火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)檢測方法評述

潘一平 王仕匯

近年來建筑火災(zāi)的發(fā)生日益頻繁，給人類的生命和財產(chǎn)造成的損失也越來越大。在各類建筑結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占有很大比重。由于混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的耐火性，火災(zāi)后通常不會燒毀倒塌，但是混凝土和鋼筋在經(jīng)歷高溫作用后，其材料性能將發(fā)生嚴(yán)重惡化，強度值和彈性模量值銳減，變形猛增，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生劇烈的內(nèi)力重分布，從而使結(jié)構(gòu)的性能大大削弱，因此，火災(zāi)后應(yīng)及時對受損建筑進行科學(xué)、合理地損傷鑒定，并根據(jù)鑒定結(jié)果制定受損結(jié)構(gòu)的合理修復(fù)加固方案，對確保火災(zāi)后修復(fù)加固結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。

1 火災(zāi)溫度的判定

1.1 火災(zāi)溫度的估算

火場的溫度—時間關(guān)系可根據(jù)火荷載的密度、可燃物特性、受火墻體及樓蓋的熱傳導(dǎo)特性、通風(fēng)條件及滅火過程等按燃燒規(guī)律進行室內(nèi)溫度分析。這種方法雖然可以綜合反映影響火災(zāi)過程和火災(zāi)溫度的很多因素，但是確定這些影響因素十分困難，在實際應(yīng)用中常常受到限制。

目前廣泛應(yīng)用的溫度預(yù)測方法是采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，其解析表達式為:

其中，T為火災(zāi)開始后t min時室內(nèi)溫度;T0為常溫，20℃;t為火災(zāi)時間，min。

實際上火災(zāi)區(qū)域內(nèi)各分區(qū)的溫度是不同的，在同一分區(qū)內(nèi)，構(gòu)件所處的位置不同，構(gòu)件的不同表面其溫度也有顯著差異。因此，應(yīng)在分析溫度—時間的理論關(guān)系基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，對火災(zāi)進行溫度分區(qū)，并分析構(gòu)件所受溫度。

1.2 火災(zāi)溫度的實際判定方法

1)根據(jù)現(xiàn)場殘留物判定火災(zāi)溫度。不同的材料，其變態(tài)溫度、燃燒點各不相同。現(xiàn)場殘留物判定是根據(jù)建筑物內(nèi)材料的燒損情況判定建筑物內(nèi)各部位的溫度。文獻［1］給出了各種材料的燃燒特性，根據(jù)各種物質(zhì)的燃燒特性，可分析判斷室內(nèi)混凝土構(gòu)件所受的溫度情況。

2)根據(jù)構(gòu)件外觀判定火災(zāi)溫度。混凝土結(jié)構(gòu)的外觀在受到火災(zāi)高溫作用后會發(fā)生一系列的變化，當(dāng)溫度不超過300℃時，混凝土表面僅看見黑煙;當(dāng)溫度在300℃～600℃時，混凝土表面會逐漸變色，由粉紅色加深到鐵銹紅;當(dāng)溫度從600℃上升到700℃～800℃時，混凝土表面顏色逐漸泛黃，由淺黃色到土黃色;當(dāng)溫度超過800℃以后混凝土表面顏色開始由土黃色變到灰白。混凝土受到高溫作用后，其表面會生成許多網(wǎng)狀裂縫，特別是當(dāng)混凝土達到臨界溫度580℃后，其表面會產(chǎn)生大量裂縫，并發(fā)生爆裂和露筋現(xiàn)象。因此，構(gòu)件外觀判定就是根據(jù)火災(zāi)后構(gòu)件表面的顏色，開裂，脫落等外觀特征分析判定火災(zāi)溫度。

2 混凝土損傷檢測方法

2.1 錘擊法

遭受火災(zāi)(高溫)作用的混凝土，其錘擊聲音比普通混凝土沉悶，但是這種方法主要是檢測人員依靠經(jīng)驗，受人為因素影響較大，同時其結(jié)果與檢測人員所錘擊的部位也有很大的聯(lián)系，因此其結(jié)果只能作為一種參考。

