在过去十年里，碳纤维增强聚合物CFRP广泛应用于建筑加固改造行业。国内外研究者对CFRP加固混凝土构件的力学及使用性能进行了大量的试验研究与理论分析，已取得了一定的研究成果^[1]。然而，碳纤维加固混凝土结构耐火性能极差，主要有两方面原因：①CFRP材料易燃；②CFRP材料所用胶粘剂多属环氧类有机物，在温度超过其玻璃化温度时，胶粘剂软化，丧失其传递纤维间剪力和与混凝土共同作用的基础，造成CFRP强度和刚度降低^[2]。通常使用的热固性树脂范围为65~150℃^[3]，更高的温度下，达到胶粘剂的燃点，胶粘剂燃烧，造成火焰传播和有毒烟气产生。因此，到目前为止，CFRP常被用于桥梁结构或不需要抗火设计的建筑结构中，限制了其推广和应用^[4]。我国执行的《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》中，由于缺乏CFRP防火问题的研究资料和实践经验，并未把加固后的防火处理作为重点。《建筑设计防火规范》也未对加固结构提出专门的防火措施，仅是笼统地要求“对于有防火要求的构件，应涂专门防火涂料或采用其它防火措施加以设计和施工”。由于缺乏可操作性，在我国现已加固的结构中，大多数仅在CFRP表面粉刷一层水泥砂浆，难以保证防火要求和火灾下的结构安全性。因此，如何确定碳纤维加固钢筋混凝土结构的防火保护方法以及准确评价其耐火性能和安全可靠性已成为一个亟待解决的问题。
    以往，国内外学者对普通钢筋混凝土结构抗火性能进行了不少研究，在此不再赘述。本文在对国内外已有研究文献分析的基础上，以CFRP加固结构为研究对象，主要阐述了高温下CFRP材料热工性能和热力学性能的变化规律，对CFRP加固混凝土构件火灾试验研究进行了较为系统的总结，指出了其中存在的某些有待完善的问题，并提出该领域进一步的研究方向。[-page-]
1CFRP材料的热工性能和高温下的力学性能
1.1 CNRP材料的热工性能
    CFRP材料的热工性能参数主要包括导热系数、比热、容重和热膨胀系数等。
    导热系数是决定CFRP材料以及其加固结构高温下性能的主要参数，取决于组成CFRP复合材料各成分的热传导率。其中，主要影响因素有胶粘剂基体类型（主要有环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂等类型）和纤维与基体的体积比率等^[5]。文献^[6]研究表明，FRP复合材料主要受树脂基体传热速率的影响，不同类型的基体，FRP材料导热系数不同，并且树脂含量越高，导热系数越小。由于FRP材料是用抗拉强度极高的纤维丝拉拔成型，并通过予张编制方法成型，形成单向排列以树脂为基体的纤维复合材料。相关研究表明，各种FRP材料沿纵向（纤维方向）的导热系数远大于沿横向（树脂方向）的导热系数。除此之外，由于碳纤维本身的高导热率，CFRP复合材料的纵向导热系数比GFRP和AFRP大的多^[5]。各种常见的FRP复合材料常温下导热系数见表1。

 
    Griffis等对早期应用于航天工业的CFRP材料的导热系数（横向）研究表明，初复合材料导热系数为1.4W/m・℃，500℃时降低为0.2W/m・℃，500℃以后随温度的升高基本保持不变^[7]。图1所示为CFRP导热系数与温度关系曲线。

    比热是研究高温下复合材料间热量传递的重要参数，FRP材料的比热由于组成纤维和树脂含量的不同而在很大范围内有变动^[5]。文献[8]表明，室温条件下，CFRP和GFRP（基体为环氧树脂）的比热均为800J/Kg・K，而温度升高至170℃，其值分别升高为1450J/Kg・K和1300J/Kg・K。文献[20]对CFRP的比热进行了更加全面的研究，温度低于325℃时，比热值增长缓慢；325~343℃之间，比热值增长迅速；温度大于510℃以后，比热值开始下降。图2所示为CFRP比热与温度关系曲线。[-page-]

    文献[7]研究还表明，在510℃以内，CFRP复合材料容重基本不变；510℃以后，复合材料外层胶粘剂加剧分解挥发，CFRP复合材料容重有所下降。图3所示为CFRP容重与温度关系曲线。

