粘貼法加固混凝土構(gòu)件的防火試驗(yàn)研究

付素娟，劉建中，李硯波

（1.河北省建筑科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.天津大學(xué)，天津 300072）

粘貼法加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)由誕生至今，發(fā)展迅速，其應(yīng)用范圍十分廣泛。它是利用改性環(huán)氧樹(shù)脂類膠結(jié)材料加固材料粘貼于混凝土表面，從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)各種粘貼法加固混凝土構(gòu)件的力學(xué)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究與理論分析，取得了一定的研究成果［1－3］。然而粘貼法加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能極差，主要是由于加固所用的結(jié)構(gòu)膠多屬環(huán)氧類有機(jī)物，在溫度超過(guò)其玻璃化溫度Tg時(shí)，結(jié)構(gòu)膠分解或軟化，加快材料與混凝土之間粘結(jié)失效，材料剝落而退出工作［4－5］。我國(guó)碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［6］規(guī)定“對(duì)于有防火要求的建筑物，選用的防火材料及其處理方法應(yīng)使加固后建筑物達(dá)到要求的防火等級(jí)”。一般工業(yè)與民用建筑，特別是高層建筑都有防火要求，但是由于規(guī)程的規(guī)定缺乏可操作性，在我國(guó)現(xiàn)已加固的結(jié)構(gòu)中，多數(shù)僅僅在加固材料表面粉刷一層砂漿，難以保證防火要求和火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的安全性。確定粘貼法加固混凝土構(gòu)件的防火保護(hù)方法是確保火災(zāi)下粘貼法加固工程安全的前提，這也是計(jì)算加固構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的火災(zāi)下反應(yīng)以及災(zāi)后結(jié)構(gòu)的損傷分析和制定加固或拆除決策的基礎(chǔ)。文中主要采用的解決辦法就是在試件表面涂抹防火涂料，試驗(yàn)采用的防火涂料為厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，該種防火涂料價(jià)格便宜、施工簡(jiǎn)單，并且可以對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很好的保護(hù)效果，但相關(guān)的研究還很少。

該課題是在河北省建筑科學(xué)研究院進(jìn)行的。課題首先根據(jù)試驗(yàn)研究了粘碳纖維布結(jié)構(gòu)膠和粘鋼結(jié)構(gòu)膠在不同溫度加熱后的拉拔強(qiáng)度退化情況，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到粘碳纖維布結(jié)構(gòu)膠的耐高溫極限為110℃，粘鋼膠耐高溫極限為150℃。這為文中研究粘貼法加固混凝土構(gòu)件的耐火極限奠定了基礎(chǔ)。

文中對(duì)比分析了火災(zāi)下有無(wú)防火涂料保護(hù)的混凝土試件的溫度隨時(shí)間的變化情況，同時(shí)分析了不同厚度防火涂料對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火性的提高程度，對(duì)工程實(shí)踐有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件尺寸為140mm×100mm×115mm，試驗(yàn)所用混凝土標(biāo)號(hào)為C30，個(gè)數(shù)為24塊。

試件澆筑后在室內(nèi)進(jìn)行常溫自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28d。對(duì)其中的12塊試件進(jìn)行粘碳纖維布加固，剩余的12塊進(jìn)行粘鋼加固。熱電偶布置在加固材料與混凝土試件表面之間的結(jié)構(gòu)膠內(nèi)。加固完成后，養(yǎng)護(hù)7d，然后對(duì)試件進(jìn)行防火涂料的施工。防火涂料施工厚度分組情況見(jiàn)表1。

表1 防火涂料施工厚度分組表

試驗(yàn)所用的防火涂料為室內(nèi)厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，由北京華成防火涂料有限公司生產(chǎn)，該涂料施工工藝簡(jiǎn)單，耐火隔熱性能好。

試驗(yàn)所用試驗(yàn)爐為南京市江寧區(qū)分析儀器廠生產(chǎn)的GXL－1型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料試驗(yàn)爐。

1.2 試驗(yàn)方法

將試件倒放在試驗(yàn)爐上，使試件底部的鋼板卡在試驗(yàn)爐的開(kāi)口處，試驗(yàn)爐一次只能放一個(gè)試件，所以每次只能對(duì)一個(gè)試件進(jìn)行受火試驗(yàn)。由于未涂防火涂料的試件的耐火能力較差，所以其受火時(shí)間設(shè)定為90 min，其余涂防火涂料的試件受火時(shí)間均為150min。試驗(yàn)中，每5min記錄一次熱電偶溫度。

