□□

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer)具有強(qiáng)度高、模量高、質(zhì)量輕、耐燒蝕、抗沖刷、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、建筑加固等領(lǐng)域，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。但是，傳統(tǒng)的用于粘貼碳纖維的有機(jī)膠的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg一般比較低，常用的熱固性樹(shù)脂Tg的范圍為65～150 ℃[2]。研究發(fā)現(xiàn)，高溫下，當(dāng)溫度超過(guò)Tg后，膠粘劑會(huì)分解或軟化，喪失傳遞剪力的作用，造成加固失效[3]。目前，關(guān)于碳纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高溫和耐火性能研究較少，為促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在國(guó)防和民用工程中的推廣應(yīng)用，筆者對(duì)碳纖維加固鋼板擬制了幾種不同的防火保護(hù)，進(jìn)行耐火性能試驗(yàn)，并利用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在一定范圍內(nèi)相互吻合，為深入研究火災(zāi)下有防火保護(hù)的碳纖維加固構(gòu)件的耐火極限提供了數(shù)據(jù)資料。

1 碳纖維加固鋼板的耐火性能試驗(yàn)分析

試驗(yàn)采用5塊尺寸為100 mm×150 mm×3 mm的碳纖維加固鋼板，其中在B1～B4下表面(粘貼FTS-C1-30型碳纖維的一面)分別涂覆1 mm厚SCB超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、3 mm厚SWB室內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料、1 mm厚G60-3膨脹型過(guò)氯乙烯防火涂料、7 mm厚106-2隧道防火涂料；在B5下表面設(shè)置間距1.5 mm的鋁板隔熱層。采用WRNK191型鎧裝式鎳鉻鎳硅熱電偶測(cè)溫，將1個(gè)熱電偶預(yù)埋于粘膠層，1個(gè)熱電偶放置于防火涂料(鋁板)下表面，1個(gè)熱電偶穿過(guò)鋼板上表面石棉保溫襯墊進(jìn)行測(cè)溫。采用酒精噴燈進(jìn)行鋼板耐火試驗(yàn)。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，防火涂料可以割斷外界火源對(duì)碳纖維鋼板的加熱，具有較好的阻燃隔熱效果。但是，隨著火源與基材的接近，溫度升高，防火涂料會(huì)膨脹并迅速開(kāi)裂脫落，導(dǎo)致火焰直接進(jìn)攻基材，失去隔熱性。鋁板隔熱在受火初期具有較好的防火性，但當(dāng)溫度升高到一定程度后(達(dá)到760 ℃)，鋁板被火焰灼燒通，鋼板直接受火，溫度急劇上升，完全散失了防火性。試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 涂覆防火涂料的鋼板上表面溫升曲線

圖2 設(shè)置鋁板隔熱層的防火溫升曲線

從圖1可以看出，碳纖維加固鋼板的耐火性能與防火保護(hù)層的厚度成正比，防火保護(hù)層厚度越大，阻燃隔熱效果越好。從圖2可以看出，采用隔熱層防火雖然可行，但應(yīng)選擇更加耐高溫的隔熱材料(如玻璃棉、硅酸鈣板等)。

2 碳纖維加固鋼板的耐火性能數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元程序?qū)?種防火保護(hù)的碳纖維加固鋼板進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬計(jì)算[4]：

(1)表面涂覆7 mm厚106-2隧道防火涂料；

(2)設(shè)置間距1.5 mm的鋁板隔熱層；

(3)綜合保護(hù)：在表面涂覆7 mm厚106-2隧道防火涂料的同時(shí)，設(shè)置間距1.5 mm的鋁板隔熱層。

溫度場(chǎng)變量Θ(x，y，z，t)應(yīng)滿足微分方程：

(在Ω內(nèi)) (1)

溫度場(chǎng)函數(shù)Θ不僅是空間域Ω的函數(shù)，而且還是時(shí)間域t的函數(shù)，時(shí)間和空間兩種域并不耦合，因此，求解溫度場(chǎng)函數(shù)Θ采用有限元-差分混合法，對(duì)結(jié)構(gòu)空間域用有限單元進(jìn)行離散，在時(shí)間(溫度)域上用差分的步進(jìn)法遞推分析。

ANSYS熱分析的基本步驟包括建模、施加對(duì)流輻射邊界和后處理。對(duì)鋼板表面采用表面效應(yīng)單元SURF19模擬點(diǎn)與面的熱傳遞；對(duì)鋼板、碳纖維、防火涂料(鋁板)采用二維實(shí)體PLANE55單元；考慮火焰溫度較高，鋁板主要是通過(guò)輻射作用將溫度傳給上部與其間隔1.5 mm的碳纖維，故分別在碳纖維與鋁板模型表面覆蓋1層新的LINK32單元，利用AUX12對(duì)空氣隔熱層進(jìn)行輻射熱分析。建模過(guò)程中輸入的材料基本屬性有密度、熱傳導(dǎo)率、比熱容和輻射系數(shù)等，模型邊界溫度按照試驗(yàn)測(cè)定。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

