碳纖維加固混凝土結構耐火技術研究

0cfrp加固混凝土結構的研究碳纖維增強材料（rci）已在汽車和航運行業中應用了40年。在過去的十幾年間,隨著其價格大幅度下降,同時也由于建筑結構修復和加固的需求不斷增長,CFRP被廣泛應用于建筑結構加固和改造領域。相比于傳統的外貼鋼板加固法,外貼CFRP加固法具有輕質高強、耐腐蝕、安裝快速簡易、維護費用少、抗疲勞性能好等優點。然而,傳統的用于粘貼CFRP的有機膠其玻璃態轉化溫度Tg(theglasstransitiontemperature)一般都比較低。在高溫下,當溫度超過Tg后,CFRP與混凝土之間的粘結強度會迅速降低,從而影響兩者之間的共同工作性能。因此目前CFRP加固技術主要用于防火要求不高的結構,如橋梁等室外結構。要想開拓CFRP加固技術的應用市場,把它應用到多高層民用建筑、公共建筑及工業廠房等耐火極限要求較高的建筑中,必須對碳纖維增強復合材料和碳纖維加固混凝土結構在火災下的性能進行研究。現階段各國規范對碳纖維加固混凝土結構的防火安全設計方法都是基于保守的假設。美國ACI440委員會提出的設計指導原則中推薦:用FRP加固的混凝土構件其加固前的承載力需滿足下式,以確保即使FRP在火災下完全失效時結構仍能保持不倒。(?Rn)existing≥(1.2SDL+0.85SLL)new(?Rn)existing≥(1.2SDL+0.85SLL)new式中:(?Rn)existing為加固前混凝土構件的承載力;SDL為加固后構件的使用恒荷載;SLL為加固后構件的使用活荷載。2003年,我國頒布的《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》(CECS146:2003)中規定:“考慮到在發生火災等碳纖維片材可能失效的情況下,應保證結構不致產生嚴重破壞和倒塌。此時,應取結構自重荷載及在發生火災等碳纖維片材失效時結構上可能的活荷載,并采用相應的材料強度驗算結構安全性”。可以看出,這兩個設計指導原則都沒有考慮到CFRP在火災下為加固混凝土結構承擔荷載的可能性,這是一種在研究不充分的情況下不得已而采取的保守做法。本文的目的就是通過總結國內外對碳纖維加固混凝土結構耐火問題的研究成果,為相關研究人員了解其研究現狀提供參考,以求更好地展開對這一領域的研究工作。1聚合物樹脂引發的火災早在1982年,Fardis和Khalili在研究FRP約束混凝土柱時,就討論了聚合物樹脂的易燃性對纖維加固混凝土結構所帶來的影響,從那時開始人們就認識到火災對FRP加固混凝土結構造成的巨大隱患。目前對CFRP材料高溫性能的研究比較少,充分了解CFRP材料的熱力學性能有助于更好地對碳纖維加固混凝土構件耐火性能進行研究。1.1聚合物樹脂材料用來粘貼碳纖維的樹脂材料,其高溫性能最重要的一個參數就是它的玻璃態轉化溫度Tg。大量研究表明:在溫度達到Tg時,樹脂材料的粘結強度會急劇降低。一般常用于碳纖維加固中的聚合物樹脂其Tg為65～150℃,所以在火災下,樹脂材料很快就會失去其粘結性能。Dimitrienko根據對某一環氧樹脂材料測試的結果指出:其彈性模量在150℃時降低了50%,在300℃時降低了95%,同時還發現強度降低的速率取決于加熱升溫的速率,升溫越快,降低得也越快。Antonio等人則對采用環氧樹脂粘貼鋼板來加固的混凝土構件進行了高溫下的剪切試驗,結果顯示,環氧樹脂在高溫下的力學性能很差。在60℃時,它的粘結強度僅為室溫下的50%,在90℃時則降為室溫下強度的24%～29%。1.2溫度對碳纖維強度的影響現有的研究表明,碳纖維材料本身有著良好的耐火性能,除了在溫度高于400℃時有被氧化的趨勢外,有些碳纖維材料甚至在溫度為2000℃時強度仍基本保持不變。