探討火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測與常見處理方法

陽 丹，楊 虹，何 凌

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039)

一方面應(yīng)做好預(yù)防火災(zāi)的各項工作，防止發(fā)生火災(zāi);另一方面發(fā)生火災(zāi)后，應(yīng)當及時、有效地對火災(zāi)后建筑物進行補救，減少火災(zāi)帶來的損失。因此，災(zāi)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(zāi)對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機理、火災(zāi)損傷、火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測、修復(fù)和加固四個方面，探討了火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測與處理這一過程。

1 火災(zāi)對混凝土結(jié)構(gòu)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(nèi)部快，內(nèi)外溫差引起混凝土開裂?；馂?zāi)時，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(dǎo)致強度下降;第二，水泥石受熱分解，使膠體的粘結(jié)力破壞，出現(xiàn)裂縫，表面發(fā)毛、起砂、呈蜂窩狀、出現(xiàn)龜裂、邊角潰散脫落等現(xiàn)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(dǎo)致應(yīng)力集中和微裂縫的開展。概括說，火災(zāi)區(qū)混凝土在受熱后因水泥石收縮變形而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和由于火災(zāi)升溫、降溫階段的溫度分布不均勻所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力等，使其燒傷區(qū)內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列的變化，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)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(xué)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(nèi)破壞呈現(xiàn)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(chǎn)生徐變。當溫度達到500℃左右時，鋼材的性能已經(jīng)不能滿足建筑結(jié)構(gòu)的要求。第二，火災(zāi)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(nèi)，600℃以后降幅加快，降幅在10% ～30%之間。對于預(yù)應(yīng)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(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右。在1400℃時，鋼筋進入液態(tài)，失去了抵抗荷載的能力。

從鋼筋與混凝土的粘結(jié)力方面看，火災(zāi)后鋼筋與混凝土的粘結(jié)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(jié)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(jié)力損失較帶肋鋼筋的大;石灰石骨料比花崗石骨料粘結(jié)力損失大;噴水冷卻比自然冷卻粘結(jié)力損失大。

2 火災(zāi)損傷

火災(zāi)損傷大致可以分為下列四類:①輕度損傷:在局部范圍內(nèi)的表面損害，邊沿剝落和產(chǎn)生裂縫;②中度損傷:結(jié)構(gòu)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(gòu)件部分或完全失去作用;④化學(xué)損傷:目前最重要的情況是聚氯乙烯燃燒氣體對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕。

建筑火災(zāi)一般分三個階段，即成長期、旺盛期、衰減期，其中對建筑結(jié)構(gòu)損傷最為嚴重的是火災(zāi)的旺盛期階段?；馂?zāi)中混凝土構(gòu)件是由于其內(nèi)部會形成各不相同的溫度場，并產(chǎn)生不同的物理和化學(xué)反應(yīng)從而造成損傷的?；馂?zāi)持續(xù)時間和溫度直接影響建筑物的承載能力，故判斷損傷結(jié)構(gòu)的火災(zāi)溫度十分重要。主要根據(jù)火災(zāi)調(diào)查訪問、現(xiàn)場可燃物的燃點、燃燒時間、殘留物燒損特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面特征以及燒損情況，結(jié)合前述火災(zāi)對建筑結(jié)構(gòu)的影響原理，可分別推斷輕度損傷區(qū)、中度損傷區(qū)、嚴重損傷區(qū)的溫度。通常首先通過目測構(gòu)件表面燒損情況，根據(jù)其不同的燒損程度來估計火災(zāi)溫度。文獻［6］中把損傷程度和溫度的關(guān)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(zāi)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(gòu)件表面出現(xiàn)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(nèi);(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(yīng)該在800℃以上。

3 火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測

當建筑物遭受到火災(zāi)后需要通過現(xiàn)場檢測了解受災(zāi)程度，來判別建筑物還能否繼續(xù)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(zāi)混凝土，有時因為構(gòu)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(zāi)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(gòu)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(zhì)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)狀態(tài)和缺陷，并以此判斷材料性質(zhì)和受損情況的一種無損檢測方法。將它應(yīng)用于火災(zāi)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(jié)果受環(huán)境影響大。

