局部火災對高層住宅混凝土構件的影響

劉運房,郭 慶,侯晉杰 檀 峰

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

火災是最直接危害人類生命安全的災害之一。據應急管理部消防救援局統計，2020年，全國共接報火災25.2萬起，造成多人傷亡，直接財產損失40.09億元，火災形勢依然不容樂觀。例如，2020年10月1日，山西省迎澤區臺駘山景區冰燈雪雕館發生火災；2021年6月25日 河南省柘城縣一家武術館發生重大火災，事后發現多數建筑整體倒塌是因為鋼筋混凝土材料因火作用承載力不足導致。與此同時，受局部火災作用的建筑僅個別鋼筋混凝土構件存在危險，經過合理設計加固后，仍能繼續使用，但面臨著火災后力學性能評估和修復加固的問題，有必要對局部火災后建筑結構安全性能進行研究。因此，本文以實際某高層局部火災波及的結構區域工程結構鑒定為例，對局部火災對高層住宅混凝土構件的影響進行系統分析，以期為該類工程結構檢測鑒定提供參考依據。

1 工程概況

某新建住宅樓，為地下4層，地上48層，框架-剪力墻結構。2021年4月21日9時43分左右，該樓37層15-17/C-F軸段房間，在施工中突發火險，火情自9時43分被發現，至10時10分被撲滅。燃燒持續時間約為20 min，室內木材和泡沫擠塑板均已完全燃燒，滅火方式主要為消防隊使用高壓水槍噴澆滅火。檢測時，起火部位對應的混凝土頂板已大部進行了修補，新補混凝土模板尚未拆除；現場燃燒殘余物也已大部分被清理；除起火房間外，相鄰的走廊、衛生間等部位也有煙熏痕跡。建筑平面示意圖如圖1所示，滅火后起火房間現場照片如圖2所示，委托檢測時的現場照片如圖3所示。

2 火作用調查

2.1 火災過程調查

經調查和問詢，起火主要原因是泡沫擠塑板遇火源，迅速燃燒，進而木跳板起火，根據火災現場殘余物有木材、泡沫擠塑板等，燃燒特點屬于分解燃燒，即固體可燃物由于受熱分解而產生可燃氣體后發生的有焰燃燒。

2.2 火災環境調查

經調查和問詢，該樓37層15-17/C-F軸段房間內無消防措施，燃燒環境干燥，起火位置室內地面標高為109.4 m，房間內風速較大。受火墻體主要為37層15/C-F軸600 mm混凝土剪力墻、15-17/C軸500 mm混凝土剪力墻；15-(1/15)/F軸300 mm加氣混凝土砌塊填充墻、(1/16)/C-F軸100 mm加氣混凝土砌塊填充墻；樓蓋為100 mm厚混凝土現澆板；混凝土導熱性能較差。

2.3 火場殘留物狀況調查

進場檢測時，現場燃燒殘余物已大部分被清理，火場僅存有少量的殘留物，主要現狀為木條燃燒呈碳狀、裝修用金屬吊桿表面熏黑，膠狀物燒結、排水管道與樓層呼叫器表面軟化、線盒線管部分燒損碳化等。根據常見材料的變態溫度、燃點，木材燃點為240 ℃～270 ℃、橡膠燃點為130 ℃、氟化塑料管材變態溫度為150 ℃～290 ℃等，火場溫度約在300 ℃。

2.4 火災影響區域調查

經現場目視檢查和信息收集、工程相關人員對火災過程的描述和現場殘留物狀況的檢查及結構外觀燒損狀況的檢查，火災影響區域范圍分別為：

1)火場區域：37層15-(1/16)/C-F軸段。

2)高溫煙氣彌漫區域：37層(1/16)-17/C-F軸段、15-(1/15)/ F-J軸段、 (1/15)- (1/18)/ F-J軸段、15-18/J-M軸段。

3)不可忽略的溫度應力作用區域：36層15-(1/16)/C-F軸段、(1/16)-17/C-F軸段、15-(1/15)/F-J軸段；38層15-(1/16)/C-F軸段、(1/16)-17/C-F軸段、15-(1/15)/ F-J軸段。

2.5 構件表面溫度推定

通過對構件表面色澤、外觀破損和裂縫情況的目視檢查，結合錘擊測試，37層15-17/C-F頂板已大部分進行了修補，新補混凝土模板尚未拆除，不進行表面溫度推定；37層15/C-F軸墻顏色灰青，近觀正常15/F節點線盒附近有約3 m2范圍敲擊聲略喑啞，南側墻體底部混凝土局部剝落、鋼筋裸露，溫度略高于300 ℃；其余構件顏色均呈灰青色，近觀正常，錘擊聲音響亮，表面不留痕跡，溫度均低于300 ℃。

2.6 構件內部最高溫度推定

依據構件表面最高溫度推定結果，通過對混凝土構件外觀特征目視檢查，本次檢測范圍內36層15-17/C-F軸頂板、37層15/C-F軸剪力墻為直接受火鋼筋混凝土構件，當量標準升溫時間小于20 min，構件內部最高溫度場溫度略高于300 ℃，其余混凝土構件內部最高溫度場溫度均小于300 ℃。

