碳纖維布抗彎加固混凝土梁的耐火性能試驗研究

碳纖維布抗彎加固混凝土梁的耐火性能試驗研究

纖維布具有強度高、輕量、施工周期長、施工方便等優(yōu)點，在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但與之配套的膠粘劑的耐高溫性能通常很差,導(dǎo)致無防火保護的碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴重安全隱患。我國《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,對有防火要求的建筑物必須選擇適當?shù)姆阑鸫胧┮赃_到規(guī)定的耐火等級。但該規(guī)定顯然較為籠統(tǒng),在可操作性方面還有待進一步明確和定量。目前,國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維布加固混凝土構(gòu)件的耐火性能已開展了一系列試驗研究和計算分析,研究表明設(shè)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]。但從表1中可以看出,現(xiàn)有研究所采用的防火涂料厚度普遍偏大,且有的設(shè)置方式過于保守(例如,梁側(cè)沒有碳纖維布的地方也全部涂抹防火涂料)。為進一步提高加固混凝土梁的防火經(jīng)濟性,有必要進一步確認防火涂料厚度相對較薄且梁側(cè)無碳纖維布處完全省略防火涂料時加固梁的火災(zāi)行為。此外,加固混凝土梁在荷載和高溫共同作用下所產(chǎn)生的裂縫是否會對截面溫度場產(chǎn)生較大影響,尚無文獻提及。針對上述問題,本文開展了4根碳纖維布抗彎加固混凝土梁和1根未加固對比梁的明火試驗,前者碳纖維布表面涂抹有厚度相對較薄(10mm~20mm)的非膨脹型防火涂料。試驗考察了梁跨中裂縫對受拉鋼筋溫度的影響,以及防火涂料厚度較薄時加固梁的耐火性能。1試驗總結(jié)1.1試驗方法和材料共設(shè)計5個鋼筋混凝土梁,即1個未加固對比梁(L1)和4個碳纖維布抗彎加固梁(L2~L5)。各試件的截面尺寸和配筋情況相同,加固梁底面粘貼寬度200mm、長度4000mm的碳纖維布。根據(jù)相關(guān)規(guī)定,碳纖維布兩端及集中力作用處設(shè)置有單層碳纖維布U型箍。碳纖維布表面分層噴涂非膨脹型防火涂料,并在涂層厚度1/2處設(shè)置鋼絲網(wǎng)。底面防火涂料與梁截面等寬,U型箍處防火涂料寬度取為U型箍寬度加上2倍防火涂料厚度,以避免碳纖維布邊緣直接暴露于明火中。試件詳細情況見表2和圖1。采用硅質(zhì)骨料混凝土,設(shè)計強度等級C30,試驗時實測立方體抗壓強度49.5MPa?？v筋和箍筋分別采用HRB335級和HPB235級鋼筋,它們的實測屈服強度分別為375MPa(8)、277.1MPa(12)和357.6MPa(22)。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,抗拉強度3838.6MPa,彈性模量245GPa。配套膠粘劑采用TH-RESIN材料。采用廣州市泰堡防火涂料有限公司生產(chǎn)的TB非膨脹型防火涂料,廠家提供的相關(guān)參數(shù)為密度500kg/m3、質(zhì)量熱容1047J/(kg·℃)、導(dǎo)熱系數(shù)0.116W/(m·℃)。