恒壓鉆入法檢測火后混凝土損傷程度的可行性研究

邱振寧 陸洲導 商興艷

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092)

1 引言

火災導致混凝土構件溫度升高并由此產生材性劣化。高溫作用后，混凝土的抗壓、抗拉以及彈性模量均會發生明顯的變化。由于混凝土較差的熱傳導性，實際火災中，混凝土構件會形成外熱內冷的溫度場。因此，混凝土構件的損傷是一個與火場溫度、受火時間以及空間位置有關的變量。一般情況下趨勢是:距離受火表面越近，損傷越嚴重，距離受火表面越遠，損傷越輕。如何反映這種損傷的特點，是混凝土結構火后評估的重要內容。

火后混凝土損傷的檢測方法可以分為力學性能檢測法與非力學性能檢測法。

常規的回彈法、劈拉法、軸壓法和超聲波法屬于力學性能檢測法。混凝土的質量檢測往往針對材料的三項力學指標，即抗壓強度、抗拉強度與彈性模量。如回彈法反映混凝土的表面硬度，它與混凝土抗壓強度、抗拉強度密切相關;劈拉試驗反映混凝土的抗拉強度;軸壓試驗反映混凝土的單軸抗壓強度;超聲波在混凝土中傳播的速度反映混凝土的密度，它與混凝土強度、彈性模量有關。這些方法被廣泛地應用于既有結構物的評估[1-2]。

火災中的混凝土構件截面上存在溫度梯度，損傷程度不同。然而，回彈法只能反映混凝土表層的情況;超聲波可以穿越受損程度不同的混凝土區域，但最終只能得到一個綜合的首波時間;芯樣的劈拉試驗和軸壓試驗每次只能得到一個數據。因此，傳統的力學性能檢測法不能反映損傷隨深度的變化。如Logothetis L和Economou C[3]通過將一批試件加熱到不同溫度，測試其受熱前后的混凝土強度、回彈值和超聲波速，得到它們與溫度的關系，進而推出不同溫度下回彈值、超聲波速分別與殘余混凝土強度的關系。Dilek U[4]通過超聲波法和芯樣法現場檢測火災后的混凝土墻。Yang H等[5]通過試驗得出超聲波速和混凝土殘余強度的關系，擬合出混凝土殘余強度的計算公式。

非力學性能檢測法可以對不同截面深度的混凝土進行采樣，了解損傷沿深度的變化。高溫下，混凝土會發生多種物理與化學性能的變化，這些變化綜合反映了混凝土的力學性能。研究者們針對這些物理化學變化與溫度之間的關系進行了研究。新加坡Chew教授[6]對熱釋光法進行了較詳盡的研究，在受損構件上取10 mm直徑芯樣，測量混凝土中礦物熱釋光強度，以確定礦物經歷的最高溫度，通過逐步深入取樣完成對構件深度方向溫度變化的評估。Short等[7]采用色像分析來定量判斷混凝土溫度，研究發現0～19及20～29頻段范圍內的混凝土光譜同受火溫度有明顯的相關關系。這些非力學性能檢測法雖然能反映損傷隨深度的變化，但它們多是建立某單一物理或化學指標與溫度的關系，不能直接反映混凝土力學性能的變化。

為了彌補現有混凝土損傷檢測方法的不足，本文采用改造的鉆芯機恒壓鉆入火后損傷的混凝土，力圖建立鉆入速度與混凝土受火強度變化之間的關系，并以此來反映混凝土損傷在深度方向上的變化。

2 試驗概況

恒壓鉆入法的特點是通過記錄鉆入速度的變化，來確定混凝土的損傷變化，試驗在同濟大學抗火試驗室進行。由于損傷程度最終還是要以混凝土的力學指標(抗壓強度、抗拉強度和彈性模量)體現出來，因此，本文的研究主要針對兩個方面:①鉆入速度與混凝土經歷的最高溫度的關系;②鉆入速度與抗壓強度、劈拉強度、彈性模量以及燒失量的關系。

2.1 鉆芯機的選擇與改造

首先選擇合適的鉆芯機。傳統的混凝土鉆芯方法，往往將鉆芯機通過螺栓固定在混凝土構件(柱、墻、梁)的側立面，形成一個自平衡固定系統。然而，受火后混凝土的面層疏松，螺栓難以固定。另外，這種側立面的固定方法難以穩定地施加荷載。基于以上的考慮，本文選擇的鉆芯機如圖1所示。此鉆芯機屬于可臨時安裝的鉆芯機，包括鉆頭、發動機、可伸縮鋼管和底座等。使用時，工作人員將螺栓植入地面，固定底座。然后將一根可伸縮的鋼管與底座連接。為了保證鉆芯的穩定性，工作時鋼管伸長，支撐在房間頂部的樓板或梁的底部，形成多點固定的模式。鉆芯機的規格為額定電壓220 V，輸入功率3900 W，空載轉速700 r/min。

