火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)與發(fā)展

何春麗

駐馬店市墻體材料改革辦公室（463000）

0 前言

混凝土是一種復(fù)合材料，是以水泥、砂、石為材料固化而成的，自身是非燃燒體，具有良好的耐火性。隨著溫度的升高，在高溫下組成混凝土的材料自身發(fā)生變化。這些變化將使混凝土受力性能發(fā)生改變，致使結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力降低。

一般混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中強(qiáng)度損失都較為嚴(yán)重，建筑物的損傷程度如何，可否修復(fù)后繼續(xù)使用是人們最為關(guān)心的。國(guó)內(nèi)外對(duì)于火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)損傷程度的確定進(jìn)行了大量的研究，并且建議了很多的檢測(cè)方法。由于火災(zāi)混凝土的特殊性，盡管檢測(cè)技術(shù)己取得相當(dāng)大的進(jìn)展，但目前仍沒(méi)有一種可靠的方法被列入國(guó)家火災(zāi)混凝土檢測(cè)規(guī)程中。因此，科學(xué)真實(shí)地檢測(cè)評(píng)定出火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)的受損程度和剩余承載力具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)的社會(huì)意義。

1 火災(zāi)高溫對(duì)混凝土材料性能的損傷

混凝土是典型的不燃材料之一,熱容量大，導(dǎo)熱系數(shù)小，在火災(zāi)作用下，混凝土中的水分逸出，使混凝土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；同時(shí)，混凝土中的水泥石受熱分解，使膠體粘結(jié)力破壞，最終使混凝土的性能發(fā)生變化。

火災(zāi)的作用造成混凝土的強(qiáng)度損失和變形性能惡化的主要原因有[1]：

1）水分蒸發(fā)后形成的內(nèi)部空隙和裂縫。2）粗骨料和其周圍水泥砂漿體的熱工性能不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生變形差和內(nèi)應(yīng)力。3）骨料本身的受熱膨脹破裂等,這些內(nèi)部損傷的發(fā)展和積累隨著溫度升高而更加嚴(yán)重。

火災(zāi)中，混凝土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，水泥石膠體分解等使混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量隨溫度升高而呈下降趨勢(shì)?；馂?zāi)混凝土強(qiáng)度損失的大小，主要取決于構(gòu)件受火溫度的高低。當(dāng)受火溫度低于300 ℃時(shí)水泥石內(nèi)部發(fā)生蒸壓作用，水泥顆粒的水化作用加快,加速了水泥石的硬化作用，同時(shí)由于水泥石中的游離水被蒸發(fā)，使水泥顆粒之間粘結(jié)緊密。所以，在受火溫度不高時(shí)混凝土強(qiáng)度不一定降低。當(dāng)溫度超過(guò)300 ℃以后，硅酸二鈣脫水對(duì)水泥石的晶架起到破壞作用，混凝土強(qiáng)度有些降低。當(dāng)溫度超過(guò)400 ℃以后，水泥石的晶架結(jié)構(gòu)輕微破壞，混凝土強(qiáng)度急劇下降，當(dāng)溫度再升高，Ca(OH)2脫水分解，水泥石的微觀結(jié)構(gòu)受到破壞，最終導(dǎo)致混凝土破壞[2]。

2 火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法

2.1 常規(guī)檢測(cè)方法

2.1.1 表觀檢測(cè)法

檢測(cè)內(nèi)容包括：混凝土表面的顏色、龜裂、裂縫、爆裂和露筋情況。對(duì)每個(gè)構(gòu)件,記錄裂縫寬度、長(zhǎng)度、穿透深度和龜裂、爆裂面積的大小和嚴(yán)重程度;對(duì)于柱的四角、梁的下翼緣和樓板底面露筋進(jìn)行詳細(xì)檢查,對(duì)于多層配筋還應(yīng)注意各層配筋的露筋面積。

外觀檢查法的特點(diǎn)是直接、迅速，但是主要是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性不夠，所以在工程檢測(cè)中只作為參考。