為確保高溫下發(fā)生彎曲破壞,各試件的箍筋用量相對較多(剪跨區(qū)配箍率達到0.5%),但仍處于正常取值范圍。1.2試驗過程和布置試驗在華南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)耐火實驗室進行。梁兩端簡支,凈跨4400mm,受火長度4000mm。根據(jù)建筑構(gòu)件耐火試驗方法,采用4點加載方式,加載點分別位于1/8、3/8、5/8和7/8凈跨處。試驗采用恒載升溫途徑,三面受火。預(yù)加載至預(yù)定荷載的50%并穩(wěn)壓10min,檢查各系統(tǒng)和裝置是否正常運行后卸載。正式加載至預(yù)定荷載并保持恒定,10min后按ISO834標準升溫曲線升溫。試驗過程中,對梁的溫度和撓度進行測量。跨中撓度增至L/20(L為梁凈跨)時,即認為梁達到其耐火極限,試驗結(jié)束。為量測裂縫對受拉鋼筋溫度的影響,在跨中附近的A、B、C這3個截面布置熱電偶。位移計和熱電偶的具體布設(shè)情況見圖2,其中熱電偶7和熱電偶8設(shè)置于梁底面,熱電偶1、熱電偶2、熱電偶3設(shè)置于受拉鋼筋側(cè)面(注:測點3處事先沿梁軸向放置一短鋼筋棒)。試驗過程中,每60s由儀器自動采集一次數(shù)據(jù)。2試驗結(jié)果及分析2.1梁底豎向裂縫與梁底防火涂料的斷裂與斷裂各試件表現(xiàn)出相似的火災(zāi)行為,即升溫過程中時有爆裂聲傳出,豎向撓度歷經(jīng)相當長時間的緩慢增長后,最終在接近耐火極限時迅速增大。加固梁L4在升溫后98min左右伴隨著較清晰的爆裂聲豎向撓度增長加速,10min后傳出一聲轟響。試驗結(jié)束后開爐發(fā)現(xiàn),該試件從左邊剪跨區(qū)斷裂成兩半并掉落至爐底。表3所示為各試件的破壞位置和耐火極限,試驗后各試件的宏觀破壞形態(tài)和裂縫分布情況見圖3。從圖3中可以看出:1)試件L1、試件L3和試件L5的變形和裂縫均呈現(xiàn)出典型的彎曲破壞特征,與未加固梁L1相比,加固梁L3和梁L5的豎向裂縫更集中于跨中附近。2)試件L2的最大撓度及最大裂縫出現(xiàn)在左側(cè)剪跨區(qū),該處梁底角部混凝土開裂剝落致使局部縱筋外露,同時梁側(cè)有著最深約25mm的大面積混凝土爆裂。3)試件L4在左側(cè)剪跨區(qū)發(fā)生斷裂,斷裂處梁底縱筋拉斷并有明顯頸縮現(xiàn)象(注:斷裂處梁頂縱筋原本是連續(xù)的,為確保試驗后起吊安全,起吊前梁頂縱筋被人為切斷),跨中附近裂縫發(fā)展不明顯。這主要是因為升溫后98min左右伴隨著較清晰的爆裂聲,斷裂處梁底混凝土發(fā)生嚴重爆裂,防火涂料脫落,縱筋部分外露溫度迅速升高,致使該處截面抗彎承載力急劇降低,最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生。4)所有試件都出現(xiàn)了不同程度的爆裂,且爆裂大多集中在最大撓度處和/或加載點附近的梁側(cè)面中上部,梁底面爆裂很少。這主要是前者區(qū)域的混凝土壓應(yīng)力較大所致,已有研究表明高溫下混凝土壓應(yīng)力越大,其發(fā)生爆裂的可能性也就越大。5)加固梁梁底非U型箍處的防火涂料均與梁底剝離,或下垂或斷裂或掉落于地。