超聲法檢測混凝土燒傷深度在工程中的應(yīng)用

袁曉麗

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原 030001)

0 引言

火災(zāi)的發(fā)生對建筑物會造成巨大破壞，建筑物在發(fā)生火災(zāi)后，應(yīng)盡快地進行火災(zāi)調(diào)查，并對受損程度進行科學(xué)判斷，確定合理的結(jié)構(gòu)加固方案，盡快恢復(fù)其使用功能。長期以來火災(zāi)后結(jié)構(gòu)修復(fù)加固方案主要憑經(jīng)驗及主觀判斷，這種以主觀經(jīng)驗為依據(jù)的修復(fù)加固方案，可能造成加固措施過度和加固措施不到位兩種不合理的情況。如何確?；馂?zāi)后受損混凝土結(jié)構(gòu)的安全，如何選擇合理優(yōu)化的災(zāi)后結(jié)構(gòu)修復(fù)加固方案，需要對火災(zāi)后受損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行正確地評估，而準確判斷混凝土的燒傷深度，可為火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的剩余承載力的確定、復(fù)核計算和加固處理等后續(xù)工作提供可靠依據(jù)。

1 火災(zāi)對混凝土的影響

火災(zāi)使混凝土物理力學(xué)性能發(fā)生變化，影響結(jié)構(gòu)的承載力?；炷猎谠馐芑馂?zāi)時，從室溫開始升溫至300℃時，在混凝土中的物理化學(xué)結(jié)合水逐步排除并汽化逸出，水泥石有一定收縮而骨料卻無大的膨脹。當溫度上升到400℃后，混凝土中的水泥石產(chǎn)生膨脹變形，內(nèi)應(yīng)力在水泥石與骨料之間膠結(jié)面上產(chǎn)生，混凝土的力學(xué)性能開始下降。當溫度達到700℃ ～800℃以后，骨料的熱膨脹加劇，開始分解，造成骨料與水泥石的熱變形差異劇增，使混凝土粘結(jié)力破壞，接觸界面裂縫進一步發(fā)展。

2 檢測原理及方法

超聲法檢測混凝土內(nèi)部不密實缺陷和裂縫的基本原理是聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，從而判斷混凝土構(gòu)件的內(nèi)部是否存在不密實或空洞等缺陷，并根據(jù)測試點排列的位置確定其內(nèi)部缺陷的范圍?；馂?zāi)時混凝土在高溫作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，聲波在疏松介質(zhì)中的傳播速度較在正常混凝土介質(zhì)中的傳播速度慢。據(jù)此利用超聲法可較為直觀的測試出聲波在受損混凝土內(nèi)部傳播速度的突變，從而推斷出構(gòu)件燒傷深度。

根據(jù)CECS21∶2000超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程中相關(guān)要求，對鉆取的混凝土芯樣沿長度方向，在混凝土芯樣兩對應(yīng)側(cè)面上以1 cm的間距布置超聲波測點，并進行編號，以便于確定相對應(yīng)的測點。按徑向使用聚能探頭(點狀探頭)對芯樣進行逐點超聲波對測測試。按一定的順序測取各測點的聲時、幅度及頻率值。布點以及測試見圖1，圖2。

3 注意事項

在使用超聲法檢測混凝土燒傷深度時應(yīng)選用頻率較低的換能器，為避免高頻聲波在傳播的過程中產(chǎn)生較大衰減對測試造成影響，在混凝土的檢測中一般采用低頻超聲波。處理接收到的超聲波信號時，在時域中判斷所接收到的超聲波信號，對缺陷的識別帶有很大的主觀性。火災(zāi)后混凝土構(gòu)件內(nèi)部介質(zhì)較為復(fù)雜，在時域中提取損傷特征信息時應(yīng)注意詳細區(qū)分。

