薄鋼管-防火涂料-CFRP修復(fù)受損鋼筋混凝土柱的抗火性能試驗研究

趙英杰

【建筑與規(guī)劃】

薄鋼管-防火涂料-CFRP修復(fù)受損鋼筋混凝土柱的抗火性能試驗研究

趙英杰

（沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，沈陽 110168）

為研究完全破壞的鋼筋混凝土柱子修復(fù)和增強(qiáng)其防火性能，利用高溫燃燒爐對四面受火的試件高溫下性能探究分析，將所得到的結(jié)果與鋼筋混凝土柱子的計算承載力進(jìn)行比較。使用薄鋼管-防火涂料-CFRP共同加固完全破壞的鋼筋混凝土柱子，得到了鋼筋混凝土柱子的力學(xué)加固方法和抗火加固方法。得到結(jié)論：試件的耐火時間為3 h，證明這種加固方法不僅提高了試件常溫的承載能力而且還使得試件具有優(yōu)越的抗火性能。

防火涂料；CFRP；鋼筋混凝土；加固；高溫

CFRP布是復(fù)合材料［1］，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到普通鋼材十幾倍，其彈性模量與鋼材相似［2］。Yaqub和Bailey進(jìn)行了CFRP布和玻璃纖維(GFRP)布加固火災(zāi)后鋼筋混凝土圓柱軸壓力學(xué)性能的試驗研究，結(jié)果表明單層FRP布加固能明顯增強(qiáng)火災(zāi)后鋼筋混凝土圓柱的強(qiáng)度和延性［3］。CFRP布中的環(huán)氧樹脂基體不具有耐高溫能力，可以認(rèn)為，當(dāng)CFRP的溫度達(dá)到基體材料（膠黏劑）的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時（65～150℃），CFRP布將失去加固作用并且在高溫下會分解，使CFRP失去力學(xué)性能［4］。所以本文提出使用外包防火涂料來提高CFRP加固后鋼筋混凝土柱子在火災(zāi)中抗火性能，但防火涂料在高溫下會脫落，所以使用外包薄鋼管避免其脫落，形成圓截面薄鋼管—防火涂料—CFRP共同加固鋼筋混凝土柱子，截面如圖1。

圖1 試件截面

1 試驗概況及修復(fù)理論

1.1 試驗內(nèi)容

本試驗研究常溫下壓壞的鋼筋混凝土柱子加固抗火性能。

（1）對鋼筋混凝土柱子進(jìn)行常規(guī)修復(fù)，恢復(fù)其全新的狀態(tài)。

（2）對鋼筋混凝土柱子外包薄鋼管，薄鋼管與鋼筋混泥土柱子之間填充防火涂料，使加固后的試件具有抗火能力。

（3）使用ISO-834升溫曲線的是升溫方式對試件加熱。

（4） 在2 h 25 min左右停止加熱，在高溫條件下對試件加壓，直到破壞為止，從而得到加固后試件的抗火性能。

1.2 計算理論

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》軸心受壓構(gòu)件正截面受承載力計算公示得：

其中：Nu——軸向壓力承載力設(shè)計值；

0.9 ——可靠度調(diào)整系數(shù)；

φ——鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；

fc——混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；

Ac——混凝土柱子的截面面積；

fy——縱向鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；

As——全部縱向鋼筋的截面面積。

根據(jù)查表得知φ=0.92，所以鋼筋混凝土柱子的承載力為：

2 材料力學(xué)性能測試

2.1 材料的力學(xué)性能

該試驗采用復(fù)合加固方法加固受損鋼筋混凝土柱，并研究其抗火性能。修復(fù)方法是由焊接的鋼筋，C30混凝土，CFRP布，厚涂型防火涂料，薄鋼管共同作用而形成的復(fù)合加固。

2.1.1 鋼筋的力學(xué)性能：

HRB335的縱向鋼筋試驗所得數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 鋼筋規(guī)格及測定強(qiáng)度

2.1.2 C30混凝土的力學(xué)性能

混凝土設(shè)計強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)配合比澆筑的150 mm×150 mm×150 mm的方體試塊測得。

表2 C30混凝土試塊測定強(qiáng)度

2.1.3 建筑結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能

表3 建筑結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能

2.1.4 CFRP布的力學(xué)性能

將CFRP布剪成250 mm×20 mm的尺寸進(jìn)行試驗，CFRP布性能指標(biāo)如下表4所示；

表4 CFRP布的力學(xué)性能

2.1.5 厚涂型防火涂料的力學(xué)性能：

按照標(biāo)準(zhǔn)條款號GB14909-2002.5.2.1防火涂料的粘結(jié)強(qiáng)度≥0.04 MPa，實測粘結(jié)強(qiáng)度為0.29 MPa，抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa，實測抗壓強(qiáng)度為1.5 MPa，干密度≤500 kg/m3，實測干密度為467 kg/m3。