為了保證鉆筒能以恒定的壓力鉆入混凝土表面，筆者對鉆芯機進行了改造，拆除機器自帶的手柄，將直徑30 cm的金屬滑輪固定在機器的傳動軸。通過鋼絲繩懸掛重物，給鉆頭施加恒定的荷載。

對鉆頭進行改造，安裝水平儀及激光測距儀。通過水平儀，保證鉆入的水平度，減少鉆筒與混凝土之間的摩擦。激光測距儀用來測量鉆管的鉆入速度。

圖1 改造的鉆芯機(單位:mm)Fig.1 Modified core drill machine(Unit:mm)

室內火災中，溫度在房間高度方向上變化劇烈，造成混凝土沿高度方向的損傷程度的不同。通過調節鋼管上鉆頭的高度，可以方便地進行柱、墻的混凝土損傷變化的檢測。

2.2 試件制作

制作48個100 mm×100 mm×150 mm的棱柱體試塊，試件采用細石混凝土，配合比為1:1.55:3.61:0.51(水泥:砂子:細石:水)。水泥為 425 普通硅酸鹽水泥，檢驗合格;砂子為細砂，細石最大粒徑為10 mm;水是普通自來水，配合強度為C30。

混凝土拌合和澆注時采用插入式振搗器振搗，室內自然養護28 d。

2.3 升溫試驗

采用電爐升溫，升溫速率為10℃/min，在20～700℃之間，分為8個溫度等級，分別為20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃。試件六面加熱。升溫到指定溫度后，恒溫三個小時，認為混凝土內外受熱均勻，損傷情況基本一致。高溫作用后，試件在空氣中自然冷卻。

2.4 試驗現象

經高溫處理后的試件，隨著最終受熱溫度的上升，表面顏色發生變化，且多有不規則的細微裂縫。混凝土試塊在300℃以下時，顏色與常溫下基本相同;400～500℃時，顏色呈現輕微的淺紅色，出現細紋裂縫;500～700℃時，顏色呈淺黃灰色，出現較明顯的裂紋。

2.5 高溫后混凝土燒失量測量

高溫使得混凝土中的自由水蒸發，當溫度達到一定值時，水泥水化物會分解失去結晶水，混凝土中的碳酸鈣分解產生二氧化碳，從而重量減輕。采用TC30K型電子稱稱量高溫作用前后混凝土試塊的重量，分辨率是0.1 g，其結果如表1所示。

2.6 高溫后混凝土超聲波試驗

高溫作用后，對冷卻的混凝土試塊進行超聲波的對測試驗。對測距離為100 mm。記錄超聲波的首波穿越混凝土所用的時間。其結果如表1所示。

2.7 高溫后混凝土的回彈試驗

高溫作用后，將冷卻的混凝土試塊放置于壓力機的夾頭之間，施加40 kN的軸力，用于固定試塊。采用回彈儀(洛氏硬度60的鋼砧上彈擊數值為80)對混凝土表面進行回彈，記錄的數據如表1所示。

2.8 恒壓鉆入法試驗

分別對各個受火工況的棱柱體試塊進行恒壓恒速鉆入試驗，首先，將混凝土試塊固定在反力墻上。然后，將鉆芯機的立柱固定在試驗臺座。將14.25 kg的重物系在滑輪的繩索上，對鉆入的芯樣施加的軸向力。選取14.25 kg的重物可以保證鉆速比較適中，易于控制，是反復嘗試的結果。通過秒表計時，每隔15 s記錄激光測距儀讀數。每個棱柱體鉆取芯樣1只。鉆入試驗完成后，得到了不同溫度工況的混凝土芯樣，共計48個。每個溫度工況6個芯樣，用于混凝土受壓與劈拉試驗。

2.9 混凝土芯樣的力學試驗

對鉆芯機鉆取的芯樣進行加工。芯樣的平均直徑為75 mm，進行兩端處理后，芯樣長度平均值為100 mm。采用微機控制電液伺服液壓萬能試驗機對芯樣進行加載，見圖2。每個溫度工況三個芯樣，得到三個軸壓強度。表1中軸壓強度的數值為平均值。

