技術與設計 2026-06-12 9 分鐘閱讀

CFRP補強結構的防火策略:設計與材料

火災是CFRP的關鍵限制——規範的處理方式是假設補強效果完全消失。用隔熱材料保護FRP,或將原結構設計成即使沒有補強也能存活。理想情況下,兩者都要做到。

重點速覽

火災是CFRP的關鍵限制:環氧樹脂在接近其玻璃轉化溫度(Tg 60–82 °C)時會軟化,使用溫度必須低於該溫度15 °C以上。
ACI假設FRP在火災中失效:未補強結構必須能獨立承受經折減的防火荷載組合,作為最後防線。
兩條路徑:以被動隔熱保護FRP、使其溫度維持在Tg以下,或改用天生耐火的FRCM——其無機基材沒有Tg上限的問題。

火災是環氧樹脂黏合CFRP補強的關鍵限制——規範的處理方式,是假設補強效果直接消失。這一個設計假設,主導了整個防火策略的走向:要嘛保護FRP使其在火災中存活,要嘛確保原結構在沒有FRP的情況下也能存活。本文以ACI 440.2R為基礎,涵蓋這兩條路徑,並延伸自結構用環氧樹脂Tg要求中討論的樹脂行為。

為什麼火災是CFRP的關鍵限制?

因為環氧樹脂基材會隨溫度升高而軟化。每種環氧樹脂都有一個玻璃轉化溫度(Tg),常溫固化補強系統通常為60–82 °C,超過此溫度,其剛度與黏結強度會急遽下降。正因如此,ACI 440.2R將連續使用溫度上限訂為Tg − 15 °C,在潮濕使用環境下則以較低的濕態Tg為準。碳纖維本身能承受遠高於此的溫度,但整個系統的耐火能力,取決於將其黏結在混凝土上的樹脂——而在接近Tg時,這個黏結就會失效。

CFRP的貢獻受溫度限制。當環氧樹脂接近其玻璃轉化溫度區間(60–82 °C)時,剛度與黏結力下降,補強效果會降至原結構的基準水準。ACI 440.2R保守地假設在火災中補強效果完全消失——因此未補強構件必須能夠獨立存活。

設計上如何應對火災?

採取保守做法。除非經測試證明,否則ACI 440.2R §9.2.1假設FRP的貢獻在火災中完全失效。接下來必須能承載的是未補強構件本身:其標稱耐火能力必須滿足經折減的防火荷載組合——按規範建議的形式,大致為現有承載力至少要能承受全部恆載加全部活載(以ACI 216.1和ACI 562為基礎)。這是在任何補強設計都已適用的日常冗餘度檢核之上再加一層要求:若FRP因任何原因失效,原結構須能承載1.1×恆載 + 0.75×活載。火災只是「假如FRP不存在」這個問題中最嚴苛的一種情形。

採用哪些被動防火保護措施?

在已固化的CFRP外側敷設隔熱材料,使其在所需的耐火時效內維持在Tg以下。常見類別包括隔熱板、水泥基或噴塗塗層,以及膨脹型防火塗料——每一種都須依特定耐火等級與構件選型並設計厚度。(具體的耐火等級、厚度與產品均因專案與系統而異,由防火保護廠商經測試驗證的組合系統決定,而非由FRP數據表決定。)目標很明確且單一:在Tg以下爭取足夠時間,讓補強後的承載力能撐過設計火災。

兩道獨立的安全防線。被動隔熱使CFRP維持在玻璃轉化溫度以下足夠長的時間,以在設計火災期間保留其貢獻。另一方面,原斷面則獨立設計以承受經折減的防火荷載——即使保護層表現不如預期,這道防線依然成立。

FRCM是耐火的替代方案嗎?

