紅外熱像法與超聲回彈法檢測受火混凝土損傷

魏 亞， 萬 成， 左勇志， 馬德云(.清華大學 土木工程系， 北京 00084； .北京市建筑研究院， 北京 00039)

鋼筋混凝土結構為中國建筑的主要結構形式，相對于其他結構形式具有較好的耐火性.但混凝土在受火后仍會由于損傷而導致承載力下降，繼續使用則存在一定風險.同時，絕大部分情況下混凝土結構在受火后并不會發生整體坍塌，只是局部構件會出現不同程度的損傷和劣化[1].大部分受火后的混凝土結構只需要針對損傷的部位進行合理的修復即可繼續使用而不必重建.因此準確地檢測并判定混凝土結構受火后的損傷程度，對于及時并合理地修復建筑結構的損傷，降低火災造成的損失有重大意義.

由于混凝土成分復雜多樣以及火災形式多變，混凝土受火的損傷部位與損傷程度都存在著很大的隨機性[2].精確地檢測并判定混凝土受火后各部位的損傷程度也有很大的難度.當前受火后混凝土損傷的檢測方法可分為傳統和新式兩大類.傳統的檢測方法主要包括公式法、表觀觀測法[3]、碳化檢測法、回彈法、鉆芯法等.國內外對于傳統的檢測方法已經有較多研究.其中賈鋒等[4]使用直徑70mm的小芯樣，得到了高溫后混凝土強度的測算方程，用于測量受火后混凝土的剩余強度.陸洲導等[5]通過對受火后混凝土與正常混凝土的碳化深度比較，得到碳化深度和受火溫度的關系.隨著技術的進步，當前也有很多新式的檢測方法.Short等[6]通過色譜分析儀分析了受火后混凝土反射光的色調值，并建立了受損深度、色調值和受火溫度的對應關系，從而通過受火后混凝土的色調值來判定混凝土的受火溫度和受損深度.Short等[7]還通過測試高溫后混凝土的裂紋密度來檢測混凝土的損傷情況.Colombo等[8]嘗試了改進后恒壓鉆入法，發現鉆入速度能夠很好地反映混凝土的損傷程度和損傷深度.除此之外，還有學者嘗試了熱釋光法[9]、燒失量法[10]等檢測方法.可以發現，傳統的檢測方法能夠對受火混凝土損傷快速地做出判斷，但主觀因素較大，精確度較差.而色譜分析、巖相分析等檢測方法，也因儀器成本過高而無法進行大面積推廣.

在眾多的檢測方法中，紅外熱像法和超聲回彈法有較大發展潛力.兩種檢測方法操作簡便，檢測精度高，對于受火后的結構也不會造成二次損傷，值得進一步研究.Sakagami等[11]利用紅外燈照射，對混凝土內部的層離缺陷進行了分析，得到混凝土內部缺陷隨埋設深度及缺陷大小變化的關系曲線.杜紅秀等[12]通過試驗得到受火后混凝土表面平均溫升與損傷程度的關系.呂天啟等[13]和閆繼紅等[14]都通過超聲回彈法探究了混凝土受火后的強度測算公式.

本文主要進行了C60，C70強度等級混凝土受火后的損傷檢測試驗，探究用紅外熱像法及超聲回彈法作為相互補充的方法檢測混凝土受火后損傷程度的可行性.同時對比了不同強度等級混凝土檢測結果的差異，以及兩種方法檢測結果的差異.從而進一步探究紅外線熱像法與超聲回彈法在不同情況下使用的優缺點、精確程度和適用范圍.

1 試驗

1.1 原材料與配合比

本文使用普通硅酸鹽水泥(C)、粉煤灰(FA)、礦渣(K)、石英砂(S)、硅酸鹽骨料(A)、適量減水劑(AE)與水(W)澆筑試驗所用的普通硅酸鹽混凝土.試驗設計了C60，C70兩種強度等級的混凝土，其配合比見表1.試驗采用的試塊尺寸為100mm×100mm×100mm.由于實際工程中遭受火災的混凝土齡期較長，因此試塊在澆筑拆模后標準養護180d.C60和C70混凝土的180d抗壓強度平均值分別為63.1，76.4MPa，說明兩種混凝土經過長達180d的標準養護，其強度都得到了充分的發展.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concretes