2.1.2 碳化深度檢測(cè)法

混凝土受火災(zāi)溫度的影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成材料發(fā)生物理和化學(xué)變化，由其變化規(guī)律便可得出結(jié)構(gòu)受損的程度。用酚酞酒精溶液噴射混凝土并注意混凝土紫紅色區(qū)域的深度,就可測(cè)出碳化深度值。根據(jù)碳化深度值的大小可大致說(shuō)明混凝土被燒損的程度。此方法要注意自然碳化的影響。

2.1.3 超聲波法

超聲波法是目前可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)構(gòu)筑物內(nèi)部缺陷的主要手段，通過(guò)測(cè)量火災(zāi)附近區(qū)域沒(méi)有受火構(gòu)件的混凝土脈沖速度和受火的相同構(gòu)件混凝土脈沖速度，并進(jìn)行比較，可推測(cè)出火災(zāi)溫度。

超聲波對(duì)混凝土損傷疏松層比較敏感，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行超聲波綜合指標(biāo)檢測(cè)，可定量評(píng)估構(gòu)件表面曾經(jīng)歷過(guò)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(cè)距及鋼筋的影響很大，而且對(duì)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(kāi)裂剝落，用超聲波法檢測(cè)誤差較大。

1989年，SUV的概念還處在方興未艾的階段，而路虎卻敏銳地把握住了這個(gè)機(jī)會(huì)，推出了更為大眾化但依舊有著出色全地形能力的中型SUV—路虎發(fā)現(xiàn)。從這個(gè)時(shí)候開(kāi)始，除了農(nóng)場(chǎng)主、公務(wù)員和商賈巨富，有更多消費(fèi)者可以通過(guò)路虎發(fā)現(xiàn)來(lái)領(lǐng)略這個(gè)世界不一樣的風(fēng)景了。

2.1.4 回彈法

回彈法是一種通過(guò)測(cè)試混凝土構(gòu)件表面硬度來(lái)判定混凝土強(qiáng)度的非破損檢測(cè)方法。這種方法在現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)中已得到廣泛應(yīng)用。其原理是根據(jù)混凝土表面的硬度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，利用量測(cè)表面硬度來(lái)推算混凝土的強(qiáng)度。所用的儀器是回彈儀。

《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定回彈法不能直接用于火災(zāi)混凝土的檢測(cè)。因?yàn)榛馂?zāi)混凝土其內(nèi)外材性不一樣，由回彈法檢測(cè)混凝土構(gòu)件表面材性來(lái)推斷整個(gè)構(gòu)件的受損程度是不合適的。但這并不表明由回彈法測(cè)來(lái)的強(qiáng)度值沒(méi)有價(jià)值，只要對(duì)回彈結(jié)果作適當(dāng)?shù)男拚?，利用硬度變化，同樣能較為準(zhǔn)確地判定混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度。為此，文獻(xiàn)[3]通過(guò)大量工程實(shí)踐和系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，對(duì)強(qiáng)度修正后,將回彈法應(yīng)用于火災(zāi)混凝土的檢測(cè)。

2.1.5 鉆芯法

利用鉆芯取樣檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，是一種準(zhǔn)確的方法。火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)，用鉆芯取樣檢測(cè)其強(qiáng)度提供評(píng)估依據(jù)也是一種方法，但當(dāng)構(gòu)件尺寸較小或火災(zāi)較為嚴(yán)重時(shí)，會(huì)給鉆取芯樣造成困難，芯樣容易損壞,同時(shí)因混凝土內(nèi)部存在不均勻溫度分布，芯樣實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)非均勻?qū)訝钤嚇?。如果在火?zāi)混凝土取芯時(shí)其芯樣已破損，則此部分混凝土強(qiáng)度也一定較低，其結(jié)果無(wú)代表性。

2.1.6 火災(zāi)損傷深度檢測(cè)法

葡萄牙的JR Dos Santos 等在鉆芯法的基礎(chǔ)上發(fā)展了損傷深度檢測(cè)法，可以說(shuō)是一種細(xì)化了的鉆芯法?；馂?zāi)混凝土芯樣的損傷程度呈層狀分布，據(jù)此，可把芯樣切成厚1.5 cm 的切片，這樣每個(gè)被切成扁圓柱體形的切片樣本可近似認(rèn)為其損傷程度是一樣的。因?yàn)閾p傷程度越嚴(yán)重的混凝土裂縫越多，也越疏松?？紫堵蚀?，吸水率必然也隨之增長(zhǎng)。分別稱得切片干燥時(shí)和吸水飽和時(shí)的重量，可得到吸水率。同時(shí)做張拉應(yīng)力試驗(yàn)。從而得到每個(gè)切片樣本的吸水率和張拉應(yīng)力損失，與混凝土損傷深度建立關(guān)聯(lián)[4]。

