粘贴法加固混凝土构件的防火试验研究

付素娟，刘建中，李砚波

（1.河北省建筑科学研究院，石家庄 050021；2.天津大学，天津 300072）

粘贴法加固混凝土结构的技术由诞生至今，发展迅速，其应用范围十分广泛。它是利用改性环氧树脂类胶结材料加固材料粘贴于混凝土表面，从而达到对结构补强加固及改善受力性能的目的。目前，国内外研究者对各种粘贴法加固混凝土构件的力学进行了大量的试验研究与理论分析，取得了一定的研究成果［1－3］。然而粘贴法加固混凝土结构的耐火性能极差，主要是由于加固所用的结构胶多属环氧类有机物，在温度超过其玻璃化温度Tg时，结构胶分解或软化，加快材料与混凝土之间粘结失效，材料剥落而退出工作［4－5］。我国碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程［6］规定“对于有防火要求的建筑物，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”。一般工业与民用建筑，特别是高层建筑都有防火要求，但是由于规程的规定缺乏可操作性，在我国现已加固的结构中，多数仅仅在加固材料表面粉刷一层砂浆，难以保证防火要求和火灾下结构的安全性。确定粘贴法加固混凝土构件的防火保护方法是确保火灾下粘贴法加固工程安全的前提，这也是计算加固构件及结构的火灾下反应以及灾后结构的损伤分析和制定加固或拆除决策的基础。文中主要采用的解决办法就是在试件表面涂抹防火涂料，试验采用的防火涂料为厚涂型钢结构防火涂料，该种防火涂料价格便宜、施工简单，并且可以对钢筋混凝土结构产生很好的保护效果，但相关的研究还很少。

该课题是在河北省建筑科学研究院进行的。课题首先根据试验研究了粘碳纤维布结构胶和粘钢结构胶在不同温度加热后的拉拔强度退化情况，并根据试验结果得到粘碳纤维布结构胶的耐高温极限为110℃，粘钢胶耐高温极限为150℃。这为文中研究粘贴法加固混凝土构件的耐火极限奠定了基础。

文中对比分析了火灾下有无防火涂料保护的混凝土试件的温度随时间的变化情况，同时分析了不同厚度防火涂料对结构构件耐火性的提高程度，对工程实践有一定的现实意义。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件尺寸为140mm×100mm×115mm，试验所用混凝土标号为C30，个数为24块。

试件浇筑后在室内进行常温自然养护，养护28d。对其中的12块试件进行粘碳纤维布加固，剩余的12块进行粘钢加固。热电偶布置在加固材料与混凝土试件表面之间的结构胶内。加固完成后，养护7d，然后对试件进行防火涂料的施工。防火涂料施工厚度分组情况见表1。

表1 防火涂料施工厚度分组表

试验所用的防火涂料为室内厚型钢结构防火涂料，由北京华成防火涂料有限公司生产，该涂料施工工艺简单，耐火隔热性能好。

试验所用试验炉为南京市江宁区分析仪器厂生产的GXL－1型钢结构防火涂料试验炉。

1.2 试验方法

将试件倒放在试验炉上，使试件底部的钢板卡在试验炉的开口处，试验炉一次只能放一个试件，所以每次只能对一个试件进行受火试验。由于未涂防火涂料的试件的耐火能力较差，所以其受火时间设定为90 min，其余涂防火涂料的试件受火时间均为150min。试验中，每5min记录一次热电偶温度。

考虑到实验室技术条件等限制因素，试验所采用的火灾加载曲线为恒温加载曲线，温度基本控制在700～750℃之间。

1.3 试验现象

试验过程中，对于未涂防火涂料的试件来说，其热电偶升温速度很快。在试验开始后30 min左右，该试件的热电偶便由于炉温过高而被烧坏，导致后面试验数据的不准确性；对于涂防火涂料的试件，随着防火涂料厚度的增加，其热电偶温度上升速度明显降低，且最高温度同样明显降低。具体试验现象见表2。

由表2可以看出，对于粘碳纤维布试件，当防火涂料厚度为0mm、10mm、20mm时，碳纤维布和结构胶均被烧坏，无法满足结构的防火试件要求；当防火涂料厚度超过30mm时，碳纤维布和结构胶均未被烧坏，结构胶颜色为黄色或浅黄色。对于粘钢试件，由于钢板的耐火性能很好，所以试验过程中，钢板均未被烧坏；当防火涂料厚度为0mm、10mm、20mm时，粘钢结构胶被烧坏，无法满足结构的防火试件要求；当防火涂料厚度超过30mm时，粘钢结构胶均未被烧坏。由此说明，无论是粘碳纤维布试件还是粘钢试件，当防火涂料的厚度超过30mm时，均可以保证粘贴法加固混凝土试件所用的加固材料和结构胶在火灾下不被烧坏。