1.2 試驗方法

1.2.1紅外熱像法

紅外熱像法通過紅外熱像儀來檢測受火后混凝土表面的溫度輻射信息，并轉化為熱像圖，通過熱像圖中混凝土表面溫度的變化情況來判斷混凝土的損傷程度[15].高溫使混凝土材料產生劣化損傷，混凝土的傳熱系數會隨著損傷程度的不同而發生相應程度的改變.因此損傷程度不同的混凝土，在外熱源相同的情況下，由于混凝土傳熱系數的不同，表面溫度的變化也不同.試驗中把受火后的混凝土試塊置于同一位置，并用紅外熱燈泡照射加熱相同時間，同時使用紅外熱像儀檢測混凝土表面溫度變化情況，根據檢測結果即可判定混凝土試塊的損傷程度.檢測示意圖如圖1所示.

圖1 紅外熱像法示意圖Fig.1 Experimental process of infrared thermal image method

1.2.2超聲回彈法

回彈法是通過檢測混凝土表面硬度來確定混凝土強度的非破損檢測方法.用回彈法表征混凝土強度時原本要求混凝土必須是勻質的.而在實際受火中，混凝土內外溫度梯度增高會導致混凝土的內外損傷程度不一致，因此回彈法能夠檢測到的深度是一定的.當受火時間相同時，受火溫度越高，回彈法能檢測到的區域中混凝土的損傷程度肯定越大，得到的回彈值也必定越低.因此回彈法的結果也能夠用于檢測混凝土受火后的損傷程度.

超聲波法可以檢測混凝土內部的變化情況，其原理是超聲波在混凝土中傳播，遇到不同介質時其聲速會發生變化，通過聲速變化可以檢測混凝土內部損傷情況.回彈法和超聲波法相結合的超聲回彈法，能更加精確地判定混凝土的強度.本文研究了該方法在受火后混凝土強度及內部損傷檢測中的應用.

1.2.3試驗儀器與步驟

本文試驗所用的儀器為：SRJX型電阻加熱爐；FilaT335型紅外熱像儀，精度為0.02℃；275W紅外線加熱燈泡；ZC3-A型混凝土回彈儀；NM-4B型超聲分析儀.

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的C60與C70混凝土試塊各7組，每組3塊.試塊標準養護180d后，在電阻加熱爐中分別加熱(受火)到200，300，400，500，600，700，800℃并恒溫2h，然后在空氣中靜置冷卻，測量試塊的抗壓強度.

紅外熱像法.加熱過程中使用4個275W的燈泡，距離試塊檢測面中心1.5m進行加熱.檢測過程分為照射加熱5min和自然冷卻5min兩部分.每2s 記錄1次混凝土試塊檢測面的紅外熱像圖，記錄加熱和冷卻過程中試塊表面溫度的變化.

超聲回彈法.用超聲分析儀檢測超聲波在各組混凝土試塊中的波速.檢測方式為對測法，探頭分別置于試塊的2個相對面，每個面檢測3個點.再用回彈儀檢測各組混凝土試塊的回彈值，每個試塊選擇2個相對面進行檢測，每個面選取8個測點，測試結果取平均值.在檢測回彈值時，為了測量的準確，需保證測試過程中試塊穩定不松動.因此對混凝土試塊進行預壓，受火溫度在500℃以下的試塊預壓荷載為20kN，受火溫度在500℃以上的試塊預壓荷載為15kN[13].

2 結果與分析

2.1 抗壓強度檢測結果

圖2給出了C60，C70混凝土試塊的抗壓強度隨受火溫度變化的趨勢及其擬合曲線.與文獻[16]相似，圖2中兩種混凝土的抗壓強度都隨受火溫度的升高而降低.在200℃以下的低溫時，兩種混凝土抗壓強度的衰減都不明顯.200～800℃是混凝土發生強度衰減的主要溫度段.在此區間內，兩種混凝土的抗壓強度都有明顯的衰減.當受火溫度達到800℃ 時，兩種混凝土衰減后的剩余抗壓強度基本相同.可以認為在800℃時，兩種混凝土都已達到損傷極限，其剩余抗壓強度可以基本不考慮.

