薄钢管-防火涂料-CFRP修复受损钢筋混凝土柱的抗火性能试验研究

赵英杰

【建筑与规划】

薄钢管-防火涂料-CFRP修复受损钢筋混凝土柱的抗火性能试验研究

赵英杰

（沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168）

为研究完全破坏的钢筋混凝土柱子修复和增强其防火性能，利用高温燃烧炉对四面受火的试件高温下性能探究分析，将所得到的结果与钢筋混凝土柱子的计算承载力进行比较。使用薄钢管-防火涂料-CFRP共同加固完全破坏的钢筋混凝土柱子，得到了钢筋混凝土柱子的力学加固方法和抗火加固方法。得到结论：试件的耐火时间为3 h，证明这种加固方法不仅提高了试件常温的承载能力而且还使得试件具有优越的抗火性能。

防火涂料；CFRP；钢筋混凝土；加固；高温

CFRP布是复合材料［1］，其抗拉强度可以达到普通钢材十几倍，其弹性模量与钢材相似［2］。Yaqub和Bailey进行了CFRP布和玻璃纤维(GFRP)布加固火灾后钢筋混凝土圆柱轴压力学性能的试验研究，结果表明单层FRP布加固能明显增强火灾后钢筋混凝土圆柱的强度和延性［3］。CFRP布中的环氧树脂基体不具有耐高温能力，可以认为，当CFRP的温度达到基体材料（胶黏剂）的玻璃化转变温度时（65～150℃），CFRP布将失去加固作用并且在高温下会分解，使CFRP失去力学性能［4］。所以本文提出使用外包防火涂料来提高CFRP加固后钢筋混凝土柱子在火灾中抗火性能，但防火涂料在高温下会脱落，所以使用外包薄钢管避免其脱落，形成圆截面薄钢管—防火涂料—CFRP共同加固钢筋混凝土柱子，截面如图1。

图1 试件截面

1 试验概况及修复理论

1.1 试验内容

本试验研究常温下压坏的钢筋混凝土柱子加固抗火性能。

（1）对钢筋混凝土柱子进行常规修复，恢复其全新的状态。

（2）对钢筋混凝土柱子外包薄钢管，薄钢管与钢筋混泥土柱子之间填充防火涂料，使加固后的试件具有抗火能力。

（3）使用ISO-834升温曲线的是升温方式对试件加热。

（4） 在2 h 25 min左右停止加热，在高温条件下对试件加压，直到破坏为止，从而得到加固后试件的抗火性能。

1.2 计算理论

根据《混凝土结构设计规范》轴心受压构件正截面受承载力计算公示得：

其中：Nu——轴向压力承载力设计值；

0.9 ——可靠度调整系数；

φ——钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数；

fc——混凝土的轴心抗压强度设计值；

Ac——混凝土柱子的截面面积；

fy——纵向钢筋的抗压强度设计值；

As——全部纵向钢筋的截面面积。

根据查表得知φ=0.92，所以钢筋混凝土柱子的承载力为：

2 材料力学性能测试

2.1 材料的力学性能

该试验采用复合加固方法加固受损钢筋混凝土柱，并研究其抗火性能。修复方法是由焊接的钢筋，C30混凝土，CFRP布，厚涂型防火涂料，薄钢管共同作用而形成的复合加固。

2.1.1 钢筋的力学性能：

HRB335的纵向钢筋试验所得数据如下表1所示。

表1 钢筋规格及测定强度

2.1.2 C30混凝土的力学性能

混凝土设计强度由标准配合比浇筑的150 mm×150 mm×150 mm的方体试块测得。

表2 C30混凝土试块测定强度

2.1.3 建筑结构胶的力学性能

表3 建筑结构胶力学性能

2.1.4 CFRP布的力学性能

将CFRP布剪成250 mm×20 mm的尺寸进行试验，CFRP布性能指标如下表4所示；

表4 CFRP布的力学性能

2.1.5 厚涂型防火涂料的力学性能：

按照标准条款号GB14909-2002.5.2.1防火涂料的粘结强度≥0.04 MPa，实测粘结强度为0.29 MPa，抗压强度≥0.3 MPa，实测抗压强度为1.5 MPa，干密度≤500 kg/m3，实测干密度为467 kg/m3。

2.1.6 薄钢管的力学性能：

薄钢管的力学性能如表5所示。

表5 钢材力学性能

3 试件加固方案

（1）凿除酥松的混凝土，漏出钢筋，移除大粒径的混凝土块，对其表面进行清理、修整、水洗处理，使得工具可以处理微小的裂缝。

（2）对钢筋进行打磨，除锈处理，以方便下一步的焊接，再将受力破坏的钢筋截断，使用长450 mm与试件内部相同的Φ12的HRB335级热轧钢筋焊接修补，搭接长度为75 mm。

