(廣西科技大學(xué) 廣西 柳州 545006；柳州歐維姆機械股份有限公司 廣西 柳州 545006)

碳化硅纖維加固鋼筋混凝土梁火災(zāi)高溫的試驗研究

周鵬溫朝臣梁文昊劉進(jìn)

(廣西科技大學(xué)廣西柳州545006；柳州歐維姆機械股份有限公司廣西柳州545006)

碳化硅纖維布加固鋼筋混凝土梁在高溫下的試驗將碳化硅纖維布加固的鋼筋混凝土梁同現(xiàn)在使用的主流加固材料碳纖維布加固后的鋼筋混凝土梁與未加固的梁在火災(zāi)高溫情況下所承受的極限荷載，變形等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，來比較它們之間的差距和不同。對試驗結(jié)果進(jìn)行對比顯示，在模擬火災(zāi)對加固后的混凝土作用后，碳化硅纖維加固的構(gòu)件比碳纖維加固的構(gòu)件耐火性能更好，用有限元方法對試驗結(jié)果驗算后差別不大，說明試驗結(jié)果比較準(zhǔn)確。證明了碳化硅纖維材料比碳纖維加固后的鋼筋混凝土在火災(zāi)高溫情況下更加安全。

碳化硅纖維；模擬高溫；加固對比；耐火性能分析

一、引言

火災(zāi)是一種比較常見、危害非常大的災(zāi)害，可能是自然發(fā)生的，也可能是人為的，不管是哪種都會對人們造成極大的破壞，在人們生產(chǎn)生活中發(fā)生火災(zāi)會對人們的生產(chǎn)生活用品設(shè)施和建筑物造成很大的破壞，從而對人們的生命財產(chǎn)安全造成極大的威脅。火災(zāi)會使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力下降，式結(jié)構(gòu)不再能夠正常使用，甚至破壞。所以，結(jié)構(gòu)加固后的耐火耐高溫性能非常重要。近年來碳纖維(CFRP)加固技術(shù)正在高速發(fā)展，國內(nèi)外對碳纖維加固技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究，但還是不夠成熟，有很多在加固過程中的問題還沒有得到很好的解決。

耐火性一直是碳纖維加固的難點之一，國內(nèi)外對其防火的加固研究還比較少，國內(nèi)對于碳纖維的防火要求也僅僅是在表面涂刷防火材料，并沒有細(xì)節(jié)的有效的具體規(guī)范要求。所以對CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的防火還不夠重視，還沒有比較成熟的規(guī)范，還需要進(jìn)一步研究。而碳化硅纖維材料正好耐火耐高溫，它的耐高溫性能比碳纖維材料高很多，能夠?qū)炷良庸痰姆阑鹌鸬椒浅：玫淖饔?。本文將進(jìn)行試驗來說明碳化硅纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時防火防高溫的安全性能。

試驗：

試件：澆筑9根相同的鋼筋混凝土梁，梁的尺寸為b=250，h=500，跨度l=4500，凈跨l0=4150，箍筋統(tǒng)一為Φ8@200，架立筋為2Φ10，鋼筋的屈服強度為460Mpa；混凝土立方體的抗壓強度為51.06Mpa；碳纖維布的抗拉強度平均值3510Mpa，彈性模量210Gpa，碳化硅纖維布的抗拉平均強度為3650Mpa，彈性模量為307Gpa，厚度均為0.1mm。

試驗方案：把構(gòu)件分為三組，每組三根構(gòu)件，一組不加固，一組用碳纖維布加固，一組用碳化硅纖維布加固，假故事全部采用梁底面全面粘貼，并在梁全跨粘貼15條U型纖維布箍。

高溫模擬試驗：該試驗步驟視為模擬混凝土構(gòu)件在加固后又受到火災(zāi)高溫影響后的情況，根據(jù)國標(biāo)《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》采用試驗標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，對三組構(gòu)件分別在200℃/400℃/800℃中加熱2.5小時，加熱過后，讓構(gòu)件全部自然冷卻。

加載試驗：因為梁主要受彎破壞，所以將對梁進(jìn)行受彎試驗。

荷載的加載由固定在反力架的千斤頂實現(xiàn)，加載點為梁中兩個1/3點，加載兩個集中荷載，試驗加載數(shù)值通過壓力傳感器讀出數(shù)值，并在支座和跨中各放置電子百分表來測量兩點支座位移和跨中撓度；在梁的頂面、側(cè)面和底面分別貼應(yīng)變片來測量兩點應(yīng)變分布，并觀察梁的裂縫情況。

試驗結(jié)果如下：

表1 200℃試驗數(shù)據(jù)

表2 400℃試驗數(shù)據(jù)

表3 800℃試驗數(shù)據(jù)

圖1 200℃荷載應(yīng)變圖

圖2 400℃荷載應(yīng)變圖

圖3 800℃荷載應(yīng)變圖

用有限元軟件對三種不同形式的構(gòu)件在800℃時的受力進(jìn)行有限元分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，得出下圖：

圖4 800℃荷載應(yīng)變有限元分析圖

圖5 200℃荷載撓度變化圖

圖6 400℃荷載撓度變化圖

圖7 800℃時荷載撓度變化圖

二、梁的跨中應(yīng)變

在荷載較小的情況下，碳纖維布和碳化硅纖維布都未與梁底面分離，加固材料和混凝土接觸面良好，加固梁沿梁高方向的應(yīng)變可以近似成線性，所以，可以認(rèn)為其符合平截面假定。