對鉆取的芯樣進行劈拉試驗，見圖3。每種溫度工況三個芯樣。表1中劈拉強度的數值為平均值。

圖2 軸壓試驗Fig.2 Axial compression test

圖3 劈拉試驗Fig.3 Splitting tensile test

3 試驗數據分析

對高溫作用后的混凝土試塊進行燒失量檢測、回彈試驗、超聲波試驗和恒壓恒速沖擊鉆試驗，然后對鉆出的芯樣進行軸壓試驗和劈拉試驗，試驗結果如表1所示。

由表1可知，除300℃工況外，芯樣的鉆入速度隨溫度的升高而不斷增大。當溫度為600℃時，鉆入速度是常溫下的1.9倍。溫度達到700℃時，鉆入速度是常溫下的3.9倍。可見，混凝土的受熱溫度達到700℃時，鉆入速度的增幅明顯增大。圖4給出了不同溫度下鉆速的平均值(用圖中的條帶表示)和標準差(用條帶上的直線表示)。表2中列出了不同溫度下鉆速的標準差和變異系數。鉆速的變異系數從0.17(400℃)變化到0.37(20℃)。

表1 不同溫度作用后試塊的試驗結果Table 1 Test results of speciemns after different temperatures

表2 標準差和變異系數Table 2 Standard deviation andvariation coefficient

圖4 不是溫度下鉆速平均值和標準差Fig.4 Average values and standard variations of ROP

與常溫時相比，溫度較高時鉆速的變異系數較小，說明數值的離散性較低。

將鉆速的平均值與溫度的關系線性擬合，如圖5 所示，相關系數是0.8 4，大于0.7 5，說明鉆速和溫度有很強的相關性，可以較好地反映出混凝土溫度的變化。

圖6給出了劈拉強度、抗壓強度、回彈值、超聲波速和鉆速的倒數(單位長度的鉆入時間)的歸一化值與溫度的擬合曲線。從圖中可知，本次試驗中，高溫作用后混凝土抗壓強度的降幅(擬合曲線斜率)明顯低于抗拉強度[8-9]，鉆速的降幅與抗壓強度相同。對于以上現象，可以作如下解釋。高溫作用后，混凝土發生了多種物理與化學成分的變化，并導致了大量裂縫的產生，最終導致其力學性能降低。單軸抗壓試驗中，混凝土中的裂縫在壓力的作用下閉合，使得損傷部分愈合，劈拉或軸拉試驗則不會出現這種現象，在拉力的作用下，混凝土中的裂縫會進一步擴展，加速了混凝土構件的破壞。鉆速的降幅與受壓強度相同，反應的混凝土損傷情況同受壓強度，原因可能也與裂縫有關，還有待進一步的分析研究。

從圖6還可以看出，回彈值、燒失量倒數的降幅與抗壓強度的降幅相同，超聲波速的降幅介于抗壓強度和抗拉強度之間，這說明它們都能反映混凝土的損傷，但由于使用上的局限，這些方法都很難用于評估混凝土的受火損傷隨深度的變化情況。

圖5 鉆速與溫度的擬合曲線(R=0.84)Fig.5 Linear fitting of ROP and temperature(R=0.84)

圖6 試驗結果歸一化值與溫度的關系Fig.6 Relationship betwen normalized values of test results and temperatures

將鉆速的倒數與兩種強度進行線性擬合，如圖7和圖8所示，均為歸一化后的值。抗壓強度和鉆速倒數的相關系數是0.882，劈拉強度和鉆速倒數的相關系數是0.907，均大于0.75，說明鉆速倒數和這兩種強度之間均具有很好的線性相關性，即鉆入速度可以很好地反映出混凝土強度的變化。

由上文可知，恒壓恒速鉆入法的鉆入速度隨混凝土溫度的升高而升高，與混凝土材性損傷的趨勢一致，說明恒壓恒速鉆入法可以直接反映高溫后混凝土材性的損傷情況，即混凝土的抗壓強度、抗拉強度的降低。在實際工程中，通過觀察鉆入速度的變化，可以反映混凝土損傷隨深度的變化情況。

圖7 抗壓強度與鉆速倒數的線性擬合(R=0.882)Fig.7 Linear fitting of compressive strength and reciprocal of ROP(R=0.882)

圖8 劈拉強度與鉆速倒數的線性擬合(R=0.907)Fig.8 Linear fitting of splitting tensile strength and reciprocal of ROP(R=0.907)

4 結論

通過對普通的鉆芯機進行改造，筆者研制了恒壓鉆芯機，并進行了8個溫度工況的混凝土試件的試驗。試驗內容包括高溫作用后混凝土的燒失量檢測、回彈試驗、超聲波速試驗和恒壓鉆入試驗，以及芯樣的軸壓試驗和劈拉試驗。研究表明，恒壓鉆入法的鉆速與混凝土的受火溫度存在明確的關系，對溫度的敏感性同混凝土的軸壓強度;單位長度的鉆入時間(鉆速的倒數)與混凝土的抗壓強度與抗拉強度存在近乎線性的關系。這說明恒壓鉆入法可以作為火災下混凝土受損檢測的輔助方法并基本上能反映受火損傷隨混凝土深度的變化。

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