（3）为保证修补后的试件粗细程度一样，利用薄铁皮作为模板并通过模板上部预留孔浇筑C30混凝土。浇筑过程中需要使用振捣棒不断振捣，达到密实效果。

（4）三天后打开模板，为了使CFRP布更好地粘贴在钢筋混凝土柱子的表面，需要对修复后的钢筋混凝土柱子表面进行处理。

①利用机械打磨消除混凝土试件表面的灰浆、油污、松散的沙粒，凸出部位要完全打磨平，对于大于0.2 mm的混凝土裂缝，用建筑结构胶做灌缝处理。

②使用吹风机吹除混凝土表面的灰尘，再用乙醇进行擦拭处理。

③滚筒刷将建筑结构胶均匀地涂抹到混凝土的表面，将CFRP布贴上，并使用塑料刮板往复碾压，赶出气泡，促使粘合剂渗透，在碳纤维长方向上接头搭接长度为100 mm。反复刮涂，使建筑结构胶渗入到碳纤维布中去。

④相同的方法粘贴第二层CFRP布，过程如图2所示。

图2 旧试件的修复

（5） 在CFRP布外安置热电偶，安置部位为试件在结构抗火试验炉中的中心位置，在此截面均匀布置3根热电偶，分别成120°角。距离柱子端板750 mm（见图3a、3b）。图3a 和图3b分别为热电偶在CFRP上布置的位置，图3c中粉料和液料称重搅拌，图3d为把防火涂料灌入到薄钢管与加固柱之间。

图3 CFRP布外安置热电偶

（6）焊接薄钢管，利用结构实验室气焊机将两半圆钢管分别焊接，并将半圆钢管端部与试件的两端钢板焊接牢固；钢管正立面，背立面有事先切割的方孔8 mm×8 mm，目的：将热电偶端头从开口处伸出，以便连接温度数据采集仪器。

（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，搅拌均匀在一个小时内使用完，搅拌后静止3 min，目的使内部气泡出来。填充分3次进行，待上一次填充的厚涂型防火涂料干燥之后，进行下一次填充。填充过程中使用振捣棒不断振捣，使得厚涂型防火涂料密实。如图3c、图3d。

4 试件加载

本实验在沈阳建筑大学结构实验室火灾试验炉内进行，荷载由实验仪器自带的5 000 kN轴压千斤顶提供。

4.1 试件放置

试件进行轴压试验，通过实验建筑大学实验室火灾试验炉自带的小型起重机将试件吊入火灾试验炉内，试件下端使用螺栓固定目的是在试件受压时使柱子保持垂直。如图4a、4b。

4.2 试件加载方式

图4 安放试件

加载分预加载和正式加载，预加载过程先以小等量级荷载连续加载卸载，确定测量仪器正常工作性能，保证加载板与试件之间充分接触。正式加载采用分级加载，具体加载表格如表6。

试件初始阶段缓慢加载，随着荷载的增加，加固柱的刚体位移和变形增大，位移随之增大。在荷载达到大约400 kN时位移变化较快，随着荷载持续增加位移增加，整个加载过程中薄钢管、防火涂料、CFRP三者共同承受荷载。在达到恒载1300 kN时加固试件并无明显破坏。正式加载结束后使用ISO-843国际升温曲线对试件进行高温加载。

表6 正式加载

4.3 试件的试验过程

根据ISO-843国际升温曲线公式计算得到结构如表7：

表7 ISO-834升温曲线计算结果

图5 试件在实验中的情景

（1） 在0～5 min的时间内炉内温度上升较快，从初始温度10℃上升到566.4℃，试件表面钢管颜色由浅蓝色变为深红色后转为红黑色。

（2） 在5～30 min的时间内试件表面的钢管逐渐出现高温融化的亮斑。

（3） 在0～40 min的试件内由于水泥的水化作用和防护涂料里面的自由水的蒸发作用，火灾试验炉上端排气孔及底座有大量水汽冒出且伴有轻微的滋滋声。

（4） 在30～60 min内试件表面，出现了更多的高温融化的亮斑。

（5） 在60～105 min,试件表面逐渐显得光滑，表面的颜色也与火焰的颜色趋于一致，高温融化的亮斑面积逐渐变大。

（6） 105～135 min， 135～150 min， 150～180 min在这三个阶段试件的表观现象十分接近，变化不大。

（7） 145～180 min期间对试件持续增加荷载，在接近破坏极限时会听到连续的“当当”的响声，当听到“咚”的一声试件完全破坏，电脑显示屏上的位移记录图标显示柱子的位移迅速增大，表明试件在此时破坏，记录仪显示最终在荷载为1 521.4 kN时试件破坏。过程照片如上图5所示。

