。試件的主要破壞區(qū)域靠近受火高度底部。3試驗結果與分析3.1混凝土受火后的溫度分布試件內各測點的實測溫度隨時間變化的關系曲線如圖4所示,其中有些測點由于熱電偶的失效而未能得到數(shù)值。從圖中可以看出:(1)各試件火災試驗過程中,爐內空氣的實測升溫過程與ISO834標準升溫曲線總體吻合較好。除了第一個試件Z1由于缺乏經(jīng)驗,使得在前70min與標準升溫曲線偏差稍大以外,其它時間誤差都比較小。(2)從總體上看,柱截面內各測點處的溫度會隨著受火時間的增長而曲線上升。有些測點的溫度—時間曲線會出現(xiàn)下降段,這主要是應力重分布導致混凝土裂縫閉合、混凝土內部水蒸汽的遷徙、測點的移位、熱電偶本身的不穩(wěn)定性等因素所導致。同時,還可以看到大部分測點在100°C附近有一或長或短的溫度平臺,即溫度隨時間變化較為緩慢,這是由于混凝土內水分的蒸發(fā)和遷徙所致。(3)隨著距混凝土柱表面距離的增大,溫度會越來越小,且下降幅度會慢慢減緩。總體看來,當距混凝土柱表面的距離大于100mm后,內部混凝土的溫度基本相差不大。對于不同的試件,相同位置處測點的溫度各不相同,圖5對其進行了對比。從圖中可以發(fā)現(xiàn):(1)相同位置處的溫度,試件Z1要比試件Z2和Z3高,這說明不管采用有機膠還是無機膠,裹在柱身上的碳纖維布都可以在一定程度上延緩內部混凝土的升溫。比如距柱表面5mm處,升溫到400°C,Z1僅需24min,Z2、Z3則分別需要49min和72min。(2)總體看來,在距離受火面較近處,試件Z2的溫度較之試件Z3偏高,這是由于Z2外包的有一定隔熱功能的碳纖維布在有機膠燃燒以后從柱身脫落,導致表層混凝土直接受火,而Z3的碳纖維布仍在柱身上,故而試件Z2的溫度會較之Z3偏高。而在距離受火面較遠處,試件Z2的溫度與試件Z3相差不大,這一方面是由于混凝土的熱惰性,使得內部混凝土的溫度對外部的溫度變化不敏感,另一方面則由于無機膠粘貼的碳纖維布在柱身上形成了一道致密的外殼,使得表層混凝土的水蒸汽大部分都往內部轉移,于是內部溫度會升高,接近Z2的溫度。3.2受火情況對試件受力分析圖6所示為各試件實測軸向變形隨時間變化的關系曲線,其中軸向變形以壓縮為正。從圖中可以看出:(1)各試件軸向變形的發(fā)展大致經(jīng)歷了基本不變、逐漸增長和陡然增大3個階段。爐子點火后,混凝土內部的溫度會逐漸升高,溫度升高會帶來兩方面的效應:一方面試件會產(chǎn)生溫度膨脹變形,另一方面會導致混凝土和縱向鋼筋的強度及彈性模量降低,進而使試件的受力變形增大。溫度膨脹變形和受力壓縮變形異號。在試件受火初期,由于混凝土內部的溫度不是很高,試件的膨脹變形和受力變形基本上可相互抵消,故而試件總的軸向變形基本不變。隨著受火時間的增長,混凝土內部的溫度不斷升高,到一定時候(Z1為88min時、Z2為40min時、Z3為53min時),試件的受力變形開始明顯大于膨脹變形,且前者的發(fā)展速度快于后者,故而試件總的軸向變形會逐漸增長。最后階段,由于混凝土和鋼筋的殘留強度不足以承受外部荷載,以致試件的受力變形突增,試件軸向變形發(fā)展的速率很快就超過了耐火極限規(guī)定的限值,試驗結束。(2)對于試件Z2,由前述試驗現(xiàn)象可知其在8min左右時有機膠發(fā)生燃燒,碳纖維約束失效,而其實測軸向變形在該時刻卻沒有發(fā)生明顯的變化。這是由于試件所加豎向荷載僅為內部核芯混凝土柱極限承載力的78.4%,還沒能有效激發(fā)碳纖維的約束作用,即碳纖維提供的約束力很小,故其失效時,柱子的軸向變形不會突然增大。由于碳纖維很早就失效,試件Z2基本上就成了高荷載比條件下的未加固柱,故其軸向變形—時間曲線與試件Z1相似,但斜率(即軸向變形的速度)較Z1大。(3)對于試件Z3,仔細觀察可以發(fā)現(xiàn),其軸向變形曲線有2個突變處,81～85min和113～115min時段處,相應變形為1.88～2.89mm和4.63～5.64mm,這說明無機膠粘貼的碳纖維約束至少在前80min可以為核芯混凝土提供約束作用,80min后慢慢失效,故其耐火極限會較相同豎向荷載條件下的試件Z2長。(4)比較試件Z2與Z3的軸向變形—時間曲線可知,由于Z2在8min左右后核芯混凝土就處于無約束狀態(tài),而Z3中的混凝土有碳纖維約束作用,且隨著受火時間的增長,核芯混凝土的強度不斷降低,橫向變形不斷增大,相應無機膠粘貼碳纖維約束作用就越來越大,故Z2的軸向變形速度較之Z3要大,很快Z2就會先于Z3發(fā)生破壞,Z3則會隨著外部碳纖維約束作用的慢慢喪失而破壞。3.3機構內部競爭極限各試件的實測耐火極限見表1,從表中可以看出:(1)荷載比相同的條件下,試件Z3的耐火極限比試件Z2提高了53.3%,且和試件Z1的耐火極限相當。故而可知,在相同荷載比條件下,有機膠粘貼碳纖維布加固的混凝土柱耐火極限最短,無機膠粘貼碳纖維布加固的混凝土柱耐火極限與未加固柱相當,比有機膠粘貼碳纖維布加固的混凝土柱提高了53.3%。(2)試件Z3的耐火極限為141min,已超過2h,達到耐火等級為三級的建筑物的要求,同時與未加固試件Z1的耐火極限相當,故可認為無機膠粘貼碳纖維布加固的鋼筋混凝土柱有較好的耐火性能。4熱功能與熱作用本文研究得到以下結論:(1)有機膠粘貼碳纖維布加固的混凝土柱,在受火8min左右后,其表面的有機膠就會發(fā)生燃燒,碳纖維約束作用消失;無機膠粘貼碳纖維布加固的混凝土柱,在受火時不會出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象,碳纖維至少在前80min可以為核芯混凝土提供約束作用。(2)由于碳纖維具有一定的隔熱功能,故當受火時間相同時,碳纖維加固混凝土柱的截面溫度場要比未加固柱的低。無機膠粘貼碳纖維布加固混凝土柱的溫度場與有機膠粘貼碳纖維布加固混凝土柱的溫度場總體相差不大,只是在距離受火面較近處,由于有機膠粘貼的碳纖維布脫落,導致有機膠加固試件的溫度會較無機膠加固試件高一點。(3)在火災作用下,碳纖維加