圖1 對測法測點布置示意圖

圖2 超聲法測試芯樣燒傷深度

4 工程實例

4．1 長治某超市實例

長治某超市，整體由四個部分組成，并先后陸續(xù)建成，將該超市的四個部分按時間順序定義為A，B，C，D四個區(qū)，區(qū)域劃分見圖3。

圖3 某超市區(qū)域劃分示意圖

該超市發(fā)生火災(zāi)后，經(jīng)現(xiàn)場勘查，該超市火災(zāi)的起火點在超市內(nèi)部，從火災(zāi)產(chǎn)生到熄滅歷時約6 h，各區(qū)域受損的程度不同。通過調(diào)查火災(zāi)現(xiàn)場狀態(tài)，檢視各處物品燃燒程度，檢測構(gòu)件損傷程度，對整個結(jié)構(gòu)的柱、梁、板分類檢測。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的火場溫度以及構(gòu)件表觀現(xiàn)象的檢查，將其劃分為3個等級:嚴重(Ⅲ類構(gòu)件)、一般(Ⅱb類構(gòu)件)和基本完好(Ⅱa類構(gòu)件)。

為確定該超市主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土的燒傷深度，現(xiàn)場對該超市主體結(jié)構(gòu)的混凝土構(gòu)件進行鉆芯取樣，并對鉆取的芯樣進行燒傷深度檢測。鉆取芯樣的數(shù)量為:Ⅱa類構(gòu)件49個;Ⅱb類構(gòu)件28個;Ⅲ類構(gòu)件20個。

根據(jù)芯樣聲速值，對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，分別繪制未過火構(gòu)件、過火構(gòu)件等5條聲速—深度曲線。各聲速—深度曲線見圖4～圖8。

未過火構(gòu)件聲速平均值為4．410 km/s，數(shù)據(jù)點多分布在平均值兩側(cè)，隨著深度變化，聲速曲線幾乎與橫坐標(深度坐標)平行;過火構(gòu)件聲速平均值為3．974 km/s，隨深度變化，聲速曲線呈明顯的規(guī)律性遞增狀。

圖5 過火構(gòu)件聲速—深度曲線

圖6 Ⅱa類構(gòu)件聲速—深度曲線（一）

圖7 Ⅱb類構(gòu)件聲速—深度曲線（一）

圖8 Ⅲ類構(gòu)件聲速—深度曲線（一）

對圖6～圖8以及相應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析可知:Ⅱa類構(gòu)件混凝土聲速值為3．308 km/s～4．546 km/s，平均聲速值為4．041 km/s，隨深度變化，聲速曲線呈明顯的規(guī)律性遞增狀，構(gòu)件混凝土聲速測試曲線在4 cm處存在較為明顯的拐點。Ⅱb類構(gòu)件混凝土聲速值介于2．534 km/s～3．941 km/s之間，平均聲速值為 3．363 km/s，隨深度變化，聲速曲線呈明顯的規(guī)律性遞增狀，構(gòu)件混凝土聲速測試曲線在3 cm，7 cm，10 cm三個點位存在較為明顯的拐點。Ⅲ類構(gòu)件混凝土聲速值介于3．269 km/s～4．854 km/s之間，平均聲速值為4．068 km/s，隨深度變化，聲速曲線呈明顯的規(guī)律性遞增狀。構(gòu)件混凝土聲速測試曲線在4 cm，6 cm，8 cm三個點位存在較為明顯的拐點。

綜合分析可知:1)受火災(zāi)影響，過火后的混凝土構(gòu)件內(nèi)部密實度有所降低;2)過火構(gòu)件燒傷影響深度判定為:Ⅱa類0 mm～40 mm;Ⅱb類40 mm～60 mm;Ⅲ類60 mm～80 mm。

4．2 晉城某小區(qū)地下車庫實例

晉城市某小區(qū)1號，2號地下車庫，均未完工，處于在建狀態(tài)，車庫起火點在2號車庫南段，由于兩車庫頂板模板尚未拆除，火勢迅速沿頂板模板由南向北往1號車庫蔓延，至明火撲滅時，兩車庫的已建部分全部過火，起火點區(qū)域的混凝土已經(jīng)全部坍塌。