三、承載力

根據(jù)試驗可以看出，未加固的梁在不同溫度作用下的屈服和極限荷載明顯比加固后的低，說明加固后的鋼筋混凝土梁強度提高了。在200度時碳纖維加固與碳化硅纖維加固的梁承受荷載數(shù)值差別不大，而在400度時，兩種不同纖維材料加固的梁承受荷載的數(shù)值開始有區(qū)別了，可以看出碳化硅纖維布加固的梁比碳纖維布加固的承受荷載偏高，到了800都市，兩者的差別就很明顯了。

四、撓度裂縫

在加載過程中，隨著荷載不斷的加大，未加固的梁破壞過程中，食鹽量的裂縫開始出現(xiàn)，并迅速的眼神、擴大。而又碳纖維布和碳化硅纖維布加固的梁裂縫則發(fā)展不是很迅速，并且裂縫的寬度和間距比未加固梁的小，撓度也比未加固的小，在200和400度時，碳化硅纖維和碳纖維的裂縫間距和撓度差別不大，而800度時，碳化硅纖維和碳纖維的裂縫間距和撓度就會看出有明顯差別。

這說明碳化硅纖維比碳纖維更耐高溫,在工程中應(yīng)用更加安全。

五、結(jié)論

1、通過實驗得出的數(shù)據(jù)與有限元分析得出的數(shù)據(jù)比較可看出，實際試驗與有限元模擬的差別不大，說明試驗數(shù)據(jù)比較精確，試驗比較接近真實情況。

2、梁在各種情況和原因作用下導(dǎo)致的承載力下降在不考慮火災(zāi)影響下，用碳纖維和碳化硅纖維加固是比較實用，效果又好的加固方法，而如果發(fā)生火災(zāi)，高溫回事鋼筋發(fā)生屈服，混凝土進(jìn)入塑性階段，那么就需要加固材料來承擔(dān)荷載，這就要求加固的材料耐高溫性能比較好，這時碳化硅纖維的耐高溫性能就體現(xiàn)出來了。

3、由于考慮到成本、生產(chǎn)加工等各方面原因，碳化硅纖維材料用于加固的研究還比較少，但它的性能確實比碳纖維材料更好，希望在以后的研究中可以改進(jìn)碳化硅材料的生產(chǎn)工藝方法，降低成本，使其更容易生產(chǎn)并在實際工程中得到推廣，推進(jìn)我國加固技術(shù)的發(fā)展。

[1]徐志勝.CFRP加固鋼筋混凝土梁火災(zāi)后的試驗研究[J],哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005.01:98-100.

[2]徐明.高溫后碳纖維布約束混凝土軸壓力學(xué)性能試[J],工程力學(xué).2013,11:214-220.

[3]張曉東.溫度對碳纖維性能的影響[C].吉林省第七屆科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)年會.146-148.

[4]劉海亮.高溫下碳纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性有限元模擬[J]北京建筑工程學(xué)院,2005,12.

[5]高皖揚.火災(zāi)下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁非線性分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2009,05:575-582.

[6]曾志長.火災(zāi)高溫下CFRP加固鋼筋混凝土梁溫度場分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2008,02:110-116.

[7]楊曉光.火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受損鑒定與修復(fù)加固[D].天津大學(xué).2006,06.

[8]楊君.碳纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能分析[D].合肥工業(yè)大學(xué).2007,12.

[9]高飛.纖維材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火災(zāi)性能研究進(jìn)展[J].工程建筑,2016第46卷:649-652.

[10]趙稼祥.碳化硅纖維及其復(fù)合材料.高科技纖維與應(yīng)用[J].2002,08:1-6.

[11]李佑稷.耐高溫碳化硅纖維的制備與性能[J].物理化學(xué)學(xué)報,2009,11:1039-1043.

[12]張奕.火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究[D].浙江大學(xué),2005,02.

Theexperimentalstudyonfireresistanceofreinforcedconcretebeamsstrengthenedwithsiliconcarbidefiber

ZHOUPengWENChao-chenLIANGWen-haoLIUJin

(1.GuangxiUniversityofScienceandTechnologyLiuzhouGuangxi545006,China) (2.LiuzhouOVMMachineryCO,LTD,LiuzhouGuangxi545006,China)

Silicon carbide fiber cloth reinforcement test of reinforced concrete beams under high temperature will limit load of reinforced concrete beams reinforced with silicon carbide fiber mainstream now use the reinforcement material strengthened by carbon fiber reinforced concrete beams strengthened with the beam under fire under the condition of high temperature,comparison of deformation data,to compare between them.And the gap between different.The experimental results were compared and showed that in the simulation of fire to concrete after reinforcement,the reinforcement component of silicon carbide fiber carbon fiber reinforcement is better than the fire-resistant properties,the test results calculated by using finite element method is not very different,indicating the experimental results more accurate.It is proved that the silicon carbide fiber reinforced concrete is safer than the carbon fiber reinforced concrete at high temperature.

silicon carbide fiber,simulated temperature,reinforcement contrast,fire resistance

周鵬(1994.02-)，男，山東省濰坊市，在讀研究生。