2.7 混凝土結構構件燒傷深度檢測

混凝土在火災高溫作用下，加速了游離水分的蒸發，并導致水泥漿體疏松、脫水、分解、骨料晶體分解、開裂和強度降低等一系列變化，超聲波脈沖在火災受損混凝土中的傳播速度必然較在未受損混凝土中的傳播速度低。根據以上原理，采用NM-4B型非金屬超聲儀，依據CECS 21：2000超聲法檢測混凝土缺陷技術規程[1]，對鉆取的芯樣沿芯樣長度方向，在芯樣的兩對應側面上以1 cm的間距布置超聲測點，按徑向對芯樣進行超聲波測試。測試時選用頻率較高的換能器，換能器與芯樣表面保持耦合良好。芯樣燒傷深度檢測情況如圖4所示，此次測試如圖5所示。

所測5個混凝土芯樣試件，分別采自5個受火作用影響不同的部位。其中，36層15-(1/16)/C-F頂板芯樣，采樣部位位于主要燃燒物擠塑板的堆放位置，屬于直接過火的起火點部位，所受火作用應為直接灼燒；37層15/C-F軸墻北段芯樣，采樣部位位于緊貼起火點的墻面下段，所受火作用應為直接灼燒；37層15-17/C軸墻芯樣，采樣部位位于南墻洞口木跳板正下方，距離明火較近但未直接遭受明火燒灼，故所受火作用應為高溫灼傷；37層15/C-F軸墻芯樣，采樣部位為該段墻體的南段中部，距離起火點1.5 m以上，所受火作用應為高溫煙氣灼傷，作用時間較短且作用溫度較低；37層17/C-F軸墻芯樣，采樣部位為該段墻體中部，與火場間有墻體相隔，且位置較低，故應僅受少量煙氣和遠場溫度輻射影響，并未遭受實質性損害。

由圖5可知，所取的5個混凝土芯樣中聲速值基本在4 km/s～5.0 km/s之間。僅15/C-F軸墻北段的最外層3 cm范圍聲速略低于其余芯樣。因此，火災對混凝土質量影響較小。

根據以上測試結果分析可知，過火構件僅37層15/C-F軸墻北段近起火點位置燒傷深度在3 cm左右；其余混凝土構件未受明顯燒傷影響。

3 混凝土材料強度檢測

依據JGJ/T 384—2016鉆芯法檢測混凝土強度技術規程[2]，采用鉆芯法在不同受火構件上鉆取芯樣。將所取芯樣進行超聲測試后，經切割加工成標準試件，自然干燥后，進行抗壓試驗，測試其現齡期抗壓強度。芯樣試件抗壓試驗的操作符合現行國家標準混凝土物理力學性能試驗方法標準[3]中對立方體試塊抗壓試驗的規定。芯樣試件抗壓強度試驗結果見表1。

表1 芯樣試件抗壓強度試驗結果

依據JGJ/T 384—2016鉆芯法檢測混凝土強度技術規程第6章的相關規定，對混凝土芯樣抗壓強度進行計算。經計算，所取的4個芯樣試件混凝土現齡期抗壓強度均達到了設計強度等級(C35)要求的立方體抗壓強度標準值，即火災對混凝土材料抗壓強度的影響尚不明顯。

4 火災后混凝土內部歷經最高溫度檢測

依據T/CECS 252—2019火災后工程結構鑒定標準[4]第4.1.5條第3款的規定，火災后混凝土結構構件截面歷經最高溫度場，可根據混凝土材料微觀分析結果進行推斷。本次利用電鏡分析，對12號樓過火及高溫輻射影響區域剪力墻、板構件所取混凝土芯樣進行火災后混凝土材料微觀測試，根據電鏡分析結果對火災后混凝土材料特征溫度進行確定。芯樣檢測情況如圖6～圖11所示，分析結果見表2。

表2 過火混凝土結構構件芯樣電鏡分析

5 過火鋼筋力學性能試驗

現場在37層15-17/C-F軸段頂板中截取了一組鋼筋，鋼筋設計牌號為HRB400E，該位置構件直接受火并且所處位置溫度最高，能夠代表本次火災中鋼筋受損情況，經裁切加工成鋼筋試件后，對其力學性能進行了試驗，試驗情況如圖12所示，試驗結果如表3所示。

表3 鋼筋力學性能試驗結果表

6 結語

1)通過火災過程和火場殘余物調查得到該建筑燃燒特點屬于分解燃燒，火場溫度在300 ℃左右。

2)通過現場殘留物狀況的檢查及結構外觀燒損狀況的檢查，將建筑火災影響區域范圍分別為：火場區域；高溫煙氣彌漫區域；不可忽略的溫度應力作用區域。

3)通過現場調查對構件表面和內部最高溫度進行了推定，其中36層15-17/C-F軸頂板、37層15/C-F軸剪力墻為直接受火鋼筋混凝土構件，構件內部最高溫度場溫度略高于300 ℃。

4)通過對芯樣進行超聲波測試試驗得到過火構件僅37層15/C-F軸墻北段近起火點位置燒傷深度在3 cm左右；其余混凝土構件未受明顯燒傷影響。

5)通過所取的4個芯樣試件混凝土現齡期抗壓強度均達到了設計強度等級(C35)要求的立方體抗壓強度標準值，即火災對混凝土材料抗壓強度的影響尚不明顯。

6)通過電鏡掃描分析結果對火災后混凝土物相特征溫度進行確定，直接過火區，溫度較高使得水泥水化產物大部分脫水，水泥漿體呈現顆粒分散狀，漿體中無針棒狀的鈣礬石，高溫使得鈣礬石全部發生分解，溫度在300 ℃左右。

7)通過對過火鋼筋力學性能試驗，得到直接受火構件鋼筋力學性能因高溫受到實質性損傷。