根據(jù)加固梁梁底混凝土顏色呈淺灰白色(注:梁側(cè)無防火涂料部分的混凝土顏色偏土黃色)推斷,梁底防火涂料的下垂或斷裂應(yīng)發(fā)生在試件撓度增長較快的升溫后期,在之前相當長時間內(nèi)梁底防火涂料基本保持完整。6)加固梁U型箍處的防火涂料均較為完好,只是表面呈現(xiàn)龜裂縫。從上述第5)點、第6)點可以看出,無論梁底還是U型箍處設(shè)置的鋼絲網(wǎng)都能有效延遲或防止防火涂料的脫落,從而明顯降低防火涂料覆蓋部位的混凝土和鋼筋的溫度升高速率,進而改善加固梁的高溫受力性能。防火涂料雖然具有很好的隔熱性能,但其強度通常很低,這使得設(shè)置在防火涂料厚度1/2處的鋼絲網(wǎng)只能發(fā)揮增強涂料整體性的作用,而對加固梁的受力性能幾乎沒有影響。2.2試件與試件的密度對高溫完整性的影響圖4所示為加固梁跨中截面熱電偶B7和熱電偶B8(見圖2)的實測溫度-時間曲線。從圖4中可以看出:1)由于測點B7更毗鄰梁側(cè)受火面,致使其溫度始終高于測點B8,但升溫后期二者之間的差別逐漸縮小。2)試件L3的測點B7和測點B8的溫度分別在升溫10min和30min后迅速上升,明顯有別于其它加固梁,這表明該試件跨中防火涂料此時出現(xiàn)了局部損壞。3)試件L4的防火涂料厚度只有10mm,其測點B7和測點B8的溫度在升溫后40min以內(nèi)均高于試件L2和L5(注:防火涂料厚度20mm)的相應(yīng)測點;但升溫40min以后,試件L4測點B7和測點B8的溫度卻與試件L2和試件L5的相應(yīng)測點差別不大甚至低于后者,這主要是因為試驗過程中試件L4跨中附近的防火涂料完整性相對更好的緣故。開爐后發(fā)現(xiàn)該試件跨中附近的防火涂料雖也與梁底脫開,但與梁底之間的縫隙較小且涂料表面幾乎無明顯裂縫,完整性明顯好于試件L2和試件L5的跨中附近防火涂料。這表明防火涂料的隔熱效果不僅與其厚度有關(guān),同時還與其高溫完整性密切相關(guān)。4)所有加固試件的測點B7和測點B8溫度均在升溫30min后超過100℃,意味著碳纖維布的加固作用已逐漸喪失。圖5所示為試件L1、試件L2、試件L4和試件L5跨中純彎段A截面、B截面、C截面的實測受拉鋼筋溫度-時間曲線,其中試件L1的A2測點和試件L2的A1測點、B1測點因熱電偶故障未能獲得有效數(shù)據(jù)。從圖5中可以看出:1)對于同一截面,測點3的溫度明顯低于測點1和測點2,這主要是因為后兩者更靠近梁側(cè)受火面的緣故(見圖2)。2)試件L5的主要裂縫集中在跨中附近,其中截面A處有一條寬度達21mm的裂縫,而與截面B、截面C相鄰的裂縫寬度較小,但不同截面對應(yīng)測點的受拉鋼筋溫度卻較為接近。3)試件L2的破壞集中在左側(cè)剪跨區(qū),跨中附近裂縫不明顯,其A截面、B截面、C截面對應(yīng)測點的受拉鋼筋溫度均較為接近。4)對于防火涂料厚度相同的試件L2和試件L5來說,雖然二者跨中附近的裂縫開展情況明顯不同,但二者相同截面對應(yīng)測點的溫度卻較為接近。例如,升溫后120min試件L2的A截面、B截面、C截面的測點2溫度約為600℃~650℃,而L5的A截面、B截面、C截面的測點2溫度約為560℃~610℃,二者之間僅存在40℃左右的差別。上述分析表明,雖然試驗結(jié)束后開爐發(fā)現(xiàn),有的試件跨中附近存在較大裂縫,但似乎對受拉鋼筋溫度影響不大。這是因為升溫后相當長時間內(nèi)由于試件撓度增長緩慢,跨中附近裂縫的開展寬度和深度均十分有限,開爐后發(fā)現(xiàn)的較大裂縫只是在最終破壞階段試件撓度急劇增長時才迅速開展的,因而總體上看裂縫對受拉鋼筋溫度影響較小。