碳化硅纖維加固鋼筋混凝土梁火災高溫的試驗研究

(廣西科技大學 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高溫的試驗研究

周鵬溫朝臣梁文昊劉進

(廣西科技大學廣西柳州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高溫情況下所承受的極限荷載，變形等數據進行對比，來比較它們之間的差距和不同。對試驗結果進行對比顯示，在模擬火災對加固后的混凝土作用后，碳化硅纖維加固的構件比碳纖維加固的構件耐火性能更好，用有限元方法對試驗結果驗算后差別不大，說明試驗結果比較準確。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

火災是一種比較常見、危害非常大的災害，可能是自然發生的，也可能是人為的，不管是哪種都會對人們造成極大的破壞，在人們生產生活中發生火災會對人們的生產生活用品設施和建筑物造成很大的破壞，從而對人們的生命財產安全造成極大的威脅。火災會使鋼筋混凝土結構的承載能力下降，式結構不再能夠正常使用，甚至破壞。所以，結構加固后的耐火耐高溫性能非常重要。近年來碳纖維(CFRP)加固技術正在高速發展，國內外對碳纖維加固技術也進行了大量的研究，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，國內外對其防火的加固研究還比較少，國內對于碳纖維的防火要求也僅僅是在表面涂刷防火材料，并沒有細節的有效的具體規范要求。所以對CFRP加固混凝土結構的防火還不夠重視，還沒有比較成熟的規范，還需要進一步研究。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，能夠對混凝土加固的防火起到非常好的作用。本文將進行試驗來說明碳化硅纖維加固鋼筋混凝土結構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：把構件分為三組，每組三根構件，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件在加固后又受到火災高溫影響后的情況，根據國標《建筑構件耐火試驗方法》采用試驗標準升溫曲線，對三組構件分別在200℃/400℃/800℃中加熱2.5小時，加熱過后，讓構件全部自然冷卻。

加載試驗：因為梁主要受彎破壞，所以將對梁進行受彎試驗。

荷載的加載由固定在反力架的千斤頂實現，加載點為梁中兩個1/3點，加載兩個集中荷載，試驗加載數值通過壓力傳感器讀出數值，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、側面和底面分別貼應變片來測量兩點應變分布，并觀察梁的裂縫情況。

試驗結果如下：

表1 200℃試驗數據

表2 400℃試驗數據

表3 800℃試驗數據

圖1 200℃荷載應變圖

圖2 400℃荷載應變圖

圖3 800℃荷載應變圖

用有限元軟件對三種不同形式的構件在800℃時的受力進行有限元分析，對數據進行整理后，得出下圖：

圖4 800℃荷載應變有限元分析圖

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變可以近似成線性，所以，可以認為其符合平截面假定。

三、承載力

根據試驗可以看出，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值開始有區別了，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，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,在工程中應用更加安全。

五、結論

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

2、梁在各種情況和原因作用下導致的承載力下降在不考慮火災影響下，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，而如果發生火災，高溫回事鋼筋發生屈服，混凝土進入塑性階段，那么就需要加固材料來承擔荷載，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出來了。

3、由于考慮到成本、生產加工等各方面原因，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碳化硅材料的生產工藝方法，降低成本，使其更容易生產并在實際工程中得到推廣，推進我國加固技術的發展。

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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.

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周鵬(1994.02-)，男，山東省濰坊市，在讀研究生。