2.1.6 薄鋼管的力學(xué)性能：

薄鋼管的力學(xué)性能如表5所示。

表5 鋼材力學(xué)性能

3 試件加固方案

（1）鑿除酥松的混凝土，漏出鋼筋，移除大粒徑的混凝土塊，對其表面進(jìn)行清理、修整、水洗處理，使得工具可以處理微小的裂縫。

（2）對鋼筋進(jìn)行打磨，除銹處理，以方便下一步的焊接，再將受力破壞的鋼筋截斷，使用長450 mm與試件內(nèi)部相同的Φ12的HRB335級熱軋鋼筋焊接修補(bǔ)，搭接長度為75 mm。

（3）為保證修補(bǔ)后的試件粗細(xì)程度一樣，利用薄鐵皮作為模板并通過模板上部預(yù)留孔澆筑C30混凝土。澆筑過程中需要使用振搗棒不斷振搗，達(dá)到密實效果。

（4）三天后打開模板，為了使CFRP布更好地粘貼在鋼筋混凝土柱子的表面，需要對修復(fù)后的鋼筋混凝土柱子表面進(jìn)行處理。

①利用機(jī)械打磨消除混凝土試件表面的灰漿、油污、松散的沙粒，凸出部位要完全打磨平，對于大于0.2 mm的混凝土裂縫，用建筑結(jié)構(gòu)膠做灌縫處理。

②使用吹風(fēng)機(jī)吹除混凝土表面的灰塵，再用乙醇進(jìn)行擦拭處理。

③滾筒刷將建筑結(jié)構(gòu)膠均勻地涂抹到混凝土的表面，將CFRP布貼上，并使用塑料刮板往復(fù)碾壓，趕出氣泡，促使粘合劑滲透，在碳纖維長方向上接頭搭接長度為100 mm。反復(fù)刮涂，使建筑結(jié)構(gòu)膠滲入到碳纖維布中去。

④相同的方法粘貼第二層CFRP布，過程如圖2所示。

圖2 舊試件的修復(fù)

（5） 在CFRP布外安置熱電偶，安置部位為試件在結(jié)構(gòu)抗火試驗爐中的中心位置，在此截面均勻布置3根熱電偶，分別成120°角。距離柱子端板750 mm（見圖3a、3b）。圖3a 和圖3b分別為熱電偶在CFRP上布置的位置，圖3c中粉料和液料稱重攪拌，圖3d為把防火涂料灌入到薄鋼管與加固柱之間。

圖3 CFRP布外安置熱電偶

（6）焊接薄鋼管，利用結(jié)構(gòu)實驗室氣焊機(jī)將兩半圓鋼管分別焊接，并將半圓鋼管端部與試件的兩端鋼板焊接牢固；鋼管正立面，背立面有事先切割的方孔8 mm×8 mm，目的：將熱電偶端頭從開口處伸出，以便連接溫度數(shù)據(jù)采集儀器。

（7）填充厚涂型防火涂料，厚涂型防火涂料的粉料和液料按照3∶2的重量配比，攪拌均勻在一個小時內(nèi)使用完，攪拌后靜止3 min，目的使內(nèi)部氣泡出來。填充分3次進(jìn)行，待上一次填充的厚涂型防火涂料干燥之后，進(jìn)行下一次填充。填充過程中使用振搗棒不斷振搗，使得厚涂型防火涂料密實。如圖3c、圖3d。

4 試件加載

本實驗在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室火災(zāi)試驗爐內(nèi)進(jìn)行，荷載由實驗儀器自帶的5 000 kN軸壓千斤頂提供。

4.1 試件放置

試件進(jìn)行軸壓試驗，通過實驗建筑大學(xué)實驗室火災(zāi)試驗爐自帶的小型起重機(jī)將試件吊入火災(zāi)試驗爐內(nèi)，試件下端使用螺栓固定目的是在試件受壓時使柱子保持垂直。如圖4a、4b。

4.2 試件加載方式

圖4 安放試件

加載分預(yù)加載和正式加載，預(yù)加載過程先以小等量級荷載連續(xù)加載卸載，確定測量儀器正常工作性能，保證加載板與試件之間充分接觸。正式加載采用分級加載，具體加載表格如表6。

