火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(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。國內(nèi)外對于火災(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方法。由于火災(zāi)混凝土的特殊性，盡管檢測技術(shù)己取得相當(dāng)大的進(jìn)展，但目前仍沒有一種可靠的方法被列入國家火災(zāi)混凝土檢測規(guī)程中。因此，科學(xué)真實(shí)地檢測評定出火災(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)的社會意義。

1 火災(zāi)高溫對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，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?；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，在受火溫度不高時混凝土強(qiáng)度不一定降低。當(dāng)溫度超過300 ℃以后，硅酸二鈣脫水對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)損傷檢測方法

2.1 常規(guī)檢測方法

2.1.1 表觀檢測法

檢測內(nèi)容包括：混凝土表面的顏色、龜裂、裂縫、爆裂和露筋情況。對每個構(gòu)件,記錄裂縫寬度、長度、穿透深度和龜裂、爆裂面積的大小和嚴(yán)重程度;對于柱的四角、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)場經(jīng)驗，準(zhǔn)確性不夠，所以在工程檢測中只作為參考。

2.1.2 碳化深度檢測法

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,就可測出碳化深度值。根據(jù)碳化深度值的大小可大致說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)場檢測構(gòu)筑物內(nèi)部缺陷的主要手段，通過測量火災(zāi)附近區(qū)域沒有受火構(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，可推測出火災(zāi)溫度。

超聲波對混凝土損傷疏松層比較敏感，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。

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機(jī)會，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)。從這個時候開始，除了農(nóng)場主、公務(wù)員和商賈巨富，有更多消費(fèi)者可以通過路虎發(fā)現(xiàn)來領(lǐng)略這個世界不一樣的風(fēng)景了。

2.1.4 回彈法

回彈法是一種通過測試混凝土構(gòu)件表面硬度來判定混凝土強(qiáng)度的非破損檢測方法。這種方法在現(xiàn)場混凝土強(qiáng)度的檢測中已得到廣泛應(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，利用量測表面硬度來推算混凝土的強(qiáng)度。所用的儀器是回彈儀。

《回彈法檢測混凝土抗壓強(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。因為火災(zāi)混凝土其內(nèi)外材性不一樣，由回彈法檢測混凝土構(gòu)件表面材性來推斷整個構(gòu)件的受損程度是不合適的。但這并不表明由回彈法測來的強(qiáng)度值沒有價值，只要對回彈結(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]通過大量工程實(shí)踐和系統(tǒng)的試驗研究，對強(qiáng)度修正后,將回彈法應(yīng)用于火災(zāi)混凝土的檢測。

2.1.5 鉆芯法

利用鉆芯取樣檢測混凝土強(qiáng)度，是一種準(zhǔn)確的方法。火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)，用鉆芯取樣檢測其強(qiáng)度提供評估依據(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，會給鉆取芯樣造成困難，芯樣容易損壞,同時因混凝土內(nèi)部存在不均勻溫度分布，芯樣實(shí)際上相當(dāng)于一個非均勻?qū)訝钤嚇?。如果在火?zāi)混凝土取芯時其芯樣已破損，則此部分混凝土強(qiáng)度也一定較低，其結(jié)果無代表性。

2.1.6 火災(zāi)損傷深度檢測法

葡萄牙的JR Dos Santos 等在鉆芯法的基礎(chǔ)上發(fā)展了損傷深度檢測法，可以說是一種細(xì)化了的鉆芯法。火災(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。因為損傷程度越嚴(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。分別稱得切片干燥時和吸水飽和時的重量，可得到吸水率。同時做張拉應(yīng)力試驗。從而得到每個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 拔出試驗法

拔出試驗的步驟是：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。這種方法對混凝土的損傷較小，可以對受火后的構(gòu)件進(jìn)行全面的檢測[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)件上鉆一個深度為30～35 mm 的孔，清除孔內(nèi)粉塵，將一個直徑6 mm 的楔形脹管螺栓插入孔內(nèi)，當(dāng)脹管到達(dá)混凝土的測定深度時停止；用開槽靠尺檢查和調(diào)整螺栓與混凝土表面的垂直度后,裝上張拉千斤頂，進(jìn)行拉拔試驗獲得拔出力，根據(jù)測定的拔出力大小來評定混凝土的強(qiáng)度[6]。

2.2 檢測方法的新發(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，通過對顯微結(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，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應(yīng)同時抽取構(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)光法檢測火災(zāi)混凝土的是英國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(可見光)，在赤熱之前(一般指0～400 ℃)，由礦物晶格缺陷捕獲電子而儲存起來的電離輻射能在受熱過程中又以光的形式釋放出來。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)。紅外檢測技術(shù)是利用紅外輻射對物體或材料表面進(jìn)行檢測的專門技術(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)溫度變化過程，就可以模擬出混凝土構(gòu)件的溫度場和溫度應(yīng)力。這種方法可以與試驗方法配合使用，互相補(bǔ)充。

3 結(jié)語

前述火災(zāi)混凝上檢測方法，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)混凝上檢測的發(fā)展上是一個突破。就目前而言，由于火災(zāi)情況錯綜復(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的方法，因此在實(shí)際工程檢測中大都采用多種能相互彌補(bǔ)的方法進(jìn)行綜合檢測，從而得到較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

[1]張大長,呂志濤.火災(zāi)對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,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,7～14,1995,5.

[6]國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中心主編.混凝土無損檢測技術(shù)[M].中國建材工業(yè)出版社,1996.

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

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