(4)電化學(xué)分析法:混凝土在遭受高溫(火災(zāi))作用時，水泥水化產(chǎn)物會脫水分解，尤其是Ca(OH)2在高于400℃時會脫水形成CaO，導(dǎo)致混凝土中性化?；炷猎诟邷剡^程中水泥水化產(chǎn)物的一系列物理化學(xué)變化，在電化學(xué)性能方面表現(xiàn)為混凝土表面電勢降低，火災(zāi)損傷混凝土中性化將導(dǎo)致其內(nèi)部鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋銹蝕電流增大。電化學(xué)方法正是通過現(xiàn)場檢驗火災(zāi)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(diào)值和所遭受的溫度及受損深度之間建立關(guān)系，從而只需檢測構(gòu)件樣本的色調(diào)值即可推知經(jīng)歷火災(zāi)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(guān)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(jù)超聲波在混凝土內(nèi)部傳播速度的改變定性地說明混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)用廣泛，但超聲波脈沖法對混凝土構(gòu)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(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的實際檢測工程中，應(yīng)根據(jù)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(jié)合，以便做出科學(xué)的鑒定和評估。

4 混凝土結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)

4.1 受損構(gòu)件的修復(fù)加固原則

首先，必須對已有結(jié)構(gòu)進行檢查和可靠性鑒定分析，全面了解已有結(jié)構(gòu)的材料性能、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)體系以及結(jié)構(gòu)缺陷和損傷等結(jié)構(gòu)信息，分析結(jié)構(gòu)的受力現(xiàn)狀和持力水平，為修復(fù)加固方案的確定鑒定基礎(chǔ)。在確定修復(fù)加固方案時，不應(yīng)有以下兩種傾向:

(1)掉以輕心。認為火災(zāi)后構(gòu)件并未完全喪失承載力，未考慮火災(zāi)隱患對構(gòu)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(xù)梁，隨意打掉某一跨就會對相鄰跨的內(nèi)力產(chǎn)生內(nèi)力重分布。

其次，要確保施工質(zhì)量。由于修復(fù)加固的構(gòu)造及施工方法與正常建設(shè)時不同，故必須強調(diào)精心施工，確保質(zhì)量。

4.2 常見加固處理方法

對火災(zāi)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(yīng)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(jié)鋼和玻璃鋼加強新、舊混凝土之間的結(jié)合。最后，采用噴射混凝土或者模板澆注。

(3)對于嚴重損傷，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)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(shè)置兩根鋼管支護，鋼管應(yīng)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(yīng)采用千斤頂給梁反向加荷卸載。千斤頂?shù)捻斏奢d根據(jù)現(xiàn)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(xué)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(zāi)現(xiàn)場，當溫度達到120℃時，聚氯乙烯便分解，同時分離出氣態(tài)鹽酸，鹽酸同滅火撲救的消防水蒸氣混合形成鹽酸霧，凝結(jié)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，氯化物對鋼筋產(chǎn)生化學(xué)損害，使結(jié)構(gòu)強度降低。對此種損害的加固除通過機械鏟除進行修復(fù)外，近些年來，經(jīng)常采取“石灰修復(fù)法”，這種方法是在不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)火災(zāi)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(xué)腐蝕物質(zhì)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(jié)構(gòu)強度。

建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的修復(fù)加固處理要比普通工程加固處理復(fù)雜得多，尤其是加固的施工質(zhì)量是修復(fù)加固處理的關(guān)鍵。加固時，構(gòu)件應(yīng)處于卸荷狀態(tài)下，主梁及次梁底需設(shè)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(gòu)件的加固應(yīng)從底層開始，然后逐層向上。每層構(gòu)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(jié)束語

為了有效控制和減小火災(zāi)對建筑物的危害應(yīng)準確掌握建筑物在遭遇火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)狀況。因此，火災(zāi)發(fā)生后，應(yīng)對建筑物在火災(zāi)中的受損情況進行現(xiàn)場調(diào)查，并對火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)性能進行檢測，針對不同受損程度的部位應(yīng)制定相應(yīng)的加固處理方法，以保證結(jié)構(gòu)的安全。隨著技術(shù)水平的提高，普通混凝土正逐步向纖維混凝土和輕質(zhì)高強混凝土發(fā)展，對于火災(zāi)后該類混凝土結(jié)構(gòu)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(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標準［S］

［2］牛忠江.火災(zāi)對某建筑結(jié)構(gòu)的影響及損壞鑒定探討［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006(5)

［3］朱伯龍.房屋結(jié)構(gòu)災(zāi)害檢測與加固［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，1995

［4］張立人.建筑結(jié)構(gòu)檢測、鑒定與加固［M］.武漢理工大學(xué)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(zāi)后的結(jié)構(gòu)安全性檢測鑒定分析［J］.質(zhì)量檢測，2008(10):37－40

［7］吳波.火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能［M］.科學(xué)出版杜，2003

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

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

［10］吳啟祥，盧亦焱，黃銀燊.某建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的加固處理［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2006，26(1)