試件初始階段緩慢加載，隨著荷載的增加，加固柱的剛體位移和變形增大，位移隨之增大。在荷載達(dá)到大約400 kN時位移變化較快，隨著荷載持續(xù)增加位移增加，整個加載過程中薄鋼管、防火涂料、CFRP三者共同承受荷載。在達(dá)到恒載1300 kN時加固試件并無明顯破壞。正式加載結(jié)束后使用ISO-843國際升溫曲線對試件進(jìn)行高溫加載。

表6 正式加載

4.3 試件的試驗過程

根據(jù)ISO-843國際升溫曲線公式計算得到結(jié)構(gòu)如表7：

表7 ISO-834升溫曲線計算結(jié)果

圖5 試件在實驗中的情景

（1） 在0～5 min的時間內(nèi)爐內(nèi)溫度上升較快，從初始溫度10℃上升到566.4℃，試件表面鋼管顏色由淺藍(lán)色變?yōu)樯罴t色后轉(zhuǎn)為紅黑色。

（2） 在5～30 min的時間內(nèi)試件表面的鋼管逐漸出現(xiàn)高溫融化的亮斑。

（3） 在0～40 min的試件內(nèi)由于水泥的水化作用和防護(hù)涂料里面的自由水的蒸發(fā)作用，火災(zāi)試驗爐上端排氣孔及底座有大量水汽冒出且伴有輕微的滋滋聲。

（4） 在30～60 min內(nèi)試件表面，出現(xiàn)了更多的高溫融化的亮斑。

（5） 在60～105 min,試件表面逐漸顯得光滑，表面的顏色也與火焰的顏色趨于一致，高溫融化的亮斑面積逐漸變大。

（6） 105～135 min， 135～150 min， 150～180 min在這三個階段試件的表觀現(xiàn)象十分接近，變化不大。

（7） 145～180 min期間對試件持續(xù)增加荷載，在接近破壞極限時會聽到連續(xù)的“當(dāng)當(dāng)”的響聲，當(dāng)聽到“咚”的一聲試件完全破壞，電腦顯示屏上的位移記錄圖標(biāo)顯示柱子的位移迅速增大，表明試件在此時破壞，記錄儀顯示最終在荷載為1 521.4 kN時試件破壞。過程照片如上圖5所示。

圖6 試件所受承載力與時間關(guān)系

5 實驗結(jié)果和分析

5.1 試件所受承載力與時間關(guān)系

從圖中可以看出試件被加固后得到了很大的改善，在3個多小時的高溫條件下試件所受的承載力一直穩(wěn)定在1 300 kN左右，在此期間試件并無破壞。由上面的計算公式得到試件在常溫下的承載力為1 567.58 kN，試件在1 000℃左右的高溫下承受1 300 kN荷載試件長達(dá)2.5 h且在2.5 h后在荷載不斷增加的情況下又支撐了0.5 h，最終極限破壞荷載為1 521.4 kN，此承載力數(shù)值與常溫下的承載力幾乎相等，該加固方式使試件在1 000℃的高溫下可以到達(dá)常溫的承載力，證明該加固方式有效可行。如圖6。

5.2 卸試件過程及剖件過程

圖7 卸下試件及拋開薄鋼管

圖7 卸下試件及拋開薄鋼管

打開爐門觀察試件表明，發(fā)現(xiàn)鋼管表面有起酥現(xiàn)象并伴有少量的脫落，破壞部位出現(xiàn)褶皺防火涂料露出，用手輕巧試件表面防火涂料如沙子一樣流出。

通過火災(zāi)試驗爐上的小型起重機(jī)將試件卸載下來，保留上部掛鉤不動，下部放平穩(wěn)。使用氣焊槍切割薄鋼管，在此過程中里面的防火涂料成粉末裝順著切割縫流淌出來，四周伴有大量煙霧，如上圖7。

隨著薄鋼管的去除，厚涂形防火涂料成大量灰色顆粒落在地面上并揚(yáng)起大量粉塵，看到CFRP—鋼筋混凝土柱子上大部分面積沒有防火涂料。用鏟子輕輕鏟掉未脫落部分，即可與加固柱剝離，用手輕捻即成粉末狀，證明防火涂料在高溫下會粉末化，所以使用薄鋼管包裹防火涂料是一種必要良好的選著，即保護(hù)了防火涂料，又提高了試件的承載力。使用工具將柱子表面的厚涂形防火涂料全部清理干凈，CFRP布呈現(xiàn)拉斷破壞，未脫落的CFRP布用手輕撕，即可脫落，露出的混凝土部分有較大裂縫，剝開破壞區(qū)全部的CFRP觀察核心混凝土的現(xiàn)象。在撕下CFRP布后，此處的核心混凝土用錘子輕輕地敲擊即可自然脫落，漏出的修復(fù)縱筋已經(jīng)完全屈服。