2.2 小芯樣檢測法

取芯法是混凝土現(xiàn)場檢測中公認的較精確的方法，其檢測結(jié)果也是校核其他檢測結(jié)果的基準(zhǔn)。火災(zāi)后混凝土的受損厚度一般為25mm～60mm左右，需要檢測的是位于受損層的平均強度，因而在火災(zāi)后混凝土的現(xiàn)場檢測中，小芯樣檢測具有很大的實用價值。但是，從結(jié)構(gòu)中取出的芯樣往往是長短不齊，且平整度與垂直度往往也不滿足要求，需要對從結(jié)構(gòu)中取出的芯樣進行加工打磨，這樣就破壞了芯樣受損層的完整性。對于受火災(zāi)影響嚴(yán)重的構(gòu)件，其表面混凝土已脫落，或在鉆取芯樣的過程中脫落，也會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.3 回彈法和超聲回彈綜合法

回彈法和超聲回彈綜合法是對一般建筑物普通混凝土抗壓強度進行評定的方法，在我國混凝土工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且制定了相應(yīng)的國家技術(shù)規(guī)程［2，3］，建立了專用的測強曲線和計算公式，但是在規(guī)程中明確規(guī)定這兩種方法不適用于火災(zāi)后混凝土抗壓強度的判定。

文獻［4］對硅質(zhì)骨料和鈣質(zhì)骨料共計184個100 mm× 100 mm×300 mm的混凝土棱柱體試件進行了試驗研究，試件受火溫度分別為100℃，300℃，500℃，700℃，900℃，為了使試件內(nèi)外溫度保持一致，試件受火時間設(shè)定為6 h，采用噴水冷卻和自然冷卻兩種冷卻方式將經(jīng)歷高溫后的混凝土冷卻至室溫。根據(jù)試驗結(jié)果建立了利用回彈法測定火災(zāi)后混凝土抗壓強度的測強公式(式(1)和式(2))和利用超聲回彈綜合法判定火災(zāi)后混凝土強度的測強公式(式(3))。文獻［5］對應(yīng)用回彈超聲法評定火災(zāi)(高溫)后靜置混凝土的抗壓強度進行了試驗研究，根據(jù)高溫后混凝土的抗壓強度與回彈值的關(guān)系和高溫后混凝土抗壓強度與超聲波速的關(guān)系，得出了適合火災(zāi)(高溫)后靜置的混凝土專用測強公式。

硅質(zhì)骨料:

鈣質(zhì)骨料:

根據(jù)火災(zāi)后混凝土的專用測強曲線和計算公式，就可以運用回彈法和超聲回彈法進行火災(zāi)損傷檢測。

2.4 紅外熱像法

紅外輻射是由原子或分子的振動或轉(zhuǎn)動引起的，自然界中任何溫度高于絕對零度的物體都能輻射紅外線，一般材料的溫度與紅外輻射功率的關(guān)系為:

紅外熱像就是把來自目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變成可見的熱圖像，通過直觀的分析物體表面的溫度分布，推定物體表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和缺陷，并以此判斷材料性質(zhì)和受損情況的一種無損檢測方法。混凝土材料在遭受高溫作用或?qū)l(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，不同的受火溫度、持續(xù)時間，將造成不同程度和深度的損失，導(dǎo)致混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，從而引起材料熱傳導(dǎo)性能的變化，導(dǎo)致紅外輻射隨受損情況不同而各異，并形成不同特征的紅外熱圖像。因此，通過分析火災(zāi)后混凝土的熱圖像特征，即可評定火災(zāi)后混凝土的受損情況。文獻［6］根據(jù)試驗結(jié)果建立了紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強度損失的檢測模型，通過此模型可評估混凝土的損失程度，為火災(zāi)后建筑物的修復(fù)加固提供科學(xué)依據(jù)。

2.5 熱分析方法

熱分析方法是根據(jù)混凝土受熱時發(fā)生一系列的不可逆物理、化學(xué)變化，通過對災(zāi)后材料再受熱的表現(xiàn)特性來判定混凝土在火災(zāi)中所受的溫度范圍。熱分析法分為差熱分析法(DTA)、差示掃描法(DSC)和熱重分析法(TGA)。差熱分析(DTA)是在程序控制溫度下，測量試樣和參比物的溫度差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。這里的參比物是指在一定溫度下不發(fā)生分解、相變破壞的物質(zhì)。當(dāng)試樣發(fā)生了某種物理、化學(xué)變化時，所釋放或吸收的熱量使試樣溫度高于或低于參比物的溫度，從而在相應(yīng)的差熱曲線上可得到放熱峰或吸熱峰。差示掃描法(DSC)與差熱分析相似，只是在程序控制溫度下，測量的是輸入到被測物和對比物的功率與溫度關(guān)系。熱重分析法(TGA)是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)重量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。當(dāng)試樣發(fā)生了某種物理、化學(xué)變化時，由于物相變化，例如水分、CO2的釋放和吸收，將導(dǎo)致試樣的失重或增重，從而建立了試樣重量變化與溫度的關(guān)系。文獻［7］運用DTA方法分析了火災(zāi)后結(jié)構(gòu)混凝土的損傷深度，并用鉆心法檢測受檢構(gòu)件的混凝土強度，從而驗證了DTA方法檢測火災(zāi)后混凝土損傷深度的可靠性。

