碳纤维加固混凝土梁的防火性能研究摘要：随着我国技术水平的提高,碳纤维加固混凝土梁在我国建筑改造领域应用日益广泛,但其防火问题始终没有得到解决。

国内外学者不久前才开始进行CFRP加固混凝土构件的耐火性能和防火设计方法的试验和理论研究，并没有形成相关规范规程以指导实际工程应用。

我国现执行的《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS 146:2003)中,由于缺乏CFRP防火问题的研究资料和实践经验,并未把加固后的防火处理作为重点，并且规范推出距今已有10多年，没有将近几年的研究成果纳入其中。

因此CFRP加固混凝土梁在防火方面所采取的措施也大多缺乏必要的科学依据。

因此本文就已有的相关文献进行归纳总结，希望能对CFRP加固混凝土梁在防火方面起到帮助。

关键词：碳纤维加固混凝土梁;防火性能影响因素;防火保护材料1引言碳纤维增强聚合物CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)作为一种新型的材料，由于其具有高强重比、耐腐蚀、施工简便等优势，近些年来被广泛应用于修复和加固混凝土结构。

其常用的加固方法是使用建筑结构胶将碳纤维片材粘贴在混凝土梁、板的受拉面,或者包裹混凝土柱,对结构进行补强加固。

然而,CFRP加固混凝土结构的耐火性能极差。

采用粘贴碳纤维片材加固修复的混凝土结构,长期使用环境温度不应高于60℃。

[1]一方面是因为粘贴碳纤维片材所用的胶粘剂多为环氧类有机物,在温度超过其玻璃化温度(glass transition temperature,Tg)时,胶粘剂分解或软化,丧失其传递纤维间剪力和防止纤维屈曲的作用；另一方面,有氧情况下,在温度高于400℃时CFRP即发生明显的氧化,并燃烧释放有毒烟雾。

并且研究发现无任何防火保护措施的碳纤维加固结构很难满足所需的耐火性能要求。

所以采取良好的保护措施对提高 CFRP加固的混凝土结构的抗火性能具有十分显著的作用。

国内外研究者对CFRP加固混凝构件的防火措施和提高抗火性能方面进行了大量的试验研究与理论分析,已取得丰硕的研究成果。

本文在对国内外已有研究文献分析的基础上,以CFRP加固结构为研究对象,主要阐述了当下CFRP加固混凝土结构采用的防火保护材料的对比,对影响其耐火性能的因素进行了较为系统的总结，并指出了其中存在的某些有待研究的问题,2已有防火保护材料的对比由于CFRP本身不具有足够的防火能力,加上CFRP主要起加固修复作用,并不是作为防火材料应用的,故规程要求在碳纤维片材加固混凝土结构后,应对已加固修复完的结构表面进行防护处理,选用的防火材料及其处理方法应使加固后建筑物达到要求的防火等级;当被加固结构处于其它特殊环境时,应根据具体情况选择有效的防护材料。

[1]当下CFRP加固混凝土结构采用的防火保护材料主要有：厚型防火涂料、超薄型防火涂料、防火板和普通水泥砂浆。

(1)厚型防火涂料:厚型防火涂料的机理是利用涂层固有的高效绝热材料的良好绝热性以及添加剂的吸热作用,阻隔和消耗火灾热量向基材表面传递,从而缓解基材达到临界温度。

厚型防火涂料除了耐火性能有明显优势外，还具有水性化、成本低、耐候性好等特性。

文献[2]采用1根40mm厚厚涂型防火涂料保护梁进行耐火试验，受火2小时后CFRP表面温度为225℃左右,试件的耐火极限为125min，已经超过《建筑设计防火规范》(GB于16-87)中要求的耐火等级一级的耐火极限2.0h。

由此说明该方法有较好的防火效果。

厚型涂料由于涂层厚度太大易发生收缩开裂以致涂料在火灾中脱落，故每层涂料的厚度不超过10mm，且在涂料中需设置钢丝网片并利用膨胀螺栓固定。

[12](2)超薄型防火涂料:在火灾高温下受热分解释放出大量的惰性气体，降低了可燃气体和空气中氧气的浓度，使燃烧减缓或被抑制。

另外，涂料受火时膨胀发泡，形成多孔轻质的碳化泡沫层，可有效地阻止热量向基材传递。

文献[9]采用超薄型防火涂料进行防火保护的加固梁，试验发现刚开始涂料局部出现较宽的缝隙,此后随着发泡厚度增大,涂料间较宽缝隙被慢慢填满。

比较而言，超薄型防火涂料防火性能次于厚型防火涂料。

为了增强涂料和CFRP的粘结，除了在涂料与CERP之间设置钢丝网片，还要在外面撒些少量的石英砂。

[12](3)防火板:一般是以无机材料为基材，并添加各种改性物质后经一定工艺而制成的板状材料，这类板材在火灾中能保持一定的强度，具有良好的尺寸稳定性和防火隔热性能。