Rostasy的研究結果指出,在1000℃以前,溫度對碳纖維抗拉強度的影響很小;Dimitrienko通過對置于高溫下的碳纖維進行拉伸試驗,得出碳纖維對高溫(試驗溫度高達1400℃)不是很敏感,更有趣的是,在600～1400℃時,碳纖維的強度和剛度實際上在增長。1.3材料模型的研究目前,對于CFRP復合材料本身(在此指用于混凝土結構加固中的材料)在高溫下的性能及其高溫后的殘余性能的研究非常少,這不利于碳纖維加固混凝土結構耐火性能研究的發展。因為通過對CFRP復合材料在高溫下和高溫后熱力學性能的研究,可為碳纖維加固混凝土結構的數值分析提供基本的材料模型。已有的研究成果表明,CFRP復合材料在高溫下及高溫后的性能都會有顯著的降低,如強度和剛度的下降,與混凝土失去粘結力,可能燃燒以致助長火勢的蔓延或增加火災荷載,產生黑色有毒氣體等。Bisby在其博士論文中的研究成果表明:在100℃以前,CFRP復合材料的強度和彈性模量幾乎不變,到200℃時,強度下降幅度也不足20%,但超過200℃后,強度和彈性模量都幾乎呈直線下降,到500℃時,下降至20%左右。Foster和Bisby通過軸向拉伸試驗、單面剪切試驗、熱解重量分析和差示掃描量熱法,研究了CFRP復合材料在分別經歷100,200,300,400℃高溫后的殘余性能。試驗結果指出:只有在溫度超過環氧樹脂的受熱分解溫度時,CFRP復合材料的殘余抗拉強度和剛度才會有嚴重的降低,而當溫度高于環氧樹脂的玻璃態轉化溫度Tg時,CFRP復合材料的殘余抗拉強度和剛度損失不大。2加拿大的研究現狀目前,關于碳纖維加固混凝土結構在火災下的性能研究主要集中在歐洲和加拿大,尤以加拿大國家研究委員會(NationalResearchCouncilofCanada,NRC)研究得比較多且全面,國內在這一領域的研究則相當匱乏。2.1碳纖維加固混凝土柱退火能力普通的碳纖維加固混凝土結構一般都采用環氧樹脂粘貼碳纖維片材,而環氧樹脂的熱變形溫度僅為50℃左右,當升溫至100～250℃時,環氧樹脂內部的分子結構就會受到破壞,使得碳纖維片材與混凝土之間的粘結界面逐漸失效。故在標準火災下,如未采取任何保護措施,CFRP同混凝土之間的粘結強度在幾分鐘之內就可以喪失,從而失去加固效果。所以,普通的碳纖維加固混凝土結構耐火性能較差。Gamage等人對高溫下CFRP同混凝土之間的粘結性能進行了試驗研究。結果顯示:為了維護CFRP和混凝土在高溫下的整體性,環氧粘結層內部的溫度不能超過70℃;在標準火災下,CFRP同混凝土之間的粘結強度在5.5～6min內就會喪失,且粘結強度并不取決于CFRP的粘結長度。Bisby等人采用一種新型的數值模型預測了高度為3810mm、直徑為356mm的碳纖維加固混凝土柱的耐火極限。結果表明,在標準火災下,若未采取任何隔熱保護措施,粘結劑達到其玻璃態轉化溫度Tg只需4min,碳纖維加固混凝土柱達到其承載能力極限狀態也只需117min。可知普通的碳纖維加固混凝土柱其耐火能力是不能令人滿意的。Deuring在研究碳纖維板加固混凝土梁火災下的抗彎強度時發現,碳纖維板和混凝土之間的相互作用,即粘結力,對于沒有隔熱層的梁損失得非常快,幾分鐘就可以喪失掉,而對于有隔熱層的梁,發生在1h左右以后。從上面的研究成果可知,對于未采取任何隔熱措施的普通碳纖維加固混凝土結構,由于在火災下粘結層內部的溫度達到其玻璃態轉化溫度Tg只需幾分鐘,碳纖維和混凝土共同工作的性能很快就會喪失,因此其耐火性能較差,在火災作用下碳纖維對混凝土結構性能的提高作用不大。為提高碳纖維加固混凝土結構的耐火性能,科研人員開始從兩個方面采取措施: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;另一方面則是從CFRP復合材料高溫性能中的薄弱環節(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、改性的有機膠等提高碳纖維加固混凝土結構的耐火性能。