《Heliyon》：Behavior and retrofit of heat-damaged reinforced concrete beams containing micro-silica and polypropylene
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热损伤后的钢筋混凝土（RC）构件经适当加固修复后仍可继续服役。本项研究对采用纤维增强聚合物（FRP）板材、钢板等不同方法加固修复的热损伤RC梁的性能进行了试验研究。共制作11根钢筋混凝土梁，其中包含掺加微硅粉（MS）与聚丙烯纤维（PPF）的梁。2个对照试件在常
热损伤后的钢筋混凝土（RC）构件经适当加固修复后仍可继续服役。本项研究对采用纤维增强聚合物（FRP）板材、钢板等不同方法加固修复的热损伤RC梁的性能进行了试验研究。共制作11根钢筋混凝土梁，其中包含掺加微硅粉（MS）与聚丙烯纤维（PPF）的梁。2个对照试件在常温下进行试验，另有2根同类梁在600 °C下受热1 h。为考察梁的强度、刚度及最终位移，对试件开展四点弯曲试验。随后，对其余7根梁进行加热，冷却后采用不同方法加固修复，包括碳纤维增强聚合物（CFRP）片材、钢板套箍以及钢板与FRP片材组合。对加固修复后的梁再次开展四点弯曲试验。未加固试件的结果表明，掺加MS与PPF的梁强度降低幅度较小。采用钢套箍加固的梁强度最高。在所有试件中，各加固方法均能补偿损失的强度。然而，FRP加固方法未能恢复初始刚度。梁在受热后其破坏模式由弯曲破坏转变为剪切破坏，即使是加固方法也未能补偿这一现象。
一、研究背景与问题提出
混凝土因价格经济、施工便捷而成为应用最广泛的建筑材料之一，且相较于钢材具有较好的抗火性能。混凝土的导热系数较低，可显著延缓并减小温度由表面向核心的上升。然而，当温度高于400 °C时，混凝土中的热致损伤已十分明显。由于结构构件的劣化往往不可见，需通过试验研究确定构件的残余承载力。从经济角度看，对火灾损伤混凝土结构进行修复加固通常优于拆除重建，此时尽可能恢复受损构件的强度与刚度至关重要。钢套加固成本较低、不要求高度熟练的劳动力、占用空间小且可在结构服役期间实施，是可供选择的方法之一；另一种常用的加固方法为纤维增强聚合物（FRP）片材加固，常用技术包括外贴加固（EBR）与嵌入式（NSM）方法。已有文献对FRP片材改善混凝土构件性能开展了试验研究，但其中仅少数涉及热损伤混凝土构件的加固。Roy等研究了短柱加固的不同技术，结果表明CFRP与GFRP包裹对恢复抗压强度有效，但未能恢复刚度；Hassan等的试验表明，粘贴钢板与CFRP组合的两种技术对暴露于600 °C的试件无明显效果；Aldhafairi等研究发现四角钢套加固对损伤梁性能有显著效果，强度提高可达280%，且焊接板优于螺栓连接板；Haddad等采用侧面NSM CFRP条带加固热损伤梁，发现损伤程度加剧时各修复方案效率下降；Song等与Ouyang等分别对FRP和BFRP包裹的立方体与圆柱体试件开展研究，发现加固对强度与变形能力均有改善，且损伤越严重改善越显著。除加固外，还可通过掺加外加剂提高混凝土的初始抗火性：PPF可改善混凝土抗裂性，高温下孔隙压力升高，纤维可影响混凝土热工性能并减小裂缝宽度；硅灰则对提高水泥砂浆抗火性有利，火山灰材料与氢氧化钙反应生成高体积的硅酸钙固体，可降低混凝土孔隙率。本研究采用既往研究中确定的优化配合比，以衔接材料尺度表征与结构尺度应用。
二、研究内容与结论