2.3宏觀和局部破壞形態(tài)圖6所示為試件L2和試件L3的實測豎向撓度-時間曲線(具體測點見圖2),以及各試件實測跨中撓度-時間曲線的對比。從圖6中可以看出:1)升溫后相當長一段時間內(nèi),試件的豎向撓度增長較為平緩,只是在臨近最終破壞階段才迅速增大。2)試件L3的測點(2)和測點(3)的豎向撓度曲線呈現(xiàn)出了很好的對稱性;試件L2的測點(2)所對應(yīng)豎向撓度卻在升溫后期明顯超過對稱測點(3),且逐漸逼近并追上跨中撓度,這一現(xiàn)象與前面所述試件L2的宏觀破壞形態(tài)是吻合的。3)與未加固試件L1相比,雖然加固試件L2~試件L4所承受的豎向荷載更大,但由于防火涂料的隔熱保護作用,相同升溫時間下后者的跨中撓度明顯偏小。4)在荷載比和防火涂料厚度完全相同的情況下,試件L5因加固量較大承受著比L3更大的豎向荷載,但升溫中后期對應(yīng)相同升溫時間前者的跨中撓度卻反而小于后者。這主要是因為后者跨中附近的梁底防火涂料較早出現(xiàn)了局部損壞。2.4加固梁的退火試驗表3給出了所有試件的實測耐火極限。從表2和表3中可以看出:1)在防火涂料厚度僅為10mm~20mm的情況下,雖然加固梁L3~梁L5所承受的豎向荷載大于未加固梁L1,但前者耐火極限仍長于后者。這主要是因為防火涂料的存在降低了梁底縱筋的升溫速度,有效延緩了加固試件高溫抗彎承載力的衰減。2)試件L3的荷載比和防火涂料厚度均與試件L5相同,但在加固量僅為后者一半的情況下,前者耐火極限還低于后者是較為反常的。這主要是因為前者跨中附近的梁底防火涂料較早出現(xiàn)了局部損壞(注:這可從圖4中試件L3的測點B7和測點B8溫度分別在升溫10min和30min后迅速上升得到印證)。正常情況下,試件L3的耐火極限應(yīng)比試件L5的130min更長。3)試件L4的防火涂料厚度只有10mm且荷載比達到0.5,但其耐火極限仍接近2h的一級耐火要求。若不是該試件因左側(cè)剪跨區(qū)的梁底混凝土發(fā)生嚴重爆裂造成意外斷裂,其耐火極限應(yīng)更長?？紤]到本次試驗是在試件制作后3個月左右進行的,混凝土爆裂的可能性相對較大,而實際火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)已建成多年,混凝土發(fā)生爆裂的可能性相對較小,因此可以說正常情況下加固量22.5%、荷載比0.5且防火涂料厚度僅10mm的加固梁,是可以基本達到一級耐火要求的。這一結(jié)果比文獻中涉及的30mm~50mm顯著降低。4)雖然試件L5的加固量高達45%(注:文獻要求加固量一般不超過40%)且荷載比為0.5,但在厚度20mm的防火涂料保護下仍具有超過2h的耐火極限。5)試件L2的耐火極限明顯大于一級耐火要求2h,這表明在加固量22.5%、荷載比0.3的情況下,加固梁實際所需的防火涂料厚度可比該試件所采用的20mm明顯減少?；诒?和表3所示數(shù)據(jù),考慮到實際結(jié)構(gòu)建成多年后混凝土發(fā)生爆裂的可能性相對較小,在確保防火涂料施工質(zhì)量的情況下,可初步給出表4所示碳纖維布抗彎加固混凝土梁的防火涂料厚度建議取值。3對梁底防火涂料高溫完整性的影響通過本文的研究,可以得到如下初步結(jié)論:(1)梁底混凝土爆裂脫落導(dǎo)