探討火災后混凝土結構損傷檢測與常見處理方法

陽 丹，楊 虹，何 凌

(西華大學建筑與土木工程學院，四川成都610039)

一方面應做好預防火災的各項工作，防止發生火災;另一方面發生火災后，應當及時、有效地對火災后建筑物進行補救，減少火災帶來的損失。因此，災后建筑物的損傷檢測與處理工作的重要性就越來越突出。

本文從火災對混凝土結構的破壞機理、火災損傷、火災后混凝土結構的損傷檢測、修復和加固四個方面，探討了火災后混凝土結構損傷檢測與處理這一過程。

1 火災對混凝土結構的破壞機理

從混凝土本身看，混凝土是以水泥為膠凝材料，加粗骨料(石子)、細骨料(砂)、摻和料、外加劑等用水拌和，硬化而成的人工石。它在火作用下的機理可歸納為以下三個方面［2］:第一，表面受火處溫度升高比內部快，內外溫差引起混凝土開裂?；馂臅r，混凝土中各種水分迅速汽化，體積明顯膨脹，沖破障礙迅速逃逸，導致強度下降;第二，水泥石受熱分解，使膠體的粘結力破壞，出現裂縫，表面發毛、起砂、呈蜂窩狀、出現龜裂、邊角潰散脫落等現象;第三，骨料和水泥石間的熱不相容，水泥石受拉，骨料受壓，導致應力集中和微裂縫的開展。概括說，火災區混凝土在受熱后因水泥石收縮變形而產生的內應力和由于火災升溫、降溫階段的溫度分布不均勻所產生的溫度應力等，使其燒傷區內微觀結構發生一系列的變化，導致混凝土內部出現微細裂縫，降低了混凝土強度，增大了其塑性變形。

從鋼筋本身來看，受兩方面影響。第一，鋼材的力學性能隨溫度的不同而變化。溫度在150℃以下時，鋼材的屈服強度、抗拉強度、彈性模量變化不大。溫度在250℃左右時，鋼材抗拉強度反而提升，但是沖擊韌性變差，此溫度范圍內破壞呈現脆性特征。溫度達到300℃左右時，鋼材屈服強度、抗拉強度、彈性模量開始顯著下降，鋼材產生徐變。當溫度達到500℃左右時，鋼材的性能已經不能滿足建筑結構的要求。第二，火災溫度對各種不同類型的鋼筋的影響也各不相同。對于熱軋鋼筋，600℃以前屈服強度下降平緩，降幅在10%以內，600℃以后降幅加快，降幅在10% ～30%之間。對于預應力鋼筋，在300℃以后，強度降低較快，600℃時降低50%。對于冷軋鋼筋，在420℃以前，屈服強度沒有降低，420℃以后線性降低。因此，鋼筋在高溫時的強度大大低于高溫冷卻后的強度，且在全荷載的情況下失去靜態平衡穩定性的臨界溫度為540℃左右。在1400℃時，鋼筋進入液態，失去了抵抗荷載的能力。

從鋼筋與混凝土的粘結力方面看，火災后鋼筋與混凝土的粘結力變化取決于溫度的高低、鋼筋的種類、混凝土骨料的種類以及冷卻的方式［5］等條件。鋼筋與混凝土間的粘結力隨溫度升高越高降低越大;對光圓鋼筋的影響比帶肋鋼筋更為突出，其粘結力損失較帶肋鋼筋的大;石灰石骨料比花崗石骨料粘結力損失大;噴水冷卻比自然冷卻粘結力損失大。

2 火災損傷

火災損傷大致可以分為下列四類:①輕度損傷:在局部范圍內的表面損害，邊沿剝落和產生裂縫;②中度損傷:結構部件沒有塑性變形，但有嚴重的截面損害以及鋼筋強度降低;③嚴重損傷:承重構件部分或完全失去作用;④化學損傷:目前最重要的情況是聚氯乙烯燃燒氣體對混凝土結構的侵蝕。