为弥补上述不足，研究人员对暴露于600 °C、持续1 h的RC梁的受力性能与残余承载力进行考察（本研究未考虑安定性，并建议后续研究测定试件安定性），同时以完好试件作为对照，采用CFRP、GFRP（含或不含钢板）及钢套箍对损伤试件进行加固，并考察PPF与MS对受热混凝土性能及加固效率的影响。FRP片材厚度按使加固梁强度约与未受热试件相当选取，钢板厚度按使套箍加固可补偿热致刚度损失选取。研究结论如下：普通混凝土梁在600 °C受热1 h后强度损失34.3%，含MS与PPF的梁强度约高11.1%，受热后强度损失32.5%，即受热后其强度比对照梁高14.3%，表明这些材料为混凝土梁提供了更好的抗火性，可归因于含MS与PPF混凝土的孔隙率较低。刚度方面，受热试件刚度损失约33.3%，MS与PPF使梁刚度提高11.4%（源于PPF的桥接作用与MS带来的低孔隙率），受热后该增幅为7.6%，低于未受热试件，说明其正面效应因受热而减弱。受热后梁的破坏模式由弯曲破坏转变为剪切破坏，表明火灾使混凝土梁行为更趋脆性，即使加固方法也未能补偿，加固梁仍呈不利的剪切破坏模式，这可由CFRP与GFRP达到最大强度后断裂的特性解释。MS与PPF使最大强度对应位移显著提高（增加48.5%），受热后该增幅为7.4%，显著降低。CFRP与GFRP片材加固使试件强度甚至高于对照试件（平均提高10.0%）；对含MS与PPF的梁，加固后强度约与未受热M梁相当。CRFH试件荷载-位移曲线出现27.8%的强度突降，而GRFH试件保持强度并表现出更好的延性，其他加固试件也呈类似趋势，GFRP提供更好的延性。CFRP与GFRP加固不影响梁刚度；钢板提高刚度，采用钢套箍时加固梁刚度甚至高于未受热梁的初始刚度。JSH加固梁强度最高，比未受热对照梁高47.9%，但因钢套箍脱粘未能提供延性。普通混凝土梁的吸能性能在受热后显著劣化，尤以后反弯点吸能明显，MS与PPF的掺入可提高受热后混凝土梁的吸能能力。所有加固试件均未达到对照试件的吸能水平，可归因于试验开始时加固梁已存在裂缝。尽管加固方法成功补偿了刚度与强度损失，但未能恢复初始破坏模式，注浆环氧等其他方法或有此效果，可作为未来研究方向，此类方法还应恢复因火灾后混凝土劣化而受损的混凝土与钢筋间粘结。
三、关键技术方法
试验分两阶段进行。第一阶段按BS EN 12390-3对两种配合比各制作3个15 × 15 × 15 cm立方体试件（脱模后浸入氢氧化钙饱和水中，28 d龄期以0.4 MPa/s加载）测定抗压强度；第二阶段按ACI 318R-19制作15 × 15 × 65 cm梁试件（受炉膛尺寸限制，非足尺，需注意尺寸效应），纵筋为4根直径10 mm的S400钢筋，箍筋为直径8 mm的S340钢筋、间距6.5 cm，并开展四点弯曲试验（60 t液压千斤顶，LVDT量测跨中位移）。受热前先于110 °C预热24 h以防爆裂，再升至600 °C恒温1 h后随炉自然冷却。加固按ACI 440.2R-17实施，采用Mega环氧树脂粘贴CFRP/GFRP片材，或以2 mm厚ST37钢板制成U形套箍并用Rawl螺栓锚固。试件混凝土及钢筋均由研究人员自行制作与测试，未复用既往数据。
四、研究结果
3.1 未受热梁：T梁加载后跨中三分之一区出现竖向与斜向细裂缝并随荷载扩展，跨中为弯曲裂缝、支座附近为剪弯裂缝；M梁自加载点向支座出现剪弯裂缝，跨中弯曲裂缝竖向延伸，MS与PPF有效提高了混凝土抗压与抗拉强度；承载力开始下降时受拉钢筋屈服、受拉区裂缝加宽，屈服后受压区应力增大，跨中混凝土出现剥落。
3.2 受热梁：受热试件表面出现细小不规则裂缝，颜色变为深灰，可归因于升降温过程中混凝土组成变化及孔隙蒸汽压力升高引起的内应力与外部裂缝。与T梁相比TH梁强度损失34.3%，裂缝更宽且破坏发生在支座附近；与未受热M梁相比MH梁承载力下降32.5%，MS与PPF减小了裂缝数量与宽度，PPF通过桥接作用并减少热量向梁深部传递而降低裂缝宽度。
4.1 CFRH与GFRH梁：三面U形粘贴CFRP的CRFH梁因CFRP弹性模量较高而刚度提升更明显，其在较低位移处达到最高强度，可归因于CFRP极限应变低于GFRP；两者最大强度约113 kN，比未受热T梁提高10.1%；CRFH曲线出现28.7%的强度突降，GRFH则保持强度并呈更好延性。
