局部火災(zāi)對(duì)高層住宅混凝土構(gòu)件的影響

劉運(yùn)房,郭 慶,侯晉杰 檀 峰

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

火災(zāi)是最直接危害人類生命安全的災(zāi)害之一。據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計(jì)，2020年，全國(guó)共接報(bào)火災(zāi)25.2萬(wàn)起，造成多人傷亡，直接財(cái)產(chǎn)損失40.09億元，火災(zāi)形勢(shì)依然不容樂觀。例如，2020年10月1日，山西省迎澤區(qū)臺(tái)駘山景區(qū)冰燈雪雕館發(fā)生火災(zāi)；2021年6月25日 河南省柘城縣一家武術(shù)館發(fā)生重大火災(zāi)，事后發(fā)現(xiàn)多數(shù)建筑整體倒塌是因?yàn)殇摻罨炷敛牧弦蚧鹱饔贸休d力不足導(dǎo)致。與此同時(shí)，受局部火災(zāi)作用的建筑僅個(gè)別鋼筋混凝土構(gòu)件存在危險(xiǎn)，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)加固后，仍能繼續(xù)使用，但面臨著火災(zāi)后力學(xué)性能評(píng)估和修復(fù)加固的問題，有必要對(duì)局部火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行研究。因此，本文以實(shí)際某高層局部火災(zāi)波及的結(jié)構(gòu)區(qū)域工程結(jié)構(gòu)鑒定為例，對(duì)局部火災(zāi)對(duì)高層住宅混凝土構(gòu)件的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為該類工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某新建住宅樓，為地下4層，地上48層，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。2021年4月21日9時(shí)43分左右，該樓37層15-17/C-F軸段房間，在施工中突發(fā)火險(xiǎn)，火情自9時(shí)43分被發(fā)現(xiàn)，至10時(shí)10分被撲滅。燃燒持續(xù)時(shí)間約為20 min，室內(nèi)木材和泡沫擠塑板均已完全燃燒，滅火方式主要為消防隊(duì)使用高壓水槍噴澆滅火。檢測(cè)時(shí)，起火部位對(duì)應(yīng)的混凝土頂板已大部進(jìn)行了修補(bǔ)，新補(bǔ)混凝土模板尚未拆除；現(xiàn)場(chǎng)燃燒殘余物也已大部分被清理；除起火房間外，相鄰的走廊、衛(wèi)生間等部位也有煙熏痕跡。建筑平面示意圖如圖1所示，滅火后起火房間現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示，委托檢測(cè)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

2 火作用調(diào)查

2.1 火災(zāi)過程調(diào)查

經(jīng)調(diào)查和問詢，起火主要原因是泡沫擠塑板遇火源，迅速燃燒，進(jìn)而木跳板起火，根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)殘余物有木材、泡沫擠塑板等，燃燒特點(diǎn)屬于分解燃燒，即固體可燃物由于受熱分解而產(chǎn)生可燃?xì)怏w后發(fā)生的有焰燃燒。

2.2 火災(zāi)環(huán)境調(diào)查

經(jīng)調(diào)查和問詢，該樓37層15-17/C-F軸段房間內(nèi)無(wú)消防措施，燃燒環(huán)境干燥，起火位置室內(nèi)地面標(biāo)高為109.4 m，房間內(nèi)風(fēng)速較大。受火墻體主要為37層15/C-F軸600 mm混凝土剪力墻、15-17/C軸500 mm混凝土剪力墻；15-(1/15)/F軸300 mm加氣混凝土砌塊填充墻、(1/16)/C-F軸100 mm加氣混凝土砌塊填充墻；樓蓋為100 mm厚混凝土現(xiàn)澆板；混凝土導(dǎo)熱性能較差。

2.3 火場(chǎng)殘留物狀況調(diào)查

進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)燃燒殘余物已大部分被清理，火場(chǎng)僅存有少量的殘留物，主要現(xiàn)狀為木條燃燒呈碳狀、裝修用金屬吊桿表面熏黑，膠狀物燒結(jié)、排水管道與樓層呼叫器表面軟化、線盒線管部分燒損碳化等。根據(jù)常見材料的變態(tài)溫度、燃點(diǎn)，木材燃點(diǎn)為240 ℃～270 ℃、橡膠燃點(diǎn)為130 ℃、氟化塑料管材變態(tài)溫度為150 ℃～290 ℃等，火場(chǎng)溫度約在300 ℃。