建筑火災一般分三個階段，即成長期、旺盛期、衰減期，其中對建筑結構損傷最為嚴重的是火災的旺盛期階段?；馂闹谢炷翗嫾怯捎谄鋬炔繒纬筛鞑幌嗤臏囟葓?，并產生不同的物理和化學反應從而造成損傷的。火災持續時間和溫度直接影響建筑物的承載能力，故判斷損傷結構的火災溫度十分重要。主要根據火災調查訪問、現場可燃物的燃點、燃燒時間、殘留物燒損特征、結構構件表面特征以及燒損情況，結合前述火災對建筑結構的影響原理，可分別推斷輕度損傷區、中度損傷區、嚴重損傷區的溫度。通常首先通過目測構件表面燒損情況，根據其不同的燒損程度來估計火災溫度。文獻［6］中把損傷程度和溫度的關系歸納為以下情況:(1)輕度損傷:抹灰層、飾面磚、混凝土表面基本完好，無裂縫空鼓，混凝土表面顏色同常溫或稍泛白，此時火災溫度在400℃以下;(2)中度損傷:抹灰層或飾面磚基本剝落或者大面積空鼓，構件表面出現裂縫或者局部損傷，混凝土表面顏色為灰白，此時溫度約在600℃以內;(3)嚴重損傷:保護層爆裂脫落，裂縫多、鋼筋外露，混凝土表面顏色為暗紅粉紅，此時溫度約在800℃;更甚之，混凝土疏松，強度已全部喪失，外露鋼筋扭曲變形甚至氧化，混凝土表面顏色為紅色，此時溫度應該在800℃以上。

3 火災后混凝土結構的損傷檢測

當建筑物遭受到火災后需要通過現場檢測了解受災程度，來判別建筑物還能否繼續使用，如何處理，是否需要加固等等。

(1)取芯法:是檢測未受損混凝土強度較直接和較精確的方法，但對于火災混凝土，有時因為構件太小或破壞嚴重(強度＜10MPa)，難于獲得完整的芯樣。其次，由于火災混凝土損傷由表及里呈層狀分布，所獲芯樣很難說具有代表性，確定的剩余強度只是構件的平均強度，只能作定性分析，不能定量分析。

(2)拉拔法:通過專門的工具錨入混凝土中，通過抗壓強度推算抗拉強度以評定其質量。它是一種簡單易行，又能保證足夠精度的檢測方法，是一種介于無損檢測方法和鉆芯法之間的檢測方法。

(3)紅外熱像法:是把來自目標的紅外輻射轉變成可見的熱圖像，通過直觀的分析物體表面的溫度分布，推定物體表面的結構狀態和缺陷，并以此判斷材料性質和受損情況的一種無損檢測方法。將它應用于火災后混凝土的檢測，可相當精準地得到混凝土的受火溫度和殘余強度，但檢測結果受環境影響大。

(4)電化學分析法:混凝土在遭受高溫(火災)作用時，水泥水化產物會脫水分解，尤其是Ca(OH)2在高于400℃時會脫水形成CaO，導致混凝土中性化?；炷猎诟邷剡^程中水泥水化產物的一系列物理化學變化，在電化學性能方面表現為混凝土表面電勢降低，火災損傷混凝土中性化將導致其內部鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋銹蝕電流增大。電化學方法正是通過現場檢驗火災混凝土的表面電勢來判定其損傷程度。

(5)色譜分析法:是一種在色調值和所遭受的溫度及受損深度之間建立關系，從而只需檢測構件樣本的色調值即可推知經歷火災的溫度和受損深度的一種無損檢測方法。顏色分析法所用到的儀器及相關配套的工具和軟件價格較高，所以這種檢測方法很難在我國推廣普及。

(6)超聲波脈沖法:是根據超聲波在混凝土內部傳播速度的改變定性地說明混凝土結構某部位的燒損程度，進而說明該部位的受火溫度的高低。該法應用廣泛，但超聲波脈沖法對混凝土構件表面的平整度等方面要求較高，不便于大批量檢測。

以上介紹的幾種檢測方法都有各自的特點和精度，在火災后混凝土結構的實際檢測工程中，應根據具體情況，采用兩種或兩種以上能相互彌補的檢測方法相結合，以便做出科學的鑒定和評估。

4 混凝土結構的加固和修復

4.1 受損構件的修復加固原則

首先，必須對已有結構進行檢查和可靠性鑒定分析，全面了解已有結構的材料性能、結構構造和結構體系以及結構缺陷和損傷等結構信息，分析結構的受力現狀和持力水平，為修復加固方案的確定鑒定基礎。在確定修復加固方案時，不應有以下兩種傾向:

(1)掉以輕心。認為火災后構件并未完全喪失承載力，未考慮火災隱患對構件長期使用的影響，不予認真處理。

(2)過于保守。任意加大處理范圍，任意決定“打掉重建”。其實，“打掉重建”有時是不安全的，比如連續梁，隨意打掉某一跨就會對相鄰跨的內力產生內力重分布。

其次，要確保施工質量。由于修復加固的構造及施工方法與正常建設時不同，故必須強調精心施工，確保質量。

4.2 常見加固處理方法

對火災后混凝土的損傷程度采用不同的加固方法:

