要点速览
- 火灾是CFRP的关键限制：环氧树脂在接近其玻璃化转变温度(Tg 60–82 °C)时会软化,使用温度须比该温度低15 °C以上。
- ACI假设FRP在火灾中失效：未加固结构必须独立承受一个折减后的火灾荷载组合,作为最后防线。
- 两条路径：用被动隔热层保护FRP使其保持在Tg以下,或采用固有耐火的FRCM——其无机基体没有Tg上限。
火灾是环氧粘结CFRP加固的决定性限制——规范的处理方式是直接假设加固效果不复存在。这一单一设计假设决定了整个防火策略的走向：要么保护FRP使其能够存活,要么确保原结构在没有它的情况下也能存活。本文以ACI 440.2R为依据,同时讨论这两条路径。内容建立在结构环氧树脂Tg要求所述的树脂行为基础之上。
为什么火灾是CFRP的关键限制？
因为环氧基体会随受热而软化。每种环氧树脂都有一个玻璃化转变温度(Tg),常温固化加固体系通常为60–82 °C,超过该温度,其刚度和粘结强度会急剧下降。正因如此,ACI 440.2R将连续使用温度上限设为Tg − 15 °C;在潮湿使用环境下,则以较低的湿态Tg为准。碳纤维本身能承受远高于此的温度,但整个体系的耐火能力取决于将其粘结到混凝土上的树脂——一旦接近Tg,这个粘结就会失效。
设计如何应对火灾？
非常保守。除非通过试验另行证明,否则ACI 440.2R §9.2.1假设FRP的贡献在火灾中完全失效。此时必须能够承受荷载的是未加固构件本身：其名义耐火能力必须满足一个折减后的火灾荷载组合——按该指南推荐的形式,大致要求现有承载力至少达到全恒载加全活载之和(依据ACI 216.1和ACI 562)。这是在日常冗余度校核之上再加的一层要求,而该冗余度校核本身已适用于任何加固设计：若FRP因任何原因失效,原结构须能承受1.1×恒载 + 0.75×活载组合。火灾不过是“假如FRP不存在”这一情形中要求最苛刻的一种。
采用哪些被动防火保护措施？
在固化后的CFRP表面施加隔热层,使其在所要求的耐火时限内保持温度低于Tg。常见类别有隔热板、水泥基或喷涂涂料、膨胀型防火涂料——每一种都须针对具体的耐火等级和构件来选型并设计厚度。(具体的耐火等级、厚度和产品因项目和体系而异,由防护材料制造商的试验组件数据确定,而非FRP数据表。)目标很明确、很单一：争取足够的时间让温度保持在Tg以下,使加固后的承载力能够挺过设计火灾。
FRCM是一种耐火的替代方案吗？
是的——而且在火灾起控制作用的场合,这往往是更简洁的答案。FRCM将其纤维网格粘结在没有玻璃化转变温度上限的无机水泥砂浆中,因此天然耐火,这与环氧CFRP不同。FidStrong的PBO网格选项直到约650 °C才开始分解,远超任何环氧树脂的Tg。选用FRCM能彻底绕开被动防护这个问题,而不是再叠加一层措施来解决它——完整对比见FRCM网格与CFRP织物对比。
保护FRP与保护结构的区别
这是两项不同的任务,良好的防火设计会把二者区分开。保护FRP指的是用隔热层使层材保持在Tg以下,让其贡献在火灾结束后依然存在——这取决于防护层是否表现如试验所示。保护结构指的是将原截面设计为在完全不依赖FRP帮助的情况下承受折减后的火灾荷载——无论隔热层表现如何,这道防线都能守住。稳健的设计会两者兼顾。
常见问题
CFRP加固混凝土能承受多高的温度？
ACI 440.2R将连续使用温度限制在Tg − 15 °C以内,常温固化环氧体系的Tg通常为60–82 °C。在潮湿暴露环境下,由于水分会进一步降低有效上限,应以较低的湿态Tg为准。超过该温度后,设计就不能再依赖CFRP的强度。
CFRP加固是否需要防火保护？
只有当设计火灾荷载超过未加固结构自身能承受的能力时才需要。ACI 440.2R §9.2.1假设FRP的贡献在火灾中失效,因此采用被动防护,专门是为了让CFRP在火灾事件期间长时间保持低于Tg,从而保留其贡献。
如果CFRP超过环氧树脂的Tg会怎样？
树脂会软化,粘结力和刚度随之下降,因此一旦温度接近或超过Tg(通常60–82 °C),规范就将FRP的贡献视为已失效。此时设计不得再依赖CFRP的强度——这正是使用温度上限被设定为Tg − 15 °C的原因。
没有防护的CFRP加固结构能在火灾中存活吗？
只有当原始未加固构件本身满足ACI 440.2R的折减火灾荷载组合(§9.2.1)时才可以。这与已适用于加固设计的常温冗余度校核(1.1×恒载 + 0.75×活载)是两回事——二者都假设FRP可能不存在。
FRCM是否比CFRP更耐火？
是的,这由基体化学性质决定。FRCM采用没有玻璃化转变温度上限的无机水泥基体,因而天然耐火,而FRP采用的是有机环氧基体(Tg 60–82 °C)。FidStrong的PBO网格选项在接近650 °C时才分解,使PBO-FRCM成为耐火等级应用的有力选择。
CFRP采用哪些被动防火保护？
隔热板、水泥基或喷涂涂料以及膨胀型防火涂料,施加于固化后的CFRP表面,使其在设计火灾期间保持低于Tg。具体的耐火等级和厚度来自防护材料制造商的试验组件数据,而非FRP数据表——应将其视为一道经过设计的防护层,而非通用附加件。
关于高温与其他老化因素的相互关系,参见CFRP加固的耐久性;基础知识可参见什么是CFRP加固。
FidStrong生产FSC碳纤维布及FCM碳纤维网格、FPM PBO网格和FMM砂浆,用于固有耐火的FRCM体系,并遵循ISO 9001、14001和45001质量管理体系认证。本文中的防火设计数据取自ACI 440.2R(§9.2.1、§1.2.1.3)和fib Bulletin 14;被动防护设计属于持证工程师工作范畴,须采用经过试验验证的组件——请以适用规范为准进行确认。