圖2 混凝土抗壓強度與受火溫度關系Fig.2 Relationship between compressive strength of concrete and temperature

由圖2中兩種混凝土的擬合結果可見，200℃以后，隨著溫度的升高，C70混凝土抗壓強度衰減的速度更快.這是因為混凝土強度越高其內部越致密，孔隙率越低，同時高強混凝土中膠凝材料含量更高.當溫度較低時，強度損失主要由水分流失所致，因此對于高強混凝土來說受火溫度對強度損失的影響較小.而當溫度較高(超過200℃)時，混凝土中水分基本全部流失，強度損失主要由膠凝材料的分解所致，因此受火溫度對高強混凝土強度損失的影響會更明顯.因此在受火溫度較高的情況下，使用高強混凝土的結構所受損傷更大，火災帶來的風險也更大.同時，C60，C70混凝土的剩余抗壓強度與受火溫度都呈明顯的線性關系，相關系數分別達到了0.9515和0.9501，這與文獻[13]中剩余抗壓強度和溫度線性相關的結論也相吻合.因此混凝土受火后的損傷程度與受火溫度是直接相關的，在檢測中可以通過受火溫度來判定其損傷程度與剩余抗壓強度.受火溫度可以作為判定混凝土損傷程度的直接指標.

2.2 紅外熱像法檢測結果

2.2.1紅外熱像圖

圖3，4分別為受火溫度200，700℃的C60混凝土紅外熱像圖.由圖3,4可以發現，雖然只是進行5min 的非接觸式加熱，但在紅外熱像儀下能清楚地發現試塊表面溫度的明顯變化.隨著照射加熱時間的延長，試塊表面的溫度逐漸升高，熱像圖的顏色也從深灰色變為淺灰色；停止加熱后，試塊表面溫度降低，熱像圖最后又逐漸變為深灰色.加熱到5min 時，試塊表面溫度達到最高，熱像圖的灰度值最高.隨著受火溫度的升高(700℃)，熱像圖中逐漸出現由于高溫損傷而導致溫度不均勻所形成的熱斑.

圖3 受火溫度200℃時C60混凝土的紅外熱像圖Fig.3 Infrared thermal images of C60 concrete after 200℃

圖4 受火溫度700℃時C60混凝土紅外熱像圖Fig.4 Infrared thermal images of C60 concrete after 700℃

圖4中深色熱斑表示試塊表面溫度較高的區域.這是由于高溫使混凝土出現損傷和裂化，并導致損傷部位的傳熱系數改變.因此在加熱時，損傷處產生熱量堆積從而使表面溫度升高更快.對比圖3,4可以發現，受火溫度較低(200℃)時，混凝土試塊表面的溫度分布更加均勻，熱像圖中幾乎沒有熱斑；受火溫度越高(700℃)，熱像圖中熱斑面積越大，也就意味著混凝土的損傷越大.因此，通過觀測熱像圖中熱斑的面積與分布，可以快速判斷混凝土受火損傷的區域與分布狀況，提高后續檢測效率，也能很好地避免檢測中的危險.

2.2.2表面平均溫度升高值

圖5，6分別為C60，C70各組混凝土檢測過程中表面平均溫度變化曲線.由圖5，6可見，兩種混凝土在紅外線燈泡的照射下表面溫度都會明顯升高，并在加熱5min后表面溫度達到最高，這與文獻[13] 的結論相似.對于同種強度等級的混凝土試塊，其受火溫度越高，加熱時表面平均溫度升高的速率越大，5min時表面平均溫度的變化值也越大.由此得出試塊受火后損傷程度越大，對應的表面平均溫度升高值也越大的結論.

圖5 C60混凝土表面平均溫度變化Fig.5 Surface average temperature development of C60 concretes

圖6 C70混凝土表面平均溫度變化Fig.6 Surface average temperature development of C70 concretes

對比圖5，6還可發現，當受火溫度相同時，C70混凝土試塊在檢測時表面溫度的升高值大于C60混凝土試塊.這說明當受火溫度相同時，高強度混凝土的損傷程度更大.這與剩余抗壓強度的試驗結果相吻合.因此，紅外熱像法可以通過檢測混凝土試塊表面平均溫度的升高值(平均溫升值)來判定其受火后的損傷程度.