用ANSYS模擬計(jì)算在與試驗(yàn)相同升溫條件下，涂覆106-2防火涂料和鋁板隔熱層保護(hù)的碳纖維加固鋼板耐火性能，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3和圖4所示，二者吻合較好，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

ANSYS模擬計(jì)算相同升溫條件下，綜合保護(hù)的碳纖維加固鋼板耐火性能，結(jié)果見(jiàn)圖5所示。將3種模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

由圖6可以看出，在前17 min內(nèi)(系統(tǒng)外界溫度332 ℃)，防火涂料與鋁板隔熱的防火效果基本相當(dāng)；但隨著外界溫度的繼續(xù)升高，鋁板的隔熱性能迅速下降，而防火涂料仍維持較平穩(wěn)的隔熱作用，防火性能明顯優(yōu)于鋁板隔熱層。在38 min時(shí)，外界溫度達(dá)到622 ℃(鋁板未被燒通之前)，表面涂覆防火涂料和設(shè)置鋁板隔熱的鋼板上表面對(duì)應(yīng)的溫度分別為198 ℃和380 ℃，均超過(guò)了膠粘劑的極限溫度150 ℃，膠粘劑的剪切強(qiáng)度幾乎衰減殆盡，意味著碳纖維加固效果基本喪失[5]，而綜合防火保護(hù)的鋼板上表面溫度為122 ℃，低于膠粘劑極限溫度。由此可見(jiàn)，采取綜合保護(hù)的碳纖維鋼板耐火性能顯著提高。若能增加防火保護(hù)層厚度，耐火性能還將進(jìn)一步提高。

圖3 防火涂料保護(hù)的鋼板溫升曲線對(duì)比

圖4 鋁板隔熱層保護(hù)的鋼板溫升曲線對(duì)比

圖5 綜合保護(hù)的鋼板計(jì)算溫升曲線

圖6 不同防火保護(hù)的鋼板計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本文對(duì)采用不同防火保護(hù)的碳纖維加固鋼板進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，并在假設(shè)碳纖維與鋼板粘貼可靠、節(jié)點(diǎn)邊界均勻受熱的基礎(chǔ)上，利用有限元程序進(jìn)行了數(shù)值分析。得到以下結(jié)論：

3.1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的耐熱性能在很大程度上取決于膠粘劑，除使用特殊的耐高溫基體樹(shù)脂外，一般使用溫度宜≯80 ℃。

3.2 目前所采用的膠粘劑幾乎均為有機(jī)聚合物，具有一定的可燃性，因此，無(wú)防火保護(hù)的碳纖維加固技術(shù)只能用于防火要求不高的結(jié)構(gòu)。碳纖維加固構(gòu)件的防火可以從兩方面入手：一是改變樹(shù)脂的組分，如在環(huán)氧樹(shù)脂中加入阻燃劑、高溫改性劑等，或采用無(wú)機(jī)膠粘劑[6]；二是進(jìn)行表面處理，如噴涂防火涂料、礦物纖維，采用石膏板、硅酸鈣板等輕質(zhì)耐火板材包封，設(shè)置隔熱層等。對(duì)于采用外粘碳纖維加固的梁板，在碳纖維表面涂覆防火涂料的同時(shí)增設(shè)一定間距的隔熱層，如在鋼梁、鋼屋架下做耐火吊頂是一種較佳的防火方法。

3.3 筆者對(duì)碳纖維加固鋼板進(jìn)行了耐火性能的初步研究，為深入研究火災(zāi)下有防火保護(hù)的碳纖維加固構(gòu)件的耐火極限提供了數(shù)據(jù)資料，但尚缺乏大規(guī)模的實(shí)際工程驗(yàn)證。為了擴(kuò)大碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用范圍，建議在采用耐高溫膠的同時(shí)，能夠研制一種專門(mén)用于纖維加固的特種防火涂料。

參考文獻(xiàn)：

[1] Tatsuo O，Koji O.Seismic retrofitting of expressway bridges in Japan[J].Cement & Concrete Composites，2000，22：7-27.

[2] ACI Committee 440.2R-02.Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures[S].American Concrete Institute，F(xiàn)armington Hills，Michigan，2002.

[3] Bisby L A，Green M F，Kodur V K R.Modeling the behavior of fiber reinforced polymer-confined concrete columns exposed to fire[J].Journal of Composites for Construction，2005，9(1)：15-24.

[4] 唐興倫，范群波，張朝暉，等.ANSYS工程應(yīng)用教程——熱與電磁學(xué)篇[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[5] 吳波，萬(wàn)志軍.碳纖維布及膠粘劑的高溫強(qiáng)度研究[A].第三屆全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火及防腐技術(shù)研討會(huì)暨第一屆全國(guó)結(jié)構(gòu)抗火學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].上海：中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)，2005.

[6] 鄭文忠，萬(wàn)夫雄，李時(shí)光.用無(wú)機(jī)膠粘貼CFRP布加固混凝土板抗火性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31(10)：89-97.