2.4 火災(zāi)影響區(qū)域調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)目視檢查和信息收集、工程相關(guān)人員對(duì)火災(zāi)過程的描述和現(xiàn)場(chǎng)殘留物狀況的檢查及結(jié)構(gòu)外觀燒損狀況的檢查，火災(zāi)影響區(qū)域范圍分別為：

1)火場(chǎng)區(qū)域：37層15-(1/16)/C-F軸段。

2)高溫?zé)煔鈴浡^(qū)域：37層(1/16)-17/C-F軸段、15-(1/15)/ F-J軸段、 (1/15)- (1/18)/ F-J軸段、15-18/J-M軸段。

3)不可忽略的溫度應(yīng)力作用區(qū)域：36層15-(1/16)/C-F軸段、(1/16)-17/C-F軸段、15-(1/15)/F-J軸段；38層15-(1/16)/C-F軸段、(1/16)-17/C-F軸段、15-(1/15)/ F-J軸段。

2.5 構(gòu)件表面溫度推定

通過對(duì)構(gòu)件表面色澤、外觀破損和裂縫情況的目視檢查，結(jié)合錘擊測(cè)試，37層15-17/C-F頂板已大部分進(jìn)行了修補(bǔ)，新補(bǔ)混凝土模板尚未拆除，不進(jìn)行表面溫度推定；37層15/C-F軸墻顏色灰青，近觀正常15/F節(jié)點(diǎn)線盒附近有約3 m2范圍敲擊聲略喑啞，南側(cè)墻體底部混凝土局部剝落、鋼筋裸露，溫度略高于300 ℃；其余構(gòu)件顏色均呈灰青色，近觀正常，錘擊聲音響亮，表面不留痕跡，溫度均低于300 ℃。

2.6 構(gòu)件內(nèi)部最高溫度推定

依據(jù)構(gòu)件表面最高溫度推定結(jié)果，通過對(duì)混凝土構(gòu)件外觀特征目視檢查，本次檢測(cè)范圍內(nèi)36層15-17/C-F軸頂板、37層15/C-F軸剪力墻為直接受火鋼筋混凝土構(gòu)件，當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間小于20 min，構(gòu)件內(nèi)部最高溫度場(chǎng)溫度略高于300 ℃，其余混凝土構(gòu)件內(nèi)部最高溫度場(chǎng)溫度均小于300 ℃。

2.7 混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件燒傷深度檢測(cè)

混凝土在火災(zāi)高溫作用下，加速了游離水分的蒸發(fā)，并導(dǎo)致水泥漿體疏松、脫水、分解、骨料晶體分解、開裂和強(qiáng)度降低等一系列變化，超聲波脈沖在火災(zāi)受損混凝土中的傳播速度必然較在未受損混凝土中的傳播速度低。根據(jù)以上原理，采用NM-4B型非金屬超聲儀，依據(jù)CECS 21：2000超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程[1]，對(duì)鉆取的芯樣沿芯樣長(zhǎng)度方向，在芯樣的兩對(duì)應(yīng)側(cè)面上以1 cm的間距布置超聲測(cè)點(diǎn)，按徑向?qū)π緲舆M(jìn)行超聲波測(cè)試。測(cè)試時(shí)選用頻率較高的換能器，換能器與芯樣表面保持耦合良好。芯樣燒傷深度檢測(cè)情況如圖4所示，此次測(cè)試如圖5所示。

所測(cè)5個(gè)混凝土芯樣試件，分別采自5個(gè)受火作用影響不同的部位。其中，36層15-(1/16)/C-F頂板芯樣，采樣部位位于主要燃燒物擠塑板的堆放位置，屬于直接過火的起火點(diǎn)部位，所受火作用應(yīng)為直接灼燒；37層15/C-F軸墻北段芯樣，采樣部位位于緊貼起火點(diǎn)的墻面下段，所受火作用應(yīng)為直接灼燒；37層15-17/C軸墻芯樣，采樣部位位于南墻洞口木跳板正下方，距離明火較近但未直接遭受明火燒灼，故所受火作用應(yīng)為高溫灼傷；37層15/C-F軸墻芯樣，采樣部位為該段墻體的南段中部，距離起火點(diǎn)1.5 m以上，所受火作用應(yīng)為高溫?zé)煔庾苽?，作用時(shí)間較短且作用溫度較低；37層17/C-F軸墻芯樣，采樣部位為該段墻體中部，與火場(chǎng)間有墻體相隔，且位置較低，故應(yīng)僅受少量煙氣和遠(yuǎn)場(chǎng)溫度輻射影響，并未遭受實(shí)質(zhì)性損害。