2.2火災試驗和材料研究進展現有研究表明,通過合理地設計隔熱層可以延緩粘結劑內部的溫度達到Tg,推遲碳纖維加固混凝土結構達到其極限承載能力,使之具有較好的耐火性能。現有應用于建筑工程中的隔熱材料主要有:1)礦物棉、巖棉、玻璃棉;2)泡沫塑料及多孔聚合物:主要有聚苯乙烯泡沫塑料(包括擠塑型和發泡型)和聚氨脂泡沫塑料;3)膨脹珍珠巖及其制品,如水玻璃珍珠巖板;4)硅酸鈣絕熱制品,如硅酸鈣板;5)各種復合保溫隔熱材料,如復合硅酸鹽保溫隔熱涂料、膠粉料聚苯乙烯顆粒保溫隔熱材料等。除此之外,還有各種厚型、薄型和超薄型鋼結構防火涂料。選擇好防火材料后,還需進行防火方式的設計,如隔熱層的厚度、長度及粘貼方式(僅僅粘貼還是粘貼加機械錨固)等。Blontrock等人的研究結果指出:U形的隔熱保護層能最有效地延長碳纖維板和混凝土之間的相互作用,且僅在梁端錨固區域對碳纖維板進行防火保護也能夠維持CFRP和混凝土之間的相互作用,同時使用機械錨固可以更好地使隔熱層粘貼在梁上。同濟大學的胡克旭和何桂生通過對兩根采用U形隔熱層進行防火保護的碳纖維加固鋼筋混凝土梁進行火災試驗,研究了碳纖維加固鋼筋混凝土梁的防火方法。試驗結果表明,采用50mm厚防火涂層全截面保護的碳纖維加固鋼筋混凝土梁其耐火極限可以達到2.5h以上;在防火涂層內部設置鋼絲網片能很好地防止其開裂和脫落。但此處設計的半保護梁在置于火災下30min后,其撓度相對全保護梁來說快速增長,防火失敗。因而,要想取得Blontrock等人所說的僅在錨固區域對碳纖維板進行防火保護就能夠維持CFRP和混凝土之間的相互作用,應該合理地設計隔熱層。Richard和James對小尺寸的碳纖維板(100mm×1230mm×1mm)加固鋼筋混凝土梁(100mm×150mm×1300mm)在火災后的性能進行了試驗研究,其中部分梁用水泥質防火材料(厚15～20mm)進行了隔熱保護。火災后觀察發現:沒有隔熱層的梁其碳纖維板完全脫落,而有隔熱層的梁其隔熱層仍掛在鋼絲網片上,碳纖維板只是部分地與混凝土失去粘結。但隨后進行的承載力測試發現,有隔熱層和無隔熱層的碳纖維加固梁其極限承載力幾乎一樣。文獻指出,如果期望CFRP加固系統在火災下能承擔一部分荷載,必須要有更厚的隔熱保護層。加拿大國家研究委員會Williams等人研究了4塊只受自重、有隔熱層的纖維加固鋼筋混凝土板(954mm×1331mm×150mm)在火災下的性能,該試驗考慮了兩種纖維增強復合材料和3種不同的防火材料在為時4h的火災試驗過程中發現,19mm厚隔熱層在132min時脫落,而38mm厚的隔熱層能始終保持完好。按照ASTME119耐火極限標準,厚38mm的隔熱層可以使碳纖維加固板達到4h的耐火等級,而19mm厚的隔熱層可為150mm厚的碳纖維加固鋼筋混凝土板提供約2h的防火保護。這表明只要對碳纖維加固鋼筋混凝土構件進行適當的設計和充分的隔熱,還是有可能達到滿意的抗火性能。與上同一研究團隊的Bisby等人對兩根隔熱保護的碳纖維加固鋼筋混凝土圓形柱(高3810mm,直徑406mm,纖維類型在火災下的性能進行了試驗研究。兩柱分別采用32mm的VG層加0.56mm的EI層和57mm的VG層加0.25mm的EI層進行隔熱保護。試驗結果顯示:按照ASTME119耐火極限標準,兩柱都可以達到超過5h的耐火極限;隔熱層在置于標準火災下多達4h后仍舊能夠保持基本完好。日前該研究團隊仍舊在進行更進一步的對FRP加固鋼筋混凝土構件耐火性能的試驗研究。國內學者吳波和王軍麗通過對3塊設置不同防火材料的碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火性能的試驗研究指出:只要采取適當的防火措施,碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限同未加固板大體相當甚至更長;厚15mm水泥砂漿的防火效果不如厚3mm的薄型防火涂料,而3塊板中采用厚5mm薄型防火涂料的板耐火性能最好。