考慮到實(shí)驗(yàn)室技術(shù)條件等限制因素，試驗(yàn)所采用的火災(zāi)加載曲線為恒溫加載曲線，溫度基本控制在700～750℃之間。

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于未涂防火涂料的試件來(lái)說(shuō)，其熱電偶升溫速度很快。在試驗(yàn)開(kāi)始后30 min左右，該試件的熱電偶便由于爐溫過(guò)高而被燒壞，導(dǎo)致后面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性；對(duì)于涂防火涂料的試件，隨著防火涂料厚度的增加，其熱電偶溫度上升速度明顯降低，且最高溫度同樣明顯降低。具體試驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)表2。

由表2可以看出，對(duì)于粘碳纖維布試件，當(dāng)防火涂料厚度為0mm、10mm、20mm時(shí)，碳纖維布和結(jié)構(gòu)膠均被燒壞，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)的防火試件要求；當(dāng)防火涂料厚度超過(guò)30mm時(shí)，碳纖維布和結(jié)構(gòu)膠均未被燒壞，結(jié)構(gòu)膠顏色為黃色或淺黃色。對(duì)于粘鋼試件，由于鋼板的耐火性能很好，所以試驗(yàn)過(guò)程中，鋼板均未被燒壞；當(dāng)防火涂料厚度為0mm、10mm、20mm時(shí)，粘鋼結(jié)構(gòu)膠被燒壞，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)的防火試件要求；當(dāng)防火涂料厚度超過(guò)30mm時(shí)，粘鋼結(jié)構(gòu)膠均未被燒壞。由此說(shuō)明，無(wú)論是粘碳纖維布試件還是粘鋼試件，當(dāng)防火涂料的厚度超過(guò)30mm時(shí)，均可以保證粘貼法加固混凝土試件所用的加固材料和結(jié)構(gòu)膠在火災(zāi)下不被燒壞。

表2 試驗(yàn)現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)表

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

耐火極限是指一個(gè)建筑構(gòu)件從受火作用時(shí)起，到失去支持能力或完整性被破壞或失去隔熱作用時(shí)為止的時(shí)間［7］。上述3個(gè)條件的任一項(xiàng)出現(xiàn)時(shí)，均表明所試驗(yàn)的構(gòu)件達(dá)到耐火極限。粘貼法加固混凝土構(gòu)件的耐火性能主要取決于環(huán)氧類樹(shù)脂的耐高溫性能［7］。引言已經(jīng)說(shuō)明，試驗(yàn)所用結(jié)構(gòu)膠的耐高溫極限已經(jīng)根據(jù)不同溫度加熱后的拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)所確定，所以粘碳纖維布試件的耐火極限為粘碳纖維布結(jié)構(gòu)膠由常溫達(dá)到110℃的時(shí)間，粘鋼試件的耐火極限為粘鋼結(jié)構(gòu)膠由常溫達(dá)到150℃的時(shí)間。

2.1 加固材料對(duì)試件溫度場(chǎng)的影響

根據(jù)對(duì)涂不同厚度防火涂料的粘碳纖維布試件和粘鋼試件的受火試驗(yàn)，得到采用不同加固材料加固的混凝土試件表面中心處的溫度變化曲線，分別見(jiàn)圖1和圖2。

從圖1、圖2中的曲線可以看出，在防火涂料厚度相同時(shí)，粘碳纖維布試件和粘鋼試件的溫度曲線基本一致，說(shuō)明兩種加固材料對(duì)混凝土試件溫度場(chǎng)的影響是相同的，與材料本身的耐火性質(zhì)無(wú)關(guān)。

2.2 防火涂料厚度對(duì)試件溫度場(chǎng)的影響

從圖1、圖2中的0mm曲線，可以看出對(duì)于未涂防火涂料的試件，在試驗(yàn)開(kāi)始的前10min，溫度上升迅速，與爐溫曲線形狀一致，但因?yàn)樵摕犭娕荚谠囼?yàn)開(kāi)始后30min左右時(shí)因爐溫過(guò)高而被燒壞，導(dǎo)致30min以后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。由此可見(jiàn)，無(wú)防火保護(hù)時(shí)，試件表面溫度上升迅速，所用的碳纖維布加固材料和結(jié)構(gòu)膠均被燒壞，試件沒(méi)有耐高溫能力。