2.1.7 錘擊法

2.1.8 拔出試驗(yàn)法

拔出試驗(yàn)的步驟是：先用高強(qiáng)建筑膠將鋼板粘貼在混凝土表面,等建筑膠達(dá)到一定強(qiáng)度后，記錄用千斤頂將鋼板拔出所用的力，可折算出該處2.5 cm厚度范圍內(nèi)混凝土的強(qiáng)度。這種方法對(duì)混凝土的損傷較小，可以對(duì)受火后的構(gòu)件進(jìn)行全面的檢測(cè)[5]。

2.1.9 鉆孔內(nèi)裂法

采用直徑為6 mm 的電鉆，在混凝土構(gòu)件上鉆一個(gè)深度為30～35 mm 的孔，清除孔內(nèi)粉塵，將一個(gè)直徑6 mm 的楔形脹管螺栓插入孔內(nèi)，當(dāng)脹管到達(dá)混凝土的測(cè)定深度時(shí)停止；用開(kāi)槽靠尺檢查和調(diào)整螺栓與混凝土表面的垂直度后,裝上張拉千斤頂，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)獲得拔出力，根據(jù)測(cè)定的拔出力大小來(lái)評(píng)定混凝土的強(qiáng)度[6]。

2.2 檢測(cè)方法的新發(fā)展

2.2.1 化學(xué)分析法

化學(xué)分析主要是檢測(cè)硬化水泥漿體中是否殘留結(jié)合水。它是用鑿子將每層厚度為1～10 cm 的混凝土表層鑿掉，收集粉末，去掉試樣中的砂子，將水泥粉末加熱并測(cè)定結(jié)合水的含量。根據(jù)殘留結(jié)合水含量與溫度之間的關(guān)系，可得出混凝土構(gòu)件的溫度梯度和強(qiáng)度的損失。

2.2.2 電鏡分析法

由于混凝土的組成在不同溫度下其物相將發(fā)生不同程度的變化，這為采用電子顯微鏡觀察法創(chuàng)造了條件。用電子顯微鏡觀察混凝土的顯微結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)對(duì)顯微結(jié)構(gòu)特征的分析確定火災(zāi)溫度的方法稱為電鏡分析法。

工程診斷時(shí)，在火災(zāi)區(qū)域內(nèi)選取不同燒損程度的構(gòu)件表面混凝土小塊，用電子顯微鏡觀察混凝土結(jié)構(gòu)的顯微特征，可大致判斷火災(zāi)溫度。為了提高判定火災(zāi)溫度的準(zhǔn)確性，在抽取構(gòu)件表面被燒損混凝土塊時(shí)應(yīng)同時(shí)抽取構(gòu)件內(nèi)部未燒損的混凝土塊進(jìn)行電鏡分析，以便進(jìn)行對(duì)比分析，提高判斷結(jié)果的精度。

2.2.3 熱發(fā)光法

最早提出用熱發(fā)光法檢測(cè)火災(zāi)混凝土的是英國(guó)蘇格蘭斯特拉思克萊德大學(xué)土木工程系的Iain Alasdair M acLeod 教授。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所的裴靜嫻教授和河南工業(yè)大學(xué)的韓陽(yáng)教授曾將該方法應(yīng)用于鄭州天然商廈火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)的工程檢測(cè)中，取得了良好的效果。

熱發(fā)光是巖石、礦物受熱而發(fā)光的現(xiàn)象。其特點(diǎn)是：①不同于一般礦物的赤熱發(fā)光(可見(jiàn)光)，在赤熱之前(一般指0～400 ℃)，由礦物晶格缺陷捕獲電子而儲(chǔ)存起來(lái)的電離輻射能在受熱過(guò)程中又以光的形式釋放出來(lái)。②發(fā)光的不可再現(xiàn)性，即一旦受熱發(fā)光，冷卻后重新加熱也不再重現(xiàn)發(fā)光。只有當(dāng)樣品接受一定劑量輻照后才會(huì)重現(xiàn)熱發(fā)光。