2.3無機樹脂加固混凝土的研究從以上可知,普通的環氧樹脂在高溫下的性能很差,缺乏抗火能力。相關研究人員開始從三方面提高環氧樹脂的耐高溫性能:選擇更為合適的固化劑;采用其他耐高溫樹脂與環氧樹脂物理共混或化學改性;引入新的基團來提高環氧樹脂的耐熱性。主要產品有環氧-酚醛膠粘劑、環氧-丁腈膠粘劑、有機硅改性環氧樹脂及其他改性的環氧樹脂膠粘劑。然而這些產品主要是用于航空航天領域和汽車制造業,昂貴的價格限制了其在建筑加固領域的廣泛應用。考慮到樹脂的高溫性能直接影響到碳纖維加固混凝土結構的耐火性能,人們又開始把目光轉向無機樹脂。無機樹脂具有抗火性能好、抗紫外線輻射、使用性能優良、施工和養護期間不會散發氣味和毒素、更適合于滲透到碳纖維布當中等優點。文獻介紹了多種無機膠,如磷酸鹽類膠黏劑、硅酸鹽類膠黏劑、硼酸鹽類膠黏劑等,其耐高溫范圍在1000～1400℃之間,且價格均遠低于有機膠,因此或許可以在其中找出適合于碳纖維片材和混凝土之間粘結的無機膠。現今主要對無機聚合樹脂(geopolymerresin,又稱地聚物)、氯氧鎂水泥(MOC)這兩種無機膠進行了試驗研究,且研究結果表明:無機膠可以用來代替傳統的有機膠,只是其脆性使得碳纖維加固混凝土構件的延性有所降低,是一種極具發展潛力的膠結材料。Foden的研究成果顯示:無機聚合樹脂能抵抗高達1000℃的高溫,并且用無機聚合樹脂制成的CFRP在經歷800℃的高溫后仍可保留約63%的原有抗彎強度。張文華等人研究了以飛灰制成無機聚合樹脂取代傳統的環氧樹脂應用于混凝土補強的可行性。通過以飛灰及變高嶺為初始材料,用矽酸鈉溶液及堿性溶液混和配制成不同模數比的溶液,將其制成無機聚合樹脂。試驗結果表明,無機聚合樹脂的抗剪強度與環氧樹脂相差不大,且具有優良的防火隔熱性能,為一極具發展潛力的再生材料。清華大學也成功研制出一種用于纖維片材加固混凝土結構的無機樹脂材料——改性地聚物。它可在常溫下(5～30℃)實現固化反應,克服了一般地聚物固化溫度高的缺陷,有利于施工。汕頭大學的傅劍波則嘗試研發加固混凝土用氯氧鎂水泥粘結劑,并探討了溫度對聚合物改性氯氧鎂水泥的影響。東南大學的萬黎黎也研究了用無機粘結劑氯氧鎂水泥(MOC)來粘貼碳纖維布,以改善碳纖維加固混凝土結構耐火性能的可行性,結果表明,MOC有較高的實用價值。對于采用無機樹脂粘貼碳纖維的加固混凝土結構,現階段對其高溫下的性能研究非常有限,主要集中于常溫下的性能研究。但是必須注意的一點是,無機樹脂是耐高溫的,故而研究用無機樹脂粘貼碳纖維的加固混凝土結構在常溫下的性能有著重大的意義。研究表明,用無機樹脂粘貼碳纖維的加固混凝土結構在常溫下可以取得較好的加固效果,其耐火性能也較有機樹脂粘貼碳纖維的加固混凝土結構好。Toutanji等人研究了采用無機樹脂粘貼碳纖維布的加固鋼筋混凝土梁(108mm×158mm×1800mm)的抗彎性能。結果顯示,梁的承載能力隨著碳纖維布層數的增加而增大,最大可達到未加固的參照梁相應承載能力的170.2%;對于粘貼有3層和4層碳纖維布的梁,其破壞模式是碳纖維布在跨中常彎矩區域的斷裂破壞;對于粘貼有5層和6層碳纖維布的梁,其破壞模式是FRP的剝離破壞;同未加固的參照梁相比,加固梁的延性大大降低了。Deng和Toutanji則研究了無機樹脂粘貼碳纖維布的加固混凝土梁的疲勞性能,并分析了疲勞強度、疲勞壽命、裂縫寬度及深度和循環次數之間的關系。結果顯示,隨著循環次數的增加,裂縫寬度和深度只是在開始的50萬次循環荷載作用下增大,此后裂縫的寬度和深度趨于穩定;同未加固的鋼筋混凝土梁相比,加固的梁其疲勞性能得到較大改善,疲勞強度增加了55%。東南大學的萬黎黎還對采用MOC粘貼碳纖維布的加固混凝土梁(100mm×100mm×380mm)的高溫性能進行了試驗研究,