從圖1、圖2中的10mm曲線和20mm曲線，可以看出對(duì)于涂防火涂料的試件，溫度上升緩慢，且相同加熱時(shí)間下的最高溫度相比未涂防火涂料的試件來(lái)說(shuō)也明顯降低。但當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行60min后，試件截面的溫度開(kāi)始超過(guò)200℃，說(shuō)明防火涂料對(duì)試件雖然具有很好的防火作用，但此時(shí)防火涂料的厚度取值是不滿足防火設(shè)計(jì)要求的。

從圖1、圖2中的30mm曲線和40mm曲線，可以看出對(duì)于涂厚度超過(guò)30mm防火涂料的試件，防火效果進(jìn)一步提升，截面溫度達(dá)到150℃的時(shí)間超過(guò)2h，尤其對(duì)于涂40mm厚防火涂料的試件來(lái)說(shuō)，基本達(dá)到了2.5h。

從圖1、圖2中的40mm曲線和50mm曲線，可以看出隨著防火涂料厚度的增加，防火保護(hù)的效果卻沒(méi)有快速增長(zhǎng)，反而增速緩慢，這說(shuō)明防火涂料的厚度與防火保護(hù)的作用不成正比，所以不能靠盲目地增加防火涂料厚度來(lái)提高試件的耐火極限。同時(shí)隨著防火涂料厚度的增加，一方面會(huì)增加加固構(gòu)件的自重，另一方面防火涂料的厚度越厚就越易出現(xiàn)開(kāi)裂與分層現(xiàn)象，防火作用反而會(huì)大打折扣，，而且還會(huì)影響加固構(gòu)件的空間使用效果。所以，防火涂料厚度的最佳取值宜為40mm。

3 結(jié) 論

采用試驗(yàn)方法對(duì)火災(zāi)高溫下涂有不同厚度防火涂料的粘貼法加固鋼筋混凝土試件的耐火極限進(jìn)行了研究，分析了加固材料的熱工性質(zhì)和防火涂料的厚度對(duì)混凝土試件溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

a.不論是粘碳纖維布試件還是粘鋼試件，防火涂料對(duì)其的防火作用基本一樣，與所用的加固材料種類關(guān)系不大。

b.有防火保護(hù)層時(shí)，試件表面溫度上升速度明顯降低，厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料對(duì)粘貼法加固混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的防火保護(hù)作用。

c.隨著防火涂料厚度的增加，保溫隔熱效果明顯增強(qiáng)，但當(dāng)防火涂料厚度超過(guò)40mm之后，保溫效果的增強(qiáng)趨勢(shì)不再明顯，所以實(shí)際工程中，當(dāng)采用厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火設(shè)計(jì)時(shí)，防火涂料厚度在40mm時(shí)便可以滿足一般工業(yè)與民用建筑的防火要求［6］。

d.文中的研究成果可以為粘貼法加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，同時(shí)為進(jìn)一步深人研究加固構(gòu)件的耐火極限創(chuàng)造了條件。

隨著粘貼法的廣泛應(yīng)用，特別是粘貼碳纖維布法的廣泛應(yīng)用，其優(yōu)異的性能在混凝土結(jié)構(gòu)加固過(guò)程中得到了充分的體現(xiàn)，碳纖維加固修復(fù)技術(shù)所帶來(lái)的防火問(wèn)題也必將會(huì)隨著科技的不斷發(fā)展而得到更好的解決。

［1］ ROSS C A，JEROME D M，TEDESCO J W，et al.Strengthening of Reinforced Concrete Beam with Externally Bonded Composite Laminates［J］.ACI Structure Journal，1999，96（2）：212－220.

［2］ 張繼文，岳捷麗，呂志濤.混凝土梁側(cè)面粘貼CFRP布的結(jié)構(gòu)加固性能的試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，32（5）：760－765.

［3］ 羅苓隆，毛星明.碳纖維布加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)際工程運(yùn)用［J］.四川建筑科學(xué)研究，2001，27（2）：16－17.

［4］ 高皖揚(yáng).碳纖維加固混凝土梁耐火試驗(yàn)研究與理論分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

［5］ Williams B.Fire Performance of FRP－strengthened Reinforced Concrete Flexural Members［D］.Kingston：Queen’s University，2004.

［6］ 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.碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

［7］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50016—2006.建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.