2.6 電化學(xué)分析法

混凝土結(jié)構(gòu)物在遭受高溫(火災(zāi))作用時，水泥水化物會發(fā)生一系列相變，Ca(OH)2在450℃～500℃下會失水形成CaO，從而導(dǎo)致混凝土的中性化。當(dāng)混凝土中性化深度抵達鋼筋表面時，鋼筋附近堿性降低，鋼筋表面的鈍化膜逐漸破壞，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。上述過程是一個電化學(xué)過程，因此通過檢測鋼筋銹蝕電勢，鋼筋銹蝕電流密度和混凝土電阻率等電化學(xué)檢測參數(shù)，分析混凝土中性化程度和鋼筋鈍化膜狀態(tài)，利用文獻［8］提出的判定準(zhǔn)則和輔助分析模型，可診斷和評估鋼筋遭受的溫度是否大于500℃，進而推定火災(zāi)對鋼筋機械性能損傷的情況;同時，還可診斷和評估火災(zāi)后混凝土中性化的深度是否大于保護層厚度。

2.7 色譜分析法

色譜分析法是一種在色調(diào)值和所遭受的溫度及受損深度之間建立關(guān)系，從而只需檢測構(gòu)件樣本的色調(diào)值即可推知經(jīng)歷火災(zāi)的溫度和受損深度的一種無損檢測方法。

文獻［9］分別用摻加了粉煤灰、高爐礦渣和無任何摻合料的三種混凝土做試驗，試驗結(jié)果表明，無論經(jīng)歷高溫與否，混凝土的色調(diào)都集中在0～39，而40～255為0;兩種狀態(tài)混凝土的色調(diào)值在分布上有很大差異，受高溫(350℃)混凝土的色調(diào)集中在10～19，20～29區(qū)間陡降，而未受損混凝土則相反;兩種混凝土之間表現(xiàn)的這種差異受混凝土中某些礦物成分的影響不大。

但是文獻［9］并沒有排除骨料對試驗結(jié)果的影響，因為在實際檢測的樣本中通常都含有骨料，所以以取砂漿為宜。另外，顏色分析法所用到的儀器及相關(guān)配套的工具和軟件價格不菲，所以這種檢測方法很難在我國推廣普及。

3 結(jié)語

以上介紹的幾種火災(zāi)后結(jié)構(gòu)遭受的火災(zāi)溫度和混凝土強度損傷的幾種檢測方法，都有各自的特點和精度。在火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的實際檢測工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況，采用兩種或兩種以上能相互彌補的檢測方法相結(jié)合，以便做出科學(xué)的鑒定和評估，這也是火災(zāi)后混凝土檢測技術(shù)發(fā)展的趨勢。

［1］ CECS 252∶2009，火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ CECS 02∶88，超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］ JGJ/T 23-92，回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ 閻繼紅，胡云昌，林志伸.回彈法和超聲回彈綜合法判定高溫后混凝土抗壓強度的試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2001，31 (12):46-47.

［5］ 呂天啟，趙國藩，林志伸，等.應(yīng)用回彈超聲方法評定火災(zāi)高溫靜置混凝土抗壓強度的試驗研究［J］.混凝土，2002，154 (8):21-23.

［6］ 杜秀紅，張 雄，韓繼紅.混凝土火災(zāi)損傷的紅外熱像檢測與評估［J］.同濟大學(xué)學(xué)報，2002，30(9):1078-1082.

［7］ 韓繼紅，張 雄.運用DTA方法分析火災(zāi)結(jié)果混凝土損傷深度［J］.工程質(zhì)量，2000(3):33-34.

［8］ 杜秀紅，張 雄.火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的電化學(xué)檢測與評估［J］.建筑材料學(xué)報，2006，9(6):660-665.

［9］ Short NR.Assessmentof fire damaged concrete using colour image analysis［J］.Construction and Building Materials，2001 (15):9-15.