修復(fù)處的縱筋呈現(xiàn)剪切破壞，證明焊縫處是修復(fù)后的薄弱點，該處的箍筋也在荷載作用下斷裂破壞。破壞部位受到由內(nèi)向外的應(yīng)力呈現(xiàn)橫向剪切破壞，說明是由于縱筋的屈服,導(dǎo)致此處箍筋被拉斷。厚涂型防火涂料澆筑后即呈現(xiàn)黃色，表明最里層的防火涂料未經(jīng)火災(zāi)作用。防火涂料對CFRP應(yīng)仍有保護(hù)作用。柱子的最后破壞是由于增大荷載導(dǎo)致的柱子成50°斜截面剪切破壞，CFRP呈現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，也未出現(xiàn)滑移，證實該處CFRP粘貼牢固。該處在防火涂料的保護(hù)下經(jīng)歷3 h作用仍未破壞，說明40 mm的厚涂型防火涂料在3 h高溫作用下可以對加固柱內(nèi)部的CFRP布與核心混凝土起到保護(hù)作用，證明此修復(fù)方式具有良好的耐火性。

圖8 剖件過程

a里面的混凝土開裂且壓出；

b取下被拉斷的CFRP，露出壓碎的混凝土；

c剖開混凝土露出鋼筋；

d沿著斜裂縫鑿掉開裂混凝土，露出里面已經(jīng)破壞的鋼筋在區(qū)域的鋼筋呈現(xiàn)壓彎和剪切破壞；

e鋼筋呈現(xiàn)壓彎破壞；

f、g鋼筋在焊接修復(fù)處呈現(xiàn)縱向剪切破壞。用螺絲刀能輕松撬動；

h在區(qū)域箍筋在焊接修復(fù)處發(fā)生橫向剪切破壞。用螺絲刀能輕松撬動；

i使用氣焊槍對防火涂料高溫灼燒，防火涂料變成黑顏色。

撕下破壞區(qū)附近的CFRP布，露出的混凝土并無燒酥現(xiàn)象，而是有壓碎現(xiàn)象。該處的井字筋與箍筋完好無損，但是此處的縱筋已經(jīng)完全屈服，且屈服處皆為焊接修復(fù)處?？芍m然此處受高溫影響較小，各材料未完全喪失力學(xué)性能，但焊接處仍是整個加固試件的弱點。拋件如上圖8所示。

6 結(jié)論

（1）使用本文的力學(xué)加固方法可以使試件在常溫下有一定的承載力。

（2）使用本文的防火保護(hù)方法可以使試件在火災(zāi)下具有較好的防火性能，從而使試件在火災(zāi)下達(dá)到常溫時的承載力。

［1］沈關(guān)林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué) ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006：1-10.

［2］鐘健.CFRP約束受損混凝土圓柱的軸壓力學(xué)性能研究［D］.廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2014：5-30.

［3］ YAQUBM，BAILEYCG.Repair of fire damaged circular reinforced concrete columns with FRP composites ［J］.Construction and Building Materials，2011，25（1）： 359-370.

［4］ BISBY L，KODUR V，GREEN M.Numerical parametric studies on thefire endurance of fibre-reinforced-polymerconfined concrete columns ［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2004，31 （6）：1090-1100.

［5］沈蒲生.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.北京：高等教育出版社，2012：53-54.

Fire resistance of damaged ferroconcrete column repaired with thin steel tube-fire retardant coating-CFRP：An experimental study

ZHAO Ying-jie
（School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

To study the strength and fire-resistance of completely damaged reinforced concrete column,the performance of the reinforced concrete column that had been baked under high temperature was analyzed.The results were compared with the calculated bearing capacity of a normal reinforced concrete column.A completely damaged reinforced concrete column was repaired with a thin steel tube,fire retardant coating and CFRP to improve its mechanical strength and fire-resistance.The results show that the fire-resistant time of the repaired column reaches3 h.Itsbearing capacity at normal and high temperature isalso satisfactory.

fire-retardant coating；CFRP；reinforced concrete；reinforcement；high temperature

TU375.3

A

1673-4939（2017）04-0276-10

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.04.11

2016-09-13

作者簡介：趙英杰（1992—），男（滿族），遼寧丹東人，碩士研究生，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程。

（責(zé)任編輯：龍海波）