(1)對于輕度損傷，只要除去松弛的混凝土部分，再進行填補，做好混凝土表面，以保證鋼筋不受銹蝕。

(2)對于中度損傷，應小心地去除損害的混凝土層。這種混凝土層從火燒的顏色即可看出，不必對其強度作精確的測定，而火燒顏色因混凝土的組成和達到的溫度不同而有差異。一般來說，受損的混凝土呈儲紅色，首先，最好利用噴砂將存留的混凝土表面清洗干凈并弄粗糙。然后，配置鋼筋或采用粘結鋼和玻璃鋼加強新、舊混凝土之間的結合。最后，采用噴射混凝土或者模板澆注。

(3)對于嚴重損傷，應該根據現場情況處理，常常需要局部加固或拆掉重建。

①柱子的加固:首先敲除表面抹灰，然后采用外包鋼加固，最后重新進行粉刷。

②梁的加固:首先用鋼管支撐以排除險情，每根梁設置兩根鋼管支護，鋼管應上下對齊，兩端采用鋼板封閉，下墊方木。對已明顯撓曲的梁，應采用千斤頂給梁反向加荷卸載。千斤頂的頂升荷載根據現場梁上荷載確定，使其頂升位移滿足卸荷要求。然后鑿除受損混凝土，再用膠泥砂漿對其表面進行找平，最后對其進行粘鋼加固處理。

(4)對于化學損傷，在一些貯存聚氯乙烯塑料制品及大量采用高分子材料裝修的火災現場，當溫度達到120℃時，聚氯乙烯便分解，同時分離出氣態鹽酸，鹽酸同滅火撲救的消防水蒸氣混合形成鹽酸霧，凝結在鋼筋混凝土結構上，氯化物對鋼筋產生化學損害，使結構強度降低。對此種損害的加固除通過機械鏟除進行修復外，近些年來，經常采取“石灰修復法”，這種方法是在不出現結構火災損害情況下，將石灰糊漿一層一層地涂在清除了炭黑和臟污的混凝上表面上，等石灰糊干燥時，再把化學腐蝕物質氯化物吸出，然后隨干燥的石灰層一同除去，這樣可以將殘留的氯化物含量降低到極限值以下，從而提高結構強度。

建筑結構火災后的修復加固處理要比普通工程加固處理復雜得多，尤其是加固的施工質量是修復加固處理的關鍵。加固時，構件應處于卸荷狀態下，主梁及次梁底需設置支撐，支撐必須從底層直至頂層。鏟除原梁、柱、板粉刷面層時，必須從頂層開始逐層向下。構件的加固應從底層開始，然后逐層向上。每層構件的加固施工順序為先加固柱，然后主梁、后次梁，最后澆筑樓層疊合層。

5 結束語

為了有效控制和減小火災對建筑物的危害應準確掌握建筑物在遭遇火災后的結構狀況。因此，火災發生后，應對建筑物在火災中的受損情況進行現場調查，并對火災后的結構性能進行檢測，針對不同受損程度的部位應制定相應的加固處理方法，以保證結構的安全。隨著技術水平的提高，普通混凝土正逐步向纖維混凝土和輕質高強混凝土發展，對于火災后該類混凝土結構的破壞機理與損傷檢測與處理方法，還有待深入探討。

［1］CECS 252:2009火災后建筑結構鑒定標準［S］

［2］牛忠江.火災對某建筑結構的影響及損壞鑒定探討［J］.貴州工業大學學報(自然科學版)，2006(5)

［3］朱伯龍.房屋結構災害檢測與加固［M］.上海:同濟大學出版社，1995

［4］張立人.建筑結構檢測、鑒定與加固［M］.武漢理工大學出版社，2003

［5］http://www.233.com/jiegou/jichu/zhidao/20080415/115724362.html［OL］

［6］蔡廣諱.某商場火災后的結構安全性檢測鑒定分析［J］.質量檢測，2008(10):37－40

［7］吳波.火災后鋼筋混凝土結構的力學性能［M］.科學出版杜，2003

［8］沈蓉，風凌云，戎凱.高溫(火災)后鋼筋力學性能評估［J］.四川建筑科學研究，1991(2)

［9］曾躍飛.火災后鋼筋混凝土的損傷評估與鑒定研究［D］.重慶大學，2006

［10］吳啟祥，盧亦焱，黃銀燊.某建筑結構火災后的加固處理［J］.防災減災工程學報，2006，26(1)