2.2.3平均溫升值與受火溫度的相關性分析

由圖5，6可知，試塊表面的平均溫升值可以反映混凝土受火損傷程度，平均溫升值越大，其損傷程度越大，對應的受火溫度越高.通過統計可得到受火溫度與平均溫升值的擬合關系，結果如圖7所示.

圖7 C60與C70混凝土表面平均溫度升高值與 受火溫度的關系Fig.7 Relationship between average temperature rise value and fire temperature for C60 and C70 concretes

由圖7可知，兩種混凝土試塊表面的平均溫升值和受火溫度的線性相關性良好，相關系數R2都大于0.9500.對回歸方程進行顯著性檢驗，其置信度均在0.999以上.因此可以通過試塊表面的平均溫升值較準確地得到混凝土的受火溫度并判斷其損傷程度.混凝土表面平均溫升值越高，說明其受火溫度越高，損傷程度越高.

由圖7還可見，隨著受火溫度的升高，C60混凝土試塊表面的平均溫升值也相對均勻地升高，C70混凝土在受火溫度較低時平均溫升值升高較為平緩，當受火溫度達到400℃以后其平均溫升值的升高則明顯加快.若要進一步提高擬合的精度，可以考慮在后續試驗中增加受火溫度組別，進行分段擬合.從整體上來看，C70混凝土試塊表面平均溫度升高的速率大于C60混凝土，進一步說明混凝土強度越高，其受火后性能衰減的速率越大，損傷程度越高.

2.3 超聲回彈法結果

2.3.1回彈檢測結果

表2為C60，C70混凝土試塊受火后的回彈值與剩余抗壓強度測試結果.由表2可知，隨著受火溫度的升高，混凝土試塊剩余抗壓強度逐漸下降，對應的回彈值也明顯降低.這是因為高溫使混凝土內部和表面都出現了裂縫而變得結構疏松.混凝土的損傷程度越大，結構越疏松，剩余抗壓強度越低，回彈值也越小.因此，回彈值能直接地反映混凝土的剩余抗壓強度，從而判定其損傷程度.

表2 回彈法試驗結果Table 2 Results of rebound experiment

對比兩種混凝土的結果可知，C60混凝土在受火溫度達到400℃后就出現了回彈值的大幅下降，而C70混凝土在受火溫度達到600℃后才出現了回彈值的大幅下降.說明混凝土的強度越高，對高溫的耐受性越好，在受火溫度較低的情況下其損傷程度越不明顯.而在受火溫度相同的情況下，C70混凝土的回彈值基本都大于C60混凝土的回彈值，這與相同受火溫度下C70混凝土的剩余抗壓強度更大的結果相吻合.總的來說，隨著受火溫度的升高，C60混凝土的回彈值下降更明顯，而C70混凝土的回彈值在受火溫度為500～700℃時差別不是很明顯，這與混凝土受火損傷的隨機性以及檢測結果的局部誤差有一定的關系.但是其回彈值隨剩余抗壓強度下降而減小的趨勢依舊十分明顯.

根據檢測結果，對兩種混凝土各組對應的結果進行擬合.根據回彈法檢測規程，擬合時選用了冪函數的形式.這也與試驗中試塊抗壓強度和回彈值并不呈線性關系的結果相吻合.擬合結果如圖8所示.

圖8 C60與C70混凝土剩余抗壓強度與回彈值的關系Fig.8 Relationship between residual compressive strength and rebound value of C60 and C70 concretes

由圖8可以發現，混凝土試塊回彈值有一定的離散性，尤其是C70混凝土在受火溫度為400～600℃ 階段的回彈值基本一致，這與試驗的誤差以及混凝土受火損傷的隨機性有關.同時兩種混凝土的回彈值與剩余抗壓強度的相關性都在0.9000以上，對回歸方程進行顯著性檢驗，其置信度也均在0.999以上.從擬合曲線上也能明顯發現，C70混凝土受火后剩余抗壓強度衰減的速率要明顯大于C60混凝土，進一步說明混凝土強度越高，其受火后的損傷程度越大，性能衰減的速率也越大.可見對于受火后混凝土，其剩余抗壓強度和回彈值有很強的相關性，通過回彈值的檢測也可以較準確地判斷混凝土的剩余抗壓強度和損傷程度.