4.2 MCFRH与MGFRH梁：最大强度分别为116.3与112.6 kN，较M梁分别高2.0%与低1.2%，证实加固成功补偿了热损伤；GFRP加固延性更好，MCFRH出现强度突降，MGFRH最大位移比MCFRH高33.9%，MCFRH出现CFRP剥离。
4.3 JSH、CFRSH与GFRSH梁：JSH最大强度151.7 kN，位移7.2 mm处出现相对突降，粘结层拉应力升高导致钢板局部脱粘与混凝土开裂，继续加载钢板变形脱粘，15 mm位移处强度115 kN、侧板脱离并发生混凝土断裂；GFRSH最大强度136.9 kN，弹性段刚度低于JSH，最终强度100 kN、14.4 mm位移破坏并呈剪切破坏；CFRSH强度略高（140.3 kN），支座附近破坏前CFRP剥离与断裂、底板扭曲，20.05 mm位移破坏并呈剪切破坏。
4.4 加固方法比较：对照梁为弯曲破坏，而加固梁最终呈剪切破坏；剪切破坏主因是CFRP/GFRP与混凝土脱粘及钢板变形。普通混凝土梁受热后强度损失34.3%且TH梁出现突降；CFRP与GFRP加固后强度约113 kN，比完好梁高10.1%，CFRH在CFRP剥离后突降；GFRHS与CFRHS强度分别为136.9与140.3 kN，较完好对照梁提高33.4%与36.7%；JSH最大强度151.7 kN，提高47.9%。但加固试件破坏位移显著减小，CFRH较完好梁少46.8%、GFRH少29.8%，JSH少43.1%，说明强度损失得到补偿但延性转为脆性；TH初始刚度下降33.3%，CFRH与GFRH刚度分别低27.8%与35.3%，加固对刚度影响可忽略，而JSH刚度与对照试件相近，表明钢套可补偿热致刚度损失。含MS与PPF梁方面，MH强度下降32.5%，CFRP与GFRP加固后强度约与M梁相当，成功补偿强度损失；MCFRH在11.2 mm位移处突降，MGFRH更延性；加固试件刚度约等于MH，说明无法恢复刚度损失；MGFRH破坏位移比M梁低16.8%，MCFRH低37.9%，GFRP优于CFRP。综合比较显示，MS与PPF使梁最大强度在受热前提高11.1%、受热后提高14.3%，初始刚度分别提高约11.4%与7.7%；采用FRP加固时含MS与PPF梁最大强度平均比相应普通混凝土梁高1.4%；FRP不改变刚度，钢板提高刚度，钢套箍使刚度高于初始刚度。普通混凝土梁受热后吸能显著劣化，后反弯点吸能降低91.2%，含MS与PPF梁降低78.6%，说明MS与PPF改善了受热后吸能；GFRP加固试件吸能明显高于CFRP，钢板显著提高吸能，但所有加固试件均未达到对照试件吸能水平，可归因于试验开始时梁已开裂。
五、讨论与结论
讨论指出，各试件混凝土破坏时荷载不同，反映FRP与钢板对提供抗剪与抗弯强度的贡献与效力，剪切破坏伴随较大斜裂缝；对照梁中部的较高弯曲应力引起拉伸裂缝并随荷载加宽。结论为：普通混凝土梁600 °C受热1 h后强度损失34.3%，含MS与PPF梁强度高约11.1%、受热后损失32.5%，受热后强度比对照梁高14.3%，表明其提供更好的抗火性，可归因于孔隙率较低；受热试件刚度损失约33.3%，MS与PPF使刚度提高11.4%，受热后增幅降至7.6%；受热后破坏模式由弯曲转为剪切，火灾使梁更脆，加固亦无法补偿；MS与PPF使最大强度对应位移提高48.5%，受热后仅为7.4%；CFRP与GFRP加固使强度平均提高10.0%，含MS与PPF梁加固后约与未受热M梁相当；CRFH出现27.8%强度突降而GRFH更延性；FRP不改变刚度，钢板与钢套箍提高刚度；JSH强度最高（高47.9%）但因钢套箍脱粘未提供延性；普通混凝土梁受热后吸能显著劣化，MS与PPF可提高受热后吸能；加固试件吸能均未达对照水平，归因于既有裂缝；加固虽补偿了刚度与强度损失，但未能恢复初始破坏模式，注浆环氧等方法或有效，且应恢复混凝土与钢筋间粘结，可作为未来研究。
