粘貼法加固混凝土構(gòu)件的防火試驗研究

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)氧樹脂類膠結(jié)材料加固材料粘貼于混凝土表面，從而達到對結(jié)構(gòu)補強加固及改善受力性能的目的。目前，國內(nèi)外研究者對各種粘貼法加固混凝土構(gòu)件的力學(xué)進行了大量的試驗研究與理論分析，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)氧類有機物，在溫度超過其玻璃化溫度Tg時，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)使加固后建筑物達到要求的防火等級”。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)件的防火保護方法是確?；馂?zāi)下粘貼法加固工程安全的前提，這也是計算加固構(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，該種防火涂料價格便宜、施工簡單，并且可以對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很好的保護效果，但相關(guān)的研究還很少。

該課題是在河北省建筑科學(xué)研究院進行的。課題首先根據(jù)試驗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度退化情況，并根據(jù)試驗結(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)。

文中對比分析了火災(zāi)下有無防火涂料保護的混凝土試件的溫度隨時間的變化情況，同時分析了不同厚度防火涂料對結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火性的提高程度，對工程實踐有一定的現(xiàn)實意義。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試件尺寸為140mm×100mm×115mm，試驗所用混凝土標(biāo)號為C30，個數(shù)為24塊。

試件澆筑后在室內(nèi)進行常溫自然養(yǎng)護，養(yǎng)護28d。對其中的12塊試件進行粘碳纖維布加固，剩余的12塊進行粘鋼加固。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7d，然后對試件進行防火涂料的施工。防火涂料施工厚度分組情況見表1。

表1 防火涂料施工厚度分組表

試驗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)，該涂料施工工藝簡單，耐火隔熱性能好。

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

1.2 試驗方法

將試件倒放在試驗爐上，使試件底部的鋼板卡在試驗爐的開口處，試驗爐一次只能放一個試件，所以每次只能對一個試件進行受火試驗。由于未涂防火涂料的試件的耐火能力較差，所以其受火時間設(shè)定為90 min，其余涂防火涂料的試件受火時間均為150min。試驗中，每5min記錄一次熱電偶溫度。

考慮到實驗室技術(shù)條件等限制因素，試驗所采用的火災(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 試驗現(xiàn)象

試驗過程中，對于未涂防火涂料的試件來說，其熱電偶升溫速度很快。在試驗開始后30 min左右，該試件的熱電偶便由于爐溫過高而被燒壞，導(dǎo)致后面試驗數(shù)據(jù)的不準確性；對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。具體試驗現(xiàn)象見表2。

由表2可以看出，對于粘碳纖維布試件，當(dāng)防火涂料厚度為0mm、10mm、20mm時，碳纖維布和結(jié)構(gòu)膠均被燒壞，無法滿足結(jié)構(gòu)的防火試件要求；當(dāng)防火涂料厚度超過30mm時，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。對于粘鋼試件，由于鋼板的耐火性能很好，所以試驗過程中，鋼板均未被燒壞；當(dāng)防火涂料厚度為0mm、10mm、20mm時，粘鋼結(jié)構(gòu)膠被燒壞，無法滿足結(jié)構(gòu)的防火試件要求；當(dāng)防火涂料厚度超過30mm時，粘鋼結(jié)構(gòu)膠均未被燒壞。由此說明，無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30mm時，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 試驗現(xiàn)象統(tǒng)計表

2 試驗數(shù)據(jù)分析

耐火極限是指一個建筑構(gòu)件從受火作用時起，到失去支持能力或完整性被破壞或失去隔熱作用時為止的時間［7］。上述3個條件的任一項出現(xiàn)時，均表明所試驗的構(gòu)件達到耐火極限。粘貼法加固混凝土構(gòu)件的耐火性能主要取決于環(huán)氧類樹脂的耐高溫性能［7］。引言已經(jīng)說明，試驗所用結(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度試驗所確定，所以粘碳纖維布試件的耐火極限為粘碳纖維布結(jié)構(gòu)膠由常溫達到110℃的時間，粘鋼試件的耐火極限為粘鋼結(jié)構(gòu)膠由常溫達到150℃的時間。

2.1 加固材料對試件溫度場的影響

根據(jù)對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，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，粘碳纖維布試件和粘鋼試件的溫度曲線基本一致，說明兩種加固材料對混凝土試件溫度場的影響是相同的，與材料本身的耐火性質(zhì)無關(guān)。

2.2 防火涂料厚度對試件溫度場的影響

從圖1、圖2中的0mm曲線，可以看出對于未涂防火涂料的試件，在試驗開始的前10min，溫度上升迅速，與爐溫曲線形狀一致，但因為該熱電偶在試驗開始后30min左右時因爐溫過高而被燒壞，導(dǎo)致30min以后試驗數(shù)據(jù)的不準確性。由此可見，無防火保護時，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，可以看出對于涂防火涂料的試件，溫度上升緩慢，且相同加熱時間下的最高溫度相比未涂防火涂料的試件來說也明顯降低。但當(dāng)試驗進行60min后，試件截面的溫度開始超過200℃，說明防火涂料對試件雖然具有很好的防火作用，但此時防火涂料的厚度取值是不滿足防火設(shè)計要求的。

從圖1、圖2中的30mm曲線和40mm曲線，可以看出對于涂厚度超過30mm防火涂料的試件，防火效果進一步提升，截面溫度達到150℃的時間超過2h，尤其對于涂40mm厚防火涂料的試件來說，基本達到了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，防火保護的效果卻沒有快速增長，反而增速緩慢，這說明防火涂料的厚度與防火保護的作用不成正比，所以不能靠盲目地增加防火涂料厚度來提高試件的耐火極限。同時隨著防火涂料厚度的增加，一方面會增加加固構(gòu)件的自重，另一方面防火涂料的厚度越厚就越易出現(xiàn)開裂與分層現(xiàn)象，防火作用反而會大打折扣，，而且還會影響加固構(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

采用試驗方法對火災(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混凝土試件溫度場的影響規(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.有防火保護層時，試件表面溫度上升速度明顯降低，厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料對粘貼法加固混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的防火保護作用。

c.隨著防火涂料厚度的增加，保溫隔熱效果明顯增強，但當(dāng)防火涂料厚度超過40mm之后，保溫效果的增強趨勢不再明顯，所以實際工程中，當(dāng)采用厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料對混凝土結(jié)構(gòu)進行防火設(shè)計時，防火涂料厚度在40mm時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)進行防火設(shè)計提供參考依據(jù)，同時為進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)所帶來的防火問題也必將會隨著科技的不斷發(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.

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［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)實際工程運用［J］.四川建筑科學(xué)研究，2001，27（2）：16－17.

［4］ 高皖揚.碳纖維加固混凝土梁耐火試驗研究與理論分析［D］.上海：同濟大學(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：中國計劃出版社，2002.

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