過火混凝土橋梁超聲波檢測研究

李華東 劉佳節(jié)

0 引言

近年來，公路混凝土橋梁遭受火災(zāi)的事故逐漸增多，不僅給橋梁結(jié)構(gòu)本身造成破壞，而且危及公路尤其是高速公路的正常運(yùn)營?；馂?zāi)后必須及時(shí)、科學(xué)地對受損構(gòu)件進(jìn)行損傷識別，合理地進(jìn)行損傷評估，才能為橋梁的加固維修提供可靠的數(shù)據(jù)支持，切實(shí)結(jié)合加固恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能，達(dá)到安全運(yùn)營的目的。

1 火災(zāi)混凝土損傷的特點(diǎn)

1)受損部位疏松，且疏松程度由表及里。在火災(zāi)過程中，混凝土結(jié)構(gòu)表面遭受高溫灼燒，溫度梯度從外向內(nèi)遞減。混凝土中的砂漿和骨料在一定溫度下會產(chǎn)生不同的物理化學(xué)變化。100℃時(shí)混凝土內(nèi)的自由水會以水蒸氣形式溢出;200℃～300℃時(shí)CSH凝膠的層間水和硫鋁酸鈣的結(jié)合水散失;500℃時(shí)Ca(OH)2受熱分解其結(jié)合水散失;而800℃～900℃時(shí)CSH凝膠(水化硅酸鈣)已完全分解，原來意義上的砂漿已不復(fù)存在。骨料的變化主要是物理變化，573℃時(shí)硅質(zhì)骨料體積膨脹0.85%;700℃時(shí)碳酸鹽骨料和多孔骨料也有類似損壞，甚至突然爆裂。

2)有縱、橫向裂縫產(chǎn)生。裂縫產(chǎn)生有兩個(gè)原因，即在升溫和降溫過程中膨脹或收縮不均勻以及受彎構(gòu)件在受損后受彎部分變形過大。裂縫的數(shù)量和寬度與受損程度成正比。其大致狀況為:400℃～500℃時(shí)，表面有裂縫，縱向裂縫少;600℃～700℃時(shí)，裂縫多且縱橫向均有，并有斜裂縫產(chǎn)生;大于700℃時(shí)，縱橫向及斜裂縫多且密，受彎構(gòu)件混凝土裂縫深度可達(dá)1 mm～5 mm。

3)表面有爆裂。造成火災(zāi)混凝土的爆裂主要有兩個(gè)原因，即熱應(yīng)力機(jī)理和蒸汽壓機(jī)理。混凝土在升溫和降溫過程中或滅火時(shí)的急速冷卻，都可使混凝土變形不均，局部受壓或受拉引起爆裂，這就是熱應(yīng)力機(jī)理。蒸汽壓機(jī)理為在混凝土升溫中不斷有自由水、層間水和結(jié)合水以水蒸氣形式釋放，而混凝土本身是一個(gè)致密結(jié)構(gòu)，這個(gè)特點(diǎn)使得水蒸氣散溢出混凝土表面有一定困難，所以當(dāng)水蒸氣的膨脹應(yīng)力積累到一定程度后，引起混凝土表面爆裂。

2 火災(zāi)后混凝土構(gòu)件的檢測

混凝土構(gòu)件受火災(zāi)后的強(qiáng)度將會下降。但如何檢測和評定，目前還沒有專門方法和檢測混凝土強(qiáng)度的儀器。在工程實(shí)踐中對此的研究是十分迫切的，這也是對火災(zāi)后混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)和加固的前提。該項(xiàng)目采取超聲波檢測方法進(jìn)行檢測。

通過測量火災(zāi)附近區(qū)域沒有遭受火災(zāi)的相同構(gòu)件的混凝土脈沖速度和遭受火災(zāi)后相同構(gòu)件的混凝土脈沖速度，并進(jìn)行比較，可以推測出火災(zāi)溫度。對構(gòu)件進(jìn)行超聲波綜合指標(biāo)檢測，可定量評估構(gòu)件表面曾經(jīng)歷過的最高溫度及損傷深度。但這種方法受含水率、溫度效應(yīng)、測距及鋼筋的影響很大，而且對構(gòu)件表面的平整度要求較嚴(yán)，損傷嚴(yán)重的混凝土表面開裂剝落，用超聲波法檢測誤差較大。

3 依托工程概述

3.1 橋梁概況

2008年12月26日，某高架橋發(fā)生火災(zāi)損傷。該橋2008年1月建成，為跨度25 m的組合箱梁結(jié)構(gòu)，橋下限高2.5 m，橋梁火災(zāi)后實(shí)景圖見圖1。