图6 试件所受承载力与时间关系

5 实验结果和分析

5.1 试件所受承载力与时间关系

从图中可以看出试件被加固后得到了很大的改善，在3个多小时的高温条件下试件所受的承载力一直稳定在1 300 kN左右，在此期间试件并无破坏。由上面的计算公式得到试件在常温下的承载力为1 567.58 kN，试件在1 000℃左右的高温下承受1 300 kN荷载试件长达2.5 h且在2.5 h后在荷载不断增加的情况下又支撑了0.5 h，最终极限破坏荷载为1 521.4 kN，此承载力数值与常温下的承载力几乎相等，该加固方式使试件在1 000℃的高温下可以到达常温的承载力，证明该加固方式有效可行。如图6。

5.2 卸试件过程及剖件过程

图7 卸下试件及抛开薄钢管

图7 卸下试件及抛开薄钢管

打开炉门观察试件表明，发现钢管表面有起酥现象并伴有少量的脱落，破坏部位出现褶皱防火涂料露出，用手轻巧试件表面防火涂料如沙子一样流出。

通过火灾试验炉上的小型起重机将试件卸载下来，保留上部挂钩不动，下部放平稳。使用气焊枪切割薄钢管，在此过程中里面的防火涂料成粉末装顺着切割缝流淌出来，四周伴有大量烟雾，如上图7。

随着薄钢管的去除，厚涂形防火涂料成大量灰色颗粒落在地面上并扬起大量粉尘，看到CFRP—钢筋混凝土柱子上大部分面积没有防火涂料。用铲子轻轻铲掉未脱落部分，即可与加固柱剥离，用手轻捻即成粉末状，证明防火涂料在高温下会粉末化，所以使用薄钢管包裹防火涂料是一种必要良好的选着，即保护了防火涂料，又提高了试件的承载力。使用工具将柱子表面的厚涂形防火涂料全部清理干净，CFRP布呈现拉断破坏，未脱落的CFRP布用手轻撕，即可脱落，露出的混凝土部分有较大裂缝，剥开破坏区全部的CFRP观察核心混凝土的现象。在撕下CFRP布后，此处的核心混凝土用锤子轻轻地敲击即可自然脱落，漏出的修复纵筋已经完全屈服。

修复处的纵筋呈现剪切破坏，证明焊缝处是修复后的薄弱点，该处的箍筋也在荷载作用下断裂破坏。破坏部位受到由内向外的应力呈现横向剪切破坏，说明是由于纵筋的屈服,导致此处箍筋被拉断。厚涂型防火涂料浇筑后即呈现黄色，表明最里层的防火涂料未经火灾作用。防火涂料对CFRP应仍有保护作用。柱子的最后破坏是由于增大荷载导致的柱子成50°斜截面剪切破坏，CFRP呈现撕裂现象，也未出现滑移，证实该处CFRP粘贴牢固。该处在防火涂料的保护下经历3 h作用仍未破坏，说明40 mm的厚涂型防火涂料在3 h高温作用下可以对加固柱内部的CFRP布与核心混凝土起到保护作用，证明此修复方式具有良好的耐火性。

图8 剖件过程

a里面的混凝土开裂且压出；

b取下被拉断的CFRP，露出压碎的混凝土；

c剖开混凝土露出钢筋；

d沿着斜裂缝凿掉开裂混凝土，露出里面已经破坏的钢筋在区域的钢筋呈现压弯和剪切破坏；

e钢筋呈现压弯破坏；

f、g钢筋在焊接修复处呈现纵向剪切破坏。用螺丝刀能轻松撬动；

h在区域箍筋在焊接修复处发生横向剪切破坏。用螺丝刀能轻松撬动；

i使用气焊枪对防火涂料高温灼烧，防火涂料变成黑颜色。

撕下破坏区附近的CFRP布，露出的混凝土并无烧酥现象，而是有压碎现象。该处的井字筋与箍筋完好无损，但是此处的纵筋已经完全屈服，且屈服处皆为焊接修复处。可知虽然此处受高温影响较小，各材料未完全丧失力学性能，但焊接处仍是整个加固试件的弱点。拋件如上图8所示。

6 结论

（1）使用本文的力学加固方法可以使试件在常温下有一定的承载力。

（2）使用本文的防火保护方法可以使试件在火灾下具有较好的防火性能，从而使试件在火灾下达到常温时的承载力。

［1］沈关林，胡更开.复合材料力学 ［M］.北京：清华大学出版社，2006：1-10.

［2］钟健.CFRP约束受损混凝土圆柱的轴压力学性能研究［D］.广东：广东工业大学，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.混凝土结构设计原理［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

作者简介：赵英杰（1992—），男（满族），辽宁丹东人，硕士研究生，研究方向：防灾减灾与防护工程。

（责任编辑：龙海波）