由圖5可知，所取的5個(gè)混凝土芯樣中聲速值基本在4 km/s～5.0 km/s之間。僅15/C-F軸墻北段的最外層3 cm范圍聲速略低于其余芯樣。因此，火災(zāi)對(duì)混凝土質(zhì)量影響較小。

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果分析可知，過火構(gòu)件僅37層15/C-F軸墻北段近起火點(diǎn)位置燒傷深度在3 cm左右；其余混凝土構(gòu)件未受明顯燒傷影響。

3 混凝土材料強(qiáng)度檢測(cè)

依據(jù)JGJ/T 384—2016鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[2]，采用鉆芯法在不同受火構(gòu)件上鉆取芯樣。將所取芯樣進(jìn)行超聲測(cè)試后，經(jīng)切割加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，自然干燥后，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，測(cè)試其現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度。芯樣試件抗壓試驗(yàn)的操作符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[3]中對(duì)立方體試塊抗壓試驗(yàn)的規(guī)定。芯樣試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 芯樣試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)JGJ/T 384—2016鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程第6章的相關(guān)規(guī)定，對(duì)混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，所取的4個(gè)芯樣試件混凝土現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)(C35)要求的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即火災(zāi)對(duì)混凝土材料抗壓強(qiáng)度的影響尚不明顯。

4 火災(zāi)后混凝土內(nèi)部歷經(jīng)最高溫度檢測(cè)

依據(jù)T/CECS 252—2019火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)[4]第4.1.5條第3款的規(guī)定，火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面歷經(jīng)最高溫度場(chǎng)，可根據(jù)混凝土材料微觀分析結(jié)果進(jìn)行推斷。本次利用電鏡分析，對(duì)12號(hào)樓過火及高溫輻射影響區(qū)域剪力墻、板構(gòu)件所取混凝土芯樣進(jìn)行火災(zāi)后混凝土材料微觀測(cè)試，根據(jù)電鏡分析結(jié)果對(duì)火災(zāi)后混凝土材料特征溫度進(jìn)行確定。芯樣檢測(cè)情況如圖6～圖11所示，分析結(jié)果見表2。

表2 過火混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件芯樣電鏡分析

5 過火鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)在37層15-17/C-F軸段頂板中截取了一組鋼筋，鋼筋設(shè)計(jì)牌號(hào)為HRB400E，該位置構(gòu)件直接受火并且所處位置溫度最高，能夠代表本次火災(zāi)中鋼筋受損情況，經(jīng)裁切加工成鋼筋試件后，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖12所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表

6 結(jié)語(yǔ)

1)通過火災(zāi)過程和火場(chǎng)殘余物調(diào)查得到該建筑燃燒特點(diǎn)屬于分解燃燒，火場(chǎng)溫度在300 ℃左右。

2)通過現(xiàn)場(chǎng)殘留物狀況的檢查及結(jié)構(gòu)外觀燒損狀況的檢查，將建筑火災(zāi)影響區(qū)域范圍分別為：火場(chǎng)區(qū)域；高溫?zé)煔鈴浡^(qū)域；不可忽略的溫度應(yīng)力作用區(qū)域。

3)通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)構(gòu)件表面和內(nèi)部最高溫度進(jìn)行了推定，其中36層15-17/C-F軸頂板、37層15/C-F軸剪力墻為直接受火鋼筋混凝土構(gòu)件，構(gòu)件內(nèi)部最高溫度場(chǎng)溫度略高于300 ℃。

4)通過對(duì)芯樣進(jìn)行超聲波測(cè)試試驗(yàn)得到過火構(gòu)件僅37層15/C-F軸墻北段近起火點(diǎn)位置燒傷深度在3 cm左右；其余混凝土構(gòu)件未受明顯燒傷影響。

5)通過所取的4個(gè)芯樣試件混凝土現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)(C35)要求的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即火災(zāi)對(duì)混凝土材料抗壓強(qiáng)度的影響尚不明顯。

6)通過電鏡掃描分析結(jié)果對(duì)火災(zāi)后混凝土物相特征溫度進(jìn)行確定，直接過火區(qū)，溫度較高使得水泥水化產(chǎn)物大部分脫水，水泥漿體呈現(xiàn)顆粒分散狀，漿體中無(wú)針棒狀的鈣礬石，高溫使得鈣礬石全部發(fā)生分解，溫度在300 ℃左右。

7)通過對(duì)過火鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)，得到直接受火構(gòu)件鋼筋力學(xué)性能因高溫受到實(shí)質(zhì)性損傷。