2.3.2超聲檢測結果

圖9為各組混凝土中超聲波聲速和受火溫度的擬合結果.由圖9可以發現，超聲波在兩種混凝土中的聲速都隨著受火溫度的升高而下降.這是由于高溫使混凝土表面及內部出現了許多微裂縫，結構變得疏松，而超聲波在微裂縫的空氣中聲速更低.另外，傳播介質的轉變也會導致超聲波反射等情況，進一步導致超聲波在混凝土中的聲速降低.

圖9 C60與C70混凝土中聲速與受火溫度的關系Fig.9 Relationship between sound velocity and fire temperature of C60 and C70 concretes

值得注意的是，與回彈值不同，混凝土中的聲速隨受火溫度的升高呈相對均勻地下降.但在受火溫度達到700℃后，由于混凝土的損傷程度已經很大，內部已經極度疏松，強度衰減的空間很小，因此聲速的變化值也逐漸減小.從圖9中可以發現，兩種混凝土的受火溫度與聲速之間有著極好的線性相關性，擬合的相關系數都在0.9700以上，對回歸方程進行顯著性檢驗，其置信度也均在0.999以上.因此在實際檢測中可以通過檢測受火后混凝土的聲速來精確得到混凝土的受火溫度，從而判斷混凝土的損傷程度.

對比兩種混凝土中聲速與受火溫度的擬合曲線可知，當受火溫度相同時，C70混凝土中的聲速比C60混凝土要高.這是因為強度更高的C70混凝土內部更加密實.由圖2可知，雖然C70混凝土抗壓強度衰減程度更大，但在受火溫度相同的情況下，其剩余抗壓強度仍然比C60混凝土要高.同時，從圖2中受火溫度與剩余抗壓強度的線性關系來看，聲速與混凝土剩余抗壓強度也是線性相關的.這與圖9中混凝土剩余抗壓強度與回彈值的冪函數關系不同.而在C60和C70混凝土中，聲速隨受火溫度升高而衰減的速率基本一致，可見超聲波在混凝土中的聲速不僅僅與抗壓強度有關，還與其他影響因素有關.

3 結論

(1)通過受火模擬試驗發現，隨著受火溫度的升高，混凝土的剩余抗壓強度逐漸降低.受火溫度與剩余抗壓強度的線性相關性良好.可通過混凝土的受火溫度來判定其整體損傷程度.高溫時C70混凝土的抗壓強度衰減速率要大于C60混凝土.但當受火溫度相同時，C70混凝土的剩余抗壓強度仍然大于C60混凝土.

(2)對于同種混凝土，使用紅外熱像法檢測時，混凝土受火溫度越高，其表面平均溫升值越大，對應的熱像圖中熱斑的面積也就越大.紅外熱像法測得混凝土表面平均溫升值與受火溫度有良好的相關性.通過回歸方程和平均溫升值能夠準確判斷混凝土的受火溫度，進而判定其損傷程度.

(3)采用超聲回彈法對受火后混凝土檢測時，受火溫度越高，混凝土的剩余抗壓強度越低，與之對應的回彈值和超聲波在混凝土試塊中的聲速越小.混凝土回彈值與剩余抗壓強度，受火后混凝土中的聲速與受火溫度均有良好的相關性.通過回彈值與聲速可推算混凝土的受火溫度與剩余抗壓強度，進而判定其損傷程度.

(4)兩種無損檢測方法精確度都很高.但是在受火溫度較低時，混凝土的損傷程度較低，紅外熱像法檢測得到的表面溫升值相對較低，差距不明顯.所以紅外熱像法更適用于受火溫度較高的情況.而超聲回彈法中，受火溫度較高時混凝土的損傷程度已經較大，此時超聲波聲速的變化值不大.因此超聲回彈法更適用于受火溫度較低的情況.同時在試驗中也發現，高強混凝土損傷程度隨受火溫度升高呈現一定的分段特性，為了提高擬合的精確性，可以在后續的試驗研究中增加溫度點并進行分段擬合.兩種方法在不同情況結合，能夠更精確地檢測受火后混凝土的損傷程度.

[1] 陸洲導,余江滔,李燦燦.火災后混凝土結構損傷檢測方法的探討[J].工業建筑,2006,36(1):88-90.