是的——而且在以防火為主導因素的情況下,往往是更乾淨俐落的答案。由於FRCM是將纖維網格黏結在沒有玻璃轉化溫度上限的無機水泥砂漿中,它天生就具有耐火性,不像環氧CFRP那樣受限。FidStrong的PBO網格選項要到約650 °C才會分解,遠高於任何環氧樹脂的Tg。選用FRCM等於完全繞開了被動防火保護這個問題,而不是額外加一層來解決它——完整比較請見FRCM網格與CFRP織物的比較。

保護FRP,還是保護結構?

這是兩項不同的任務,良好的防火設計會將兩者區分開來。保護FRP指的是以隔熱使積層板維持在Tg以下,讓火災結束後其貢獻依然存在——這仰賴保護層的表現符合測試結果。保護結構指的是將原斷面設計成完全不依賴FRP也能承受經折減的防火荷載——這是一道不論隔熱層表現如何都成立的防線。穩健的設計會同時做到這兩點。

切勿讓防火安全單獨依賴FRP。ACI 440.2R刻意假設補強效果在火災中消失,因此未補強構件必須能獨立承受防火荷載組合。被動防火保護所保留的是補強後的承載力;它並不是防止倒塌的手段——防止倒塌本就是原結構設計上該負責的工作。

常見問題

CFRP補強混凝土能耐受多高的溫度?

ACI 440.2R將連續使用溫度限制在Tg − 15 °C以內,常溫固化環氧系統的Tg通常為60–82 °C。在潮濕環境下,由於水分會進一步降低有效上限,須以較低的濕態Tg為準。超過此溫度,設計就不能再依賴CFRP的強度。

CFRP補強是否需要防火保護?

只有在設計防火荷載超過未補強結構本身可承受的範圍時才需要。ACI 440.2R §9.2.1假設FRP的貢獻在火災中會消失,因此使用被動防火保護的目的,就是讓CFRP在火災事件期間維持在Tg以下足夠長的時間,以保留其貢獻。

若CFRP溫度超過環氧樹脂的Tg會發生什麼?

樹脂會軟化,黏結力與剛度隨之下降,因此規範規定一旦溫度接近或超過Tg(典型值60–82 °C),就視為FRP的貢獻已經失效。此時設計不得再依賴CFRP的強度——這正是為何使用溫度上限要訂在Tg − 15 °C的原因。

沒有防火保護的CFRP補強結構能撐過火災嗎?

只有在未補強的原構件本身就能滿足ACI 440.2R經折減的防火荷載組合(§9.2.1)時才可以。這與已適用於補強設計的常溫冗餘度檢核(1.1×恆載 + 0.75×活載)是兩回事——兩者都是假設FRP可能不存在。

FRCM比CFRP更耐火嗎?

就基材化學性質而言,是的。FRCM採用無玻璃轉化溫度上限的無機水泥基材,因此天生耐火,相對之下FRP使用的是有機環氧基材(Tg 60–82 °C)。FidStrong的PBO網格選項在接近650 °C時才會分解,使PBO-FRCM成為防火等級應用的有力選擇。

CFRP採用哪些被動防火保護?

隔熱板、水泥基或噴塗塗層,以及膨脹型防火塗料,敷設於已固化CFRP外側,使其在設計火災期間維持在Tg以下。具體的耐火等級與厚度來自防火保護廠商經測試驗證的組合系統,而非FRP數據表——應將其視為一道經過設計的保護層,而非通用附加物。

關於熱如何與其他老化因素共同作用,請參閱CFRP補強的耐久性;基礎概念請參閱什麼是CFRP補強。

FidStrong生產FSC碳纖維布,以及用於天生耐火FRCM系統的FCM碳纖維網格、FPM PBO網格與FMM砂漿,並取得ISO 9001、14001與45001品質管理體系認證。文中的防火設計數據取自ACI 440.2R(§9.2.1、§1.2.1.3)與fib Bulletin 14;被動防火保護設計須由具執照工程師採用經測試驗證的組合系統進行——請依適用規範確認。