     CFRP材料的热膨胀系数也是影响加固结构耐火性能的重要参数。文献[9]研究表明不同的纤维种类、不同的方向（纵向和横向）、不同的纤维含量，FRP材料的热膨胀系数变化很大。ACI 440 2R-02^[3]给出了三种常见FRP材料的热膨胀系数，如表2所示。
    从表2可以看出，CFRP材料的纵向热膨胀系数αL接近为0，同混凝土相差较大，高温条件下增加了CFRP与混凝土之间的剪切应力，极易造成CFRP材料与混凝土的粘结失效。

1.2 高温下CFRP材料的力学性能
    (1)高温下碳纤维的力学性能
    碳纤维丝在绝氧情况下具有极佳的耐热性(可耐2000℃高温)，它的升华温度高达3650℃左右。但在有氧情况下,当温度高于400℃时即发生明显氧化。当其暴露在600℃的空气中10min后，纤维大部分被氧化,强度下降^[10]。
    Bisby在总结前人试验数据结果的基础上，给出了高温下各类纤维的力学性能随温度的变化规律^[9]，折减系数为高温下的纤维强度与常温下纤维强度之比，如图4所示。由图4可以看出，高温绝氧条件下碳纤维丝强度基本保持不变。

    (2)高温下胶粘剂的力学性能[-page-] 
    高温下结构胶粘剂达到其玻璃化温度Tg时，胶粘剂软化，其粘结强度显著下降。E. L. Klamer^[11]以及吴波^[12]分别通过面内剪切试验研究了结构胶在-10~120℃之间其极限粘结强度随温度的变化规律。
    E. L. Klamer^[11]试验研究表明，在-10 ~40℃时，一般FRP与混凝土粘结的剥离破坏发生在FRP端部以下的表层混凝土中。温度稍高时，在50~75℃时，这种剥离破坏就发生在FRP与混凝土的界面处胶层内。同时由试验结果可以看出，40℃时发生剥离破坏的极限荷载比常温时有所增加，其后显著下降，60℃时发生剥离破坏的极限荷载约为常温时的70％。
    我国学者吴波对CFRP配套胶粘剂的高温下剪切试验研究^[12]同样表明，40℃时胶粘剂同混凝土之间的剪切强度有所升高，60℃后下降明显，其试验结果以及所给的拟合曲线如图5所示。

    本文作者在总结前人研究成果的基础上，认为试验测定40℃时胶粘剂剪切强度升高的原因在于CFRP材料本身的纵向热膨胀系数接近0，稍微升温时，其膨胀性能与混凝土的差异对混凝土产生“约束”作用，这种“约束”作用对剪切强度的提高贡献值大于温度引起的剪切强度降低的影响。
    （3）高温下CFRP材料的力学性能
     加拿大Queen’s University的Bisby^[9]在其博士论文中整理各种FRP材料的高温下抗拉性能和弹性模量随温度的变化规律，并通过小二乘回归分析，得到了一个S型函数拟合各种FRP材料的高温性能，离散性较大。其中CFRP高温下的抗拉强度和弹性模量随温度变化曲线分别如图6和图7所示，比值为高温下试验值与常温下试验值之比。

      我国学者吴波等^[12]在恒温炉中进行了7组CFRP布试样的拉伸试验，所得高温下CFRP布拉伸强度随温度的变化关系见图8。试样全部是因CFRP布被拉断而破坏，其破坏形式主要有三种：①CFRP布在端部被拉断；②CFRP布在中部被拉断；③CFRP布整体碎断。三种破坏形式都是脆性破坏，没有明显的塑性发展。