取混凝土中的石英顆粒，進(jìn)行熱發(fā)光量測(cè)量，其輝光曲線和峰形變化特征可作為判定其受熱上限溫度的重要依據(jù)。石英本身放射性元素含量極微，其熱發(fā)光靈敏度較強(qiáng)，易于在環(huán)境中累積熱發(fā)光能量。因而，上述熱發(fā)光特性在石英礦物上尤為明顯和穩(wěn)定[7]。

2.2.4 紅外熱像法

自然界中，所有絕對(duì)零度以上的物體都連續(xù)不斷地輻射紅外線，其輻射數(shù)量與該物體的溫度密切相關(guān)。紅外檢測(cè)技術(shù)是利用紅外輻射對(duì)物體或材料表面進(jìn)行檢測(cè)的專門技術(shù)。大多數(shù)建筑材料是導(dǎo)熱性差而表面紅外輻射發(fā)射率大的材料，采用紅外熱像檢測(cè)靈敏度較高。

火災(zāi)混凝土表面狀態(tài)和組成隨遭受的溫度不同而發(fā)生變化。在一定的環(huán)境條件下，不同損傷的混凝土輻射不同數(shù)量的紅外輻射。使用熱像儀能迅速地掃描建筑物或混凝土結(jié)構(gòu)表面，缺陷區(qū)域?qū)@示不同的紅外輻射結(jié)果。利用紅外熱像儀可直接讀取和分析所獲信息，從而推斷其損傷情況[8]。

2.2.5 數(shù)值模擬法

利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，如利用ANSYS 軟件的熱分析模塊,輸入混凝土的熱工參數(shù),初始條件、邊界條件及火災(zāi)溫度變化過(guò)程，就可以模擬出混凝土構(gòu)件的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力。這種方法可以與試驗(yàn)方法配合使用，互相補(bǔ)充。

3 結(jié)語(yǔ)

前述火災(zāi)混凝上檢測(cè)方法，雖然各有其不足之處，但也有其獨(dú)到的可取之處，尤其近些年來(lái)發(fā)展的新方法與傳統(tǒng)方法相比有了很大的進(jìn)步。這些方法大都借助先進(jìn)的檢測(cè)儀器，并且借鑒了其它學(xué)科的相關(guān)原理，這在火災(zāi)混凝上檢測(cè)的發(fā)展上是一個(gè)突破。就目前而言，由于火災(zāi)情況錯(cuò)綜復(fù)雜和火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)與性能的特殊性，還找不到一種能夠全面檢測(cè)的方法，因此在實(shí)際工程檢測(cè)中大都采用多種能相互彌補(bǔ)的方法進(jìn)行綜合檢測(cè)，從而得到較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

[1]張大長(zhǎng),呂志濤.火災(zāi)對(duì)RC、PC 構(gòu)件材料性能的影響[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1998,45(2)：25～31.

[2]G.A.Khoury,B.N.Grainser and P.J.E.Sullivan,Strain of concret during first cooling from 600℃under Mag.of Concrete Research,1986,38(134)：3～12.

[3]陸洲導(dǎo),朱伯龍.混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的檢測(cè)方法研究[J].工業(yè)建筑,1995,12：37～41.

[4]Dos Santos JR,et al.Assessment of concrete structures subjected to fire-Best[J].Magazine of concrete Research,2002,54(3)：203～208.

[5]李延和,閔明保.火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)受損程度的診斷方法[J].南京建工學(xué)院學(xué)報(bào),7～14,1995,5.

[6]國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心主編.混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[M].中國(guó)建材工業(yè)出版社,1996.

[7]裴靜嫻,韓陽(yáng),孫新河.用熱發(fā)光方法評(píng)定火災(zāi)后混凝土構(gòu)件的燒傷程度[J].科學(xué)通報(bào),1996,41(15）：1409～1412.

[8]杜紅秀,張雄.火災(zāi)混凝土紅外熱像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),1998(A02)：229～233.