圖1 某高架橋火災(zāi)后外觀圖

3.2 火情分析

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，起火區(qū)域處于北半幅橋梁第一跨的1號橋墩附近。燃燒物堆放區(qū)域距離橋墩約3 m，現(xiàn)場調(diào)查當(dāng)日風(fēng)向東北，從現(xiàn)場殘留物推斷主要燃燒物為毛竹。

本次火災(zāi)主要影響北幅第1孔橋梁，相鄰北幅第2孔有煙熏痕跡，相鄰南幅第1，2孔無煙熏痕跡。肇事者在火災(zāi)發(fā)生后，自行用水泥對剝落處進(jìn)行了修補(bǔ)，根據(jù)現(xiàn)場局部鑿除及鉆孔情況，3號橋墩，蓋梁，5號箱梁，4號箱梁表面修補(bǔ)區(qū)域水泥砂漿修補(bǔ)深度為0 cm～3 cm，橫隔板及濕接縫為水泥砂漿表面涂刷。

4 超聲波檢測

圖2為4號箱梁混凝土超聲波波速沿梁長度方向的變化，從圖2中可以看出，在距1號墩約3 m的范圍內(nèi)，超聲波波速明顯減小。表明此處混凝土受到火災(zāi)影響較大。

圖2 4號箱梁聲速分布

圖3為5號箱梁混凝土超聲波波速沿梁長度方向的變化，從圖3中可以看出，在距1號墩約4 m的范圍內(nèi)，超聲波波速明顯減小。表明此處混凝土受到火災(zāi)影響較大。

圖3 5號箱梁聲速分布

圖4為蓋梁混凝土超聲波波速沿梁長度方向的變化，從圖4中可以看出，在距蓋梁下緣角點(diǎn)約2 m的范圍內(nèi)，下緣的超聲波波速明顯減小，在距梁底邊300 mm處，距梁下緣角點(diǎn)約1 m范圍內(nèi)超聲波波速明顯減小。表明此處混凝土受到火災(zāi)影響較大。

5 檢測結(jié)論與建議

5.1 檢測結(jié)論

本次火災(zāi)主要影響區(qū)域?yàn)楸卑敕谝豢缥鱾?cè)，主要結(jié)論如下:

1)1號橋墩3號立柱受到火烤，靠近火場一側(cè)局部表面出現(xiàn)混凝土剝落;2)蓋梁距離火場直線距離最近，受災(zāi)較重，上半部可見直接火燒痕跡，全高范圍內(nèi)出現(xiàn)表面松散、龜裂且伴有局部剝落、空鼓范圍較大，蓋梁上部存在較多裂縫且部分裂縫在上翼緣貫通，在受火燒區(qū)域超聲波波速明顯變小，波形畸變，空鼓區(qū)域混凝土回彈值減小;3)4號，5號梁的底板、腹板、翼板以及濕接縫直接受火焰熏烤，均出現(xiàn)大面積松散、空鼓及局部混凝土剝落，超聲波波速減小，波形畸變;4)蓋梁及箱梁鋼筋混凝土經(jīng)過超聲波檢測鑒定后，受熱冷卻后材料性能下降;5)過火區(qū)域橡膠支座開裂嚴(yán)重，豎向裂縫和橫向裂縫在不同支座均有，橡膠支座老化嚴(yán)重，已不能正常工作;6)根據(jù)混凝土外觀情況，推定本次火災(zāi)混凝土構(gòu)件表面灼著溫度為:蓋梁，箱梁及濕接縫不超過700℃;橋墩300℃～450℃。

圖4 蓋梁聲速分布

5.2 建議處理方案

根據(jù)詳細(xì)調(diào)查結(jié)果，參照原設(shè)計(jì)圖紙，對比發(fā)現(xiàn)過火區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度雖有下降，但仍處于設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)承載力要求?，F(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，考慮結(jié)構(gòu)物耐久性及安全預(yù)留，建議對受損區(qū)進(jìn)行加固處理，具體如下:

1)將混凝土表面熏黑部分進(jìn)行打磨，徹底清除松散混凝土，然后用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行修補(bǔ)，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的原有尺寸。2)過火區(qū)域混凝土表面涂刷阻銹劑，防止水分滲入以保護(hù)鋼筋。3)受損區(qū)沿應(yīng)力方向粘鋼板。4)蓋梁頂部裂縫建議暫不處理，并加強(qiáng)觀測，若裂縫無進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)采取灌縫處置。5)對受損區(qū)4個(gè)橡膠支座進(jìn)行更換，所更換的支座必須與原支座同型號。6)全跨進(jìn)行表面涂裝。

6 結(jié)語

由于火災(zāi)情況錯(cuò)綜復(fù)雜，以及橋梁結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和混凝土材料性能的特殊性，超聲波檢測存在一定的不足，至今還未探索出一種全面的檢測火災(zāi)混凝土的方法，因此還需要不斷對火災(zāi)混凝土檢測評估技術(shù)進(jìn)行研究和促使其發(fā)展。

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