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      从图6和图8可以看出，二者模型结果相差较大，这主要是由于Bisby模式试件数据多为CFRP筋高温下的力学性能，而吴波模式为CFRP布高温下的力学性能。由前述可知，CFRP极易氧化造成炭化变脆，其拉伸强度显著降低，吴波试验正是如此，从文献[12]的试验现象可以看出，CFRP布试件破坏时已完全炭化变黑。而在测试CFRP筋的抗拉强度的试验过程中，由于外层少部分CFRP炭化，阻止了内部碳纤维的炭化，因此Bisby模式所得到的抗拉强度较高。
2 CFRP加固构件火灾试验研究与存在的问题
    早进行CFRP加固构件的火灾试验是由瑞士Deuring教授^[5]于1994年完成的，在ISO834标准升温条件下进行6根CFRP加固混凝土梁的对比试验，1根未加固，1根粘钢加固，1根采用普通胶粘贴的CFRP板加固梁（无防火保护）、2根采用普通胶粘贴的CFRP板加固梁（有防火板保护）、1根采用耐热粘贴剂粘贴的CFRP板加固梁。试验结果表明，粘钢加固梁受火后7~9min粘结失效；无防火保护的CFRP加固混凝土梁在81min后失效，而采用40mm厚防火板进行防火保护的CFRP加固混凝土梁，混凝土和碳纤维粘结处在很长时间内处于低温状态，CFRP材料大约在1h左右达到玻璃化温度Tg。其耐火极限能够达到146min，是未经过防火保护的1.8倍。
    随后，Ghent University的Blontrock等人^[2]进行了一系列加固梁的耐火试验。试件矩形梁采取了相应的防火保护措施，每根梁的保护厚度、位置（在底部或侧面）、防火板锚固方式（粘贴或机械锚固）、长度（通长或仅仅在锚固区）各不相同。试验研究表明，一根采用粘贴硅酸钙板保护梁在受火7min后，其粘结失效，而采用机械锚固的梁在受火45min后粘结失效。研究还表明，U型（梁底和两侧）防火保护为CFRP加固梁提供更好的耐火性能，降低了CFRP材料和钢筋火灾下的温度，从而降低了构件的整体挠度。Blontrock等人^[3]还进行了CFRP加固混凝土板的火灾试验，采取矿毛绝缘纤维(rockwool)和粘贴石膏板进行防火保护，试验后55min左右CFRP和混凝土的粘结丧失（此时胶粘剂温度为47~63℃）。
    加拿大的研究委员会的Kodur与Queen’s University Bisby等人和一些企业合作伙伴开展了CFRP加固混凝土柱、梁、板的耐火试验研究^[9,13~15]。他们使用了一种涂料，试验表明可以应用于CFRP加固结构的防火保护。涂料采用双层体系，与CFRP直接接触的是VG层，又称惰性层，重量轻，隔热性能好，与CFRP有较强的粘结性能，可直接喷射使用。外面一层为EI层，又称膨胀层，在高温下可以发泡膨胀。
    他们采用这种防火涂料保护CFRP加固的混凝土柱、梁和板，并在ASTM E119标准升温曲线下进行了一系列火灾试验。结果发现，不承担任何外荷载的加固板底面涂抹19mm厚VG层和0.25mm厚EI层，耐火极限长达2.2h。而涂抹38mm厚VG层和0.25mm厚EI层的CFRP加固板，在试验的整个4h内防火涂料一直保持完整。在加固梁耐火试验中，梁1采用25mm VG保护，梁2采用38mm VG保护，外层均采用0.13mm的EI-R保护。试验表明两根梁的耐火极限都超过了4h，分别在36min和52min梁1（25mm VG）和梁2（38mm VG）结构胶粘结剂温度超过CFRP玻璃化温度（此处Tg测定为93℃）,因此以Tg作为耐火极限的判定温度过于保守。同时采用SAFIR软件计算构件在标准升温曲线下的温度场和初步的结构响应分析,吻合较好。Kodur等人还进行了两根圆形截面柱和一根方形截面柱的耐火试验，圆柱的防火保护分别为32mm厚VG层、0.56mm厚EI层和57mm厚VG层、0.25mm厚EI层，耐火极限都达到5.5h。方柱的防火保护为38mm厚VG层、0.25mm厚EI层,耐火极限达到了4.25h。FRP层的温度在试验开始后的15~45min内升高相当快，然后升温速率降低，出现了一个接近100℃的温度水平段。涂抹了57mm厚VG层的圆柱因隔热层较厚，温度平台持续时间长达3h。而方柱的CFRP层温度在试验过程中持续上升且无温度平台出现，CFRP层在大约40min时超过100℃。