為方便描述，將兩個車庫按后澆帶及伸縮縫共劃分為5個區(qū)域，見圖9。根據(jù)各類構(gòu)件在主體結(jié)構(gòu)中的作用及火災(zāi)對其影響程度的不同，對應(yīng)調(diào)查的火災(zāi)溫度和構(gòu)件表面現(xiàn)象的檢查，將其劃分為三個等級:嚴重(Ⅲ類構(gòu)件)、一般(Ⅱb類構(gòu)件)和基本完好(Ⅱa類構(gòu)件)。

圖9 區(qū)域劃分

為確定車庫混凝土構(gòu)件的燒傷深度，現(xiàn)場對車庫的混凝土構(gòu)件進行鉆芯取樣，并對鉆取的芯樣進行燒傷深度檢測。鉆取芯樣的數(shù)量為:Ⅱa類構(gòu)件22個;Ⅱb類構(gòu)件37個;Ⅲ類構(gòu)件45個。

根據(jù)芯樣聲速值，對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，分別繪制Ⅱa類構(gòu)件、Ⅱb類構(gòu)件、Ⅲ類構(gòu)件的“聲速—深度”折線圖，共計3條，見圖10～圖12。

圖10 Ⅱa類構(gòu)件聲速—深度曲線（二）

圖11 Ⅱb類構(gòu)件聲速—深度曲線（二）

圖12 Ⅲ類構(gòu)件聲速—深度曲線（二）

對圖10～圖12以及相應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析:Ⅱa類構(gòu)件混凝土聲速值介于3．587 km/s～4．634 km/s之間，聲速在3 cm處存在明顯拐點，0 cm～3 cm之間聲速隨深度增加而遞增，而超過3 cm后聲速則基本無變化;Ⅱb類構(gòu)件混凝土聲速值介于3．499 km/s～4．472 km/s之間，聲速在5 cm處存在明顯拐點，0 cm～5 cm之間聲速隨深度增加而遞增，而超過5 cm后聲速則基本無變化;Ⅲ類構(gòu)件混凝土聲速值介于1．790 km/s～4．470 km/s之間，聲速在5 cm處存在明顯拐點，0 cm～5 cm之間聲速隨深度增加而遞增且斜率較大，而超過5 cm后聲速則基本無變化;由于Ⅲ類芯樣前端面多數(shù)存在破損，破損深度約4 cm左右，故實際拐點位置判定為9 cm更為合理。

綜合分析可知:1)受火災(zāi)影響，過火后的混凝土構(gòu)件內(nèi)部密實度有所降低;2)燒傷深度基本判定為:Ⅱa類構(gòu)件0 mm～30 mm;Ⅱb類構(gòu)件30 mm～50 mm，Ⅲ類構(gòu)件50 mm～90 mm。

5 結(jié)語

在上述兩例的實際檢測中，采用了超聲波測試并綜合考慮給出了構(gòu)件的燒傷深度。從現(xiàn)場情況來看，燒傷深度基本上可以分為已燒損脫落的和燒傷影響的兩個部分。為客觀真實反映，采用在芯樣上進行對測，實測結(jié)果表明了理論的正確性，燒傷深度范圍內(nèi)的混凝土的密實性較未燒傷的混凝土有所降低，且和燒傷的程度有關(guān)。過火構(gòu)件混凝土內(nèi)部密實程度較未過火構(gòu)件亦有所下降。

采用超聲法對鉆取的芯樣沿芯樣長度方向?qū)π緲舆M行逐點超聲波對測測試的方法能夠較為準確的確定混凝土構(gòu)件的燒傷深度，為火災(zāi)后結(jié)構(gòu)剩余承載力的確定、復(fù)核計算以及加固處理提供可靠依據(jù)。

［1］ 《新編混凝土無損檢測技術(shù)》編寫組．新編混凝土無損檢測技術(shù)［M］．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002．

［2］ 吳慧敏．結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)場檢測新技術(shù)——混凝土非破損檢測［M］．第2版．長沙:湖南大學(xué)出版社，1998．

［3］ GB/T 50344-2004，建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準［S］．

［4］ GB 50068-2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準［S］．

［5］ CECS 03∶88，鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程［S］．

［6］ CECS21∶2000，超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程［S］．