表2 试验现象统计表

2 试验数据分析

耐火极限是指一个建筑构件从受火作用时起，到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔热作用时为止的时间［7］。上述3个条件的任一项出现时，均表明所试验的构件达到耐火极限。粘贴法加固混凝土构件的耐火性能主要取决于环氧类树脂的耐高温性能［7］。引言已经说明，试验所用结构胶的耐高温极限已经根据不同温度加热后的拉拔强度试验所确定，所以粘碳纤维布试件的耐火极限为粘碳纤维布结构胶由常温达到110℃的时间，粘钢试件的耐火极限为粘钢结构胶由常温达到150℃的时间。

2.1 加固材料对试件温度场的影响

根据对涂不同厚度防火涂料的粘碳纤维布试件和粘钢试件的受火试验，得到采用不同加固材料加固的混凝土试件表面中心处的温度变化曲线，分别见图1和图2。

从图1、图2中的曲线可以看出，在防火涂料厚度相同时，粘碳纤维布试件和粘钢试件的温度曲线基本一致，说明两种加固材料对混凝土试件温度场的影响是相同的，与材料本身的耐火性质无关。

2.2 防火涂料厚度对试件温度场的影响

从图1、图2中的0mm曲线，可以看出对于未涂防火涂料的试件，在试验开始的前10min，温度上升迅速，与炉温曲线形状一致，但因为该热电偶在试验开始后30min左右时因炉温过高而被烧坏，导致30min以后试验数据的不准确性。由此可见，无防火保护时，试件表面温度上升迅速，所用的碳纤维布加固材料和结构胶均被烧坏，试件没有耐高温能力。

从图1、图2中的10mm曲线和20mm曲线，可以看出对于涂防火涂料的试件，温度上升缓慢，且相同加热时间下的最高温度相比未涂防火涂料的试件来说也明显降低。但当试验进行60min后，试件截面的温度开始超过200℃，说明防火涂料对试件虽然具有很好的防火作用，但此时防火涂料的厚度取值是不满足防火设计要求的。

从图1、图2中的30mm曲线和40mm曲线，可以看出对于涂厚度超过30mm防火涂料的试件，防火效果进一步提升，截面温度达到150℃的时间超过2h，尤其对于涂40mm厚防火涂料的试件来说，基本达到了2.5h。

从图1、图2中的40mm曲线和50mm曲线，可以看出随着防火涂料厚度的增加，防火保护的效果却没有快速增长，反而增速缓慢，这说明防火涂料的厚度与防火保护的作用不成正比，所以不能靠盲目地增加防火涂料厚度来提高试件的耐火极限。同时随着防火涂料厚度的增加，一方面会增加加固构件的自重，另一方面防火涂料的厚度越厚就越易出现开裂与分层现象，防火作用反而会大打折扣，，而且还会影响加固构件的空间使用效果。所以，防火涂料厚度的最佳取值宜为40mm。

3 结 论

采用试验方法对火灾高温下涂有不同厚度防火涂料的粘贴法加固钢筋混凝土试件的耐火极限进行了研究，分析了加固材料的热工性质和防火涂料的厚度对混凝土试件温度场的影响规律，得出如下结论：

a.不论是粘碳纤维布试件还是粘钢试件，防火涂料对其的防火作用基本一样，与所用的加固材料种类关系不大。

b.有防火保护层时，试件表面温度上升速度明显降低，厚涂型钢结构防火涂料对粘贴法加固混凝土结构具有很好的防火保护作用。

c.随着防火涂料厚度的增加，保温隔热效果明显增强，但当防火涂料厚度超过40mm之后，保温效果的增强趋势不再明显，所以实际工程中，当采用厚涂型钢结构防火涂料对混凝土结构进行防火设计时，防火涂料厚度在40mm时便可以满足一般工业与民用建筑的防火要求［6］。

d.文中的研究成果可以为粘贴法加固钢筋混凝土结构进行防火设计提供参考依据，同时为进一步深人研究加固构件的耐火极限创造了条件。

随着粘贴法的广泛应用，特别是粘贴碳纤维布法的广泛应用，其优异的性能在混凝土结构加固过程中得到了充分的体现，碳纤维加固修复技术所带来的防火问题也必将会随着科技的不断发展而得到更好的解决。

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［6］ 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程.CECS146：2003.碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程［S］.北京：中国计划出版社，2002.

［7］ 中华人民共和国建设部.GB 50016—2006.建筑设计防火规范［S］.北京：中国计划出版社，2006.