LU Zhoudao,YU Jiangtao，LI Cancan.Discussion on detection of damaged concrete after fire[J].Industrial Construction,2006,36(1):88-90.(in Chinese)

[2] 李敏.高強混凝土受火損傷及其綜合評價研究[D].南京:東南大學,2005.

LI Min.The fire damage of high strength concrete and its comprehensive evaluation[D].Nanjing:Southeast University,2005.(in Chinese)

[3] CECS 252：2009 火災后建筑結構鑒定標準[S].北京：中國計劃出版社，2009.

CECS 252：2009 Standard for building structural assessment after fire[S].Beijing:China Planning Press,2009.(in Chinese)

[4] 賈鋒,張坦賢，韓傳峰，等.φ70小芯樣檢測受高溫后混凝土強度的研究[J].南京建筑工程學院學報,1996(1):74-80.

JIA Feng,ZHANG Tanxian，HAN Chuanfeng,et al.Experimental research on the test of the concrete strength of the burned concrete with small diameterφ70 cores[J].Journal of Nanjing Architectural and Civil Engineering Institute,1996(1):74-80.(in Chinese)

[5] 陸洲導,朱伯龍.混凝土結構火災后的檢測方法研究[J].工業建筑,1995,25(12):37-41.

LU Zhoudao,ZHU Bolong.The test methods of concrete structure after fire[J].Industrial Construction,1995,25(12):37-41.(in Chinese)

[6] SHORT N R,PURKISS J A,GUISE S E.Assessment of fire damaged concrete using colour image analysis[J].Construction and Building Materials,2001,15(1):9-15.

[7] SHORT N R,PURKISS J A,GUISE S E.Assessment of fire-damaged concrete using crack density measurements[J].Structural Concrete,2002,3(3):137-143.

[8] COLOMBO M,FELICETTI R.New NDT techniques for the assessment of fire-damaged concrete structures[J].Fire Safety Journal,2007,42(6/7):461-472.

[9] CHEW M Y L.Assessment of fire damaged concrete[J].Building and Environment,1993,28(1):97-102.

[10] 李哲.火災后混凝土結構的檢測技術研究[D].杭州：浙江大學,2011.

LI Zhe.Research on the detection technology of the reinforced concrete structure[D].Hangzhou：Zhejiang University,2011.(in Chinese)

[11] SAKAGAMI T,KUBO S.Applications of pulse heating thermography and lock-in thermography to quantitative nondestructive evaluations[J].Infrared Physics & Technology,2002,43(3/4/5):211-218.

[12] 杜紅秀,張雄.火災混凝土紅外熱像檢測實驗研究[J].工程力學,1998(S2):229-233.

DU Hongxiu,ZHANG Xiong.Research of fire concrete assessment using infrared thermal image method[J].Engineering Mechanics,1998(S2):229-233.(in Chinese)

[13] 呂天啟,趙國藩,林志伸,等.應用回彈超聲方法評定火災高溫靜置混凝土抗壓強度的試驗研究[J].混凝土,2002(8):21-23，32.

Lü Tianqi,ZHAO Guofan,LIN Zhishen,et al.The experimental research on applying rebound and ultrasonic to assess compressive strength of concrete subjected to fire and considered standing time effect after fire[J].Concrete,2002(8):21-23，32.(in Chinese)

[14] 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].工業建筑,2001,31(12):46-47,82.

YAN Jihong,HU Yunchang,LIN Zhishen.Experiment studies of compressive strength of concrete defined by rebound method and ultrasonic-rebound combined method after high temperature[J].Industrial Construction,2001,31(12):46-47,82.(in Chinese)

[15] 陳磊,李彬,滕桃居,等.混凝土高溫力學性能分析[J].混凝土,2003(7):26-28.

CHEN Lei,LI Bin,TENG Taoju,et al.The analysis about high temperature mechanical performance of concrete[J].Concrete, 2003(7):26-28.(in Chinese)

[16] 陳磊,李彬,滕桃居,等.混凝土高溫力學性能分析[J].混凝土,2003(7):26-28.

CHEN Lei,LI Bin,TENG Taoju.The analysis about high temperature mechanical performance of concrete[J].Concrete,2003(7):26-28.(in Chinese)