文献[3]采用40 mm厚硅酸钙防火板作为保护层在IS0834标准升温曲线下持续工作时间达122min，最终挠度为143.6mm。

根据《建筑构件耐火试验方法》的规定,试件达到耐火极限的判定准则为:试验过程中试件发生垮塌或试件的最大挠度超过L/20,其中L为试件的受火跨度,单位mm。

该梁的实际受火跨度为4m，最大挠度限值为200mm。

故采用防火板仍可获得较好的耐火保护效果。

(4)水泥砂浆:采用喷涂或手工涂抹，将水泥砂浆涂覆于加固构件的表面。

水泥砂浆本不属于防火材料，文献[9]中建议在耐火极限要求不高的情况下，普通水泥砂浆也可作为加固混凝土梁的防火保护措施。

为了不致CFRP的过早脱落，在水泥砂浆和CFRP之间也需设置U型钢丝网片，并在两侧靠梁顶部位置处设置膨胀螺丝对钢丝网片进行加固。

[12]3 影响耐火性能的主要因素根据对已有文献的整理归纳，影响CFRP加固混凝土梁的耐火性能的因素有：混凝土保护层厚度、荷载比、CFRP加固量、涂料厚度、跨高比、防火材料的热工性能。

(1) CFRP加固量：梁跨中挠度随CFRP加固量增大而增大[4]。

因为在高温下CFRP加固作用失效时原钢筋混凝土部分将承受原CFRP承受的荷载，所以随着加固量的增大，跨中挠度值增加。

所以国内外均对CFRP的承载力提高值做出了限定。

国内规范限定了CFRP加固混凝土梁的承载力提高值，为40%。

美国规范ACI 440.2R-02也通过规定原有构件的承载力对于加固后所受荷载的贡献值来间接地限制CFRP对构件的承载力提高幅度来获得规范要求的耐火极限。

(φR n)existing≥(1.2S DL + 0.85S LL)new[8](φR n)existing：原有构件的承载力S DL：加固后所受的恒载S LL：加固后所受的活载(2)混凝土保护层厚度:挠度随混凝土保护层厚度增大有减小趋势[4]。

因为保护层的厚度越大，钢筋和混凝土受温度的影响越小，抗力发挥得越充分，进而挠度值越小。

下图是材料抗力随着温度变化的曲线图。

图1 钢筋与混凝土[5]、FRP材料[6]及粘结力[7]随温度变化曲线Fig. 1Variation in strength of steel and concrete[5], FRP[6]and FRP/concrete interface bond[7] with increasing temperature(3) 荷载比:指火灾下试件跨中截面所受弯矩与该截面常温极限抗弯承载能力之比。

梁跨中挠度随荷载比增大而增大，涂料厚度越小，变化速度就越快。

[12]无论是否受高温影响，梁所受的跨中弯矩值越大，其跨中挠度值也越大。

只是在高温作用下，挠度对弯矩值更加敏感。

(4) 涂料厚度:挠度随涂料厚度增长而降低，且高跨比越小，曲线变化速率越快,并涂料厚度具有一个经济值。

[12](5) 跨高比:挠度随着跨高比的增加而增大。

[11]但是其变化幅度仍跟其他参数有关，例如混凝土保护层的厚度、梁的配筋率。

(6)防火材料的热工性能：导热系数、质量热容、质量密度：随着导热系数的增加,梁的挠度逐渐增大,但并非呈线性变化。

而热容和密度值的大小对跨中挠度的影响趋于不明显。

这主要是因为在导热系数一定的情况下,比热容和密度对截面的温度影响不显著,而由温度引起的材料抗力降低及跨中挠度的增长就更加不明显了。

[13]总体看来，在诸多影响因素中，涂料厚度、荷载比、跨高比对耐火性能的影响较明显，而CFRP加固量、防火材料的热工性能和混凝土保护层厚度的影响较小。

4 值得继续讨论研究的方面1.端部锚固性能对加固梁的耐火性能的影响文献[3]中通过将CFRP布外伸的办法来研究提高端部锚固性能对加固梁耐火性能的影响。

试验表明，通过加强梁的端部锚固，其耐火性能得到提高。

但是实际工程中，对于待加固的混凝土梁，无法实现将CFRP布延伸至梁柱节点中。

故只能采用附加锚具的方法来实现端部锚固的加强，这方面仍需要更进一步的研究。

2.加强CFRP材料本身抗火性能的必要性文献[3]中还指出CFRP加固的混凝土梁的防火保护的重点并非CFRP材料本身,而是钢筋混凝土梁。

通过采取相应的措施保护钢筋混凝土,延缓钢筋与混凝土材料的温度增长，使其在火灾下材料抗力下降不过多,能分担原由CFRP承担的荷载，从而获得较好的耐火性能。

这给我们提供了一个新的设计思路，不需要将关注点放在如何提高胶粘剂在高温下的性能来防止CFRP的脱落、开裂等方面上，而是寻找能有效减缓钢筋混凝土材料升温的措施。

除此之外，若试图通过增加防火材料的厚度来保证胶粘剂在高温下的性能，这将要求保护材料的厚度在75mm左右，这显然是实际工程中所不能接受的。

[10]3.火灾作用下CFRP失效的模式已有的文献研究大多假定火灾下CFRP的破坏形式是CFRP由于粘结剂失效而整体脱落，很少考虑温度作用下CFRP加固梁纤维断裂的破坏模式。

这两种破坏模式的本构关系模型是不一致的，故在今后的研究中有必要考虑后一种情况。

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