    国内同济大学胡克旭和高皖扬^[1,9]对CFRP加固钢筋混凝土梁防火方法进行了初步研究，试验设计了两根CFRP加固梁，梁1采用50mm厚SJ2厚型钢结构防火涂料进行全长U型保护，梁2采用40mm厚硅酸钙防火板进行全长U型保护。两根梁均取得了大于2h的耐火极限，满足《建筑设计防火规范》的要求。基于ANSYS,文献[1]建立了加固梁非线性有限元分析模型，实现了火灾下加固梁的热―力学耦合全过程分析并分析了防火保护层厚度与导热系数等因素对加固构件温度场和高温下变形反应的影响，在此基础上对CFRP加固钢筋混凝土结构的防火保护方法提供了一些有意义的建议。
    对于CFRP加固混凝土结构的防火研究，国内起步较晚，进行的零星研究尚不系统，加固结构的防火保护方法尚不成熟，进一步研究CFRP加固钢筋混凝土结构防火方法和高温（火灾）下的受力性能及破坏机理还存在许多问题，主要表现在以下3个方面：
    (1)对CFRP加固构件的瞬态温度场计算、高温下的承载力和变形的有限元分析，尚未见较成熟可行的计算方法和理论。Kodur及Bisby等人对加固柱及梁构件的承载力分析仅在ACI440规范设计计算式中引入FRP材料强度折减系数，计算高温下构件的承载力与反应。高温下CFRP材料逐渐退出工作，主要原因有两方面：①虽然有防火保护时碳纤维丝处于隔氧状态，有极佳的耐热性，但稍微升温下纤维丝间胶粘剂软化，丧失其传递纤维间剪力和防止纤维屈曲的作用，造成CFRP材料强度和刚度的降低；②由于CFRP材料同混凝土间胶粘剂软化，CFRP产生滑移丧失与混凝土共同作用的基础。但目前研究未见高温下CFRP材料与混凝土之间粘结滑移界面性能的研究，因此文献[1]引入折减系数近似考虑CFRP与混凝土之间的粘结滑移性能，建立了CFRP实际承载力抗拉强度模型，并基于AN-SYS建立非线性有限元模型，实现了火灾下加固梁的热-力学耦合全过程分析，同时分析了防火保护层厚度及导热系数对加固梁耐火极限的影响。
    (2)现有的火灾试验主要研究加固构件的耐火性能，由于构件的相互作用，因此受火构件的热变形对其他构件产生影响，并存在较大的内力重分布，目前尚无这方面的专门研究。
    (3)有防火保护的加固构件火灾后有一定的剩余承载力，但目前未见这方面的研究。高温后CFRP材料性能以及加固构件剩余承载力的研究，是进行灾后结构的损伤分析和制定加固或拆除决策的基础，因此这方面的研究也是非常有意义的。[-page-]
4 CFRP加固混凝土结构火灾研究有待进一步开展的工作
    尽管我们在CFRP加固构件火灾试验和耐火极限分析方面开展了一些研究，但对掌握和全面了解CFRP加固混凝土火灾反应特性并基于此确定其防火设计方法，仍有许多工作有待于完善和进一步的开展，主要体现在以下方面：
    (1)CFRP材料的性能研究
    目前关于CFRP材料热工性能和高温下力学性能的研究很少，且部分研究成果离散性较大，对高温下材料的性能仍然有待于进一步研究。同时应加强高温下CFRP材料与混凝土界面粘结性能和破坏机理的研究，确定高温下CFRP材料与混凝土间的界面模型，以便进行更为精确的非线性有限元分析。
    (2)影响参数的深入分析
    完善另一些影响基于加固构件耐火极限的参数分析，如混凝土强度、梁的截面形式、尺寸和跨度等对耐火极限的影响分析。在此基础上推导出加固构件耐火极限的简化计算公式，便于工程应用。
    (3)CFRP加固混凝土结构体系在火灾下的性能研究
    目前，对CFRP加固混凝土结构火灾下的性能研究主要集中在基本构件方面，而对由CFRP组成的梁或柱等形式的框架结构火灾下的性能研究国内外尚未见到报道。在火灾情况下，由于组成框架的梁柱间相互约束，将使框架产生内力重分布，从而可能危机结构的安全。因此，应开展这方面的研究，并提供合理的CFRP加固混凝土结构的耐火设计方法。
    (4)CFRP加固混凝土结构在火灾后的性能研究和加固决策研究
    即便有防火保护，火灾发生后CFRP材料不会燃烧，但是CFRP同混凝土之间产生不可逆转的滑移。文献[1]试验证明，在试验后期CFRP材料同混凝土之间滑移很大，局部同混凝土完全失去粘结。因此火灾后CFRP加固混凝土构件的剩余承载力研究显得尤为重要，且在此基础上的加固决策研究也非常有意义。是否可以在灾后铲除原先加固的CFRP材料，重新粘贴CFRP材料，以达到修复补强的目的等，这些都是CFRP加固混凝土结构耐火研究重要课题。
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