火灾后混凝土结构检测方法评述

2011-04-14潘一平王仕汇

山西建筑 2011年17期

潘一平王仕汇

近年来建筑火灾的发生日益频繁，给人类的生命和财产造成的损失也越来越大。在各类建筑结构中，钢筋混凝土结构占有很大比重。由于混凝土结构具有一定的耐火性，火灾后通常不会烧毁倒塌，但是混凝土和钢筋在经历高温作用后，其材料性能将发生严重恶化，强度值和弹性模量值锐减，变形猛增，构件和结构内部发生剧烈的内力重分布，从而使结构的性能大大削弱，因此，火灾后应及时对受损建筑进行科学、合理地损伤鉴定，并根据鉴定结果制定受损结构的合理修复加固方案，对确保火灾后修复加固结构的安全性、适用性和经济性具有十分重要的意义。

1 火灾温度的判定

1.1 火灾温度的估算

火场的温度—时间关系可根据火荷载的密度、可燃物特性、受火墙体及楼盖的热传导特性、通风条件及灭火过程等按燃烧规律进行室内温度分析。这种方法虽然可以综合反映影响火灾过程和火灾温度的很多因素，但是确定这些影响因素十分困难，在实际应用中常常受到限制。

目前广泛应用的温度预测方法是采用ISO834标准升温曲线，其解析表达式为:

其中，T为火灾开始后t min时室内温度;T0为常温，20℃;t为火灾时间，min。

实际上火灾区域内各分区的温度是不同的，在同一分区内，构件所处的位置不同，构件的不同表面其温度也有显著差异。因此，应在分析温度—时间的理论关系基础上，结合现场调查，对火灾进行温度分区，并分析构件所受温度。

1.2 火灾温度的实际判定方法

1)根据现场残留物判定火灾温度。不同的材料，其变态温度、燃烧点各不相同。现场残留物判定是根据建筑物内材料的烧损情况判定建筑物内各部位的温度。文献［1］给出了各种材料的燃烧特性，根据各种物质的燃烧特性，可分析判断室内混凝土构件所受的温度情况。

2)根据构件外观判定火灾温度。混凝土结构的外观在受到火灾高温作用后会发生一系列的变化，当温度不超过300℃时，混凝土表面仅看见黑烟;当温度在300℃～600℃时，混凝土表面会逐渐变色，由粉红色加深到铁锈红;当温度从600℃上升到700℃～800℃时，混凝土表面颜色逐渐泛黄，由浅黄色到土黄色;当温度超过800℃以后混凝土表面颜色开始由土黄色变到灰白。混凝土受到高温作用后，其表面会生成许多网状裂缝，特别是当混凝土达到临界温度580℃后，其表面会产生大量裂缝，并发生爆裂和露筋现象。因此，构件外观判定就是根据火灾后构件表面的颜色，开裂，脱落等外观特征分析判定火灾温度。

2 混凝土损伤检测方法

2.1 锤击法

遭受火灾(高温)作用的混凝土，其锤击声音比普通混凝土沉闷，但是这种方法主要是检测人员依靠经验，受人为因素影响较大，同时其结果与检测人员所锤击的部位也有很大的联系，因此其结果只能作为一种参考。

2.2 小芯样检测法

取芯法是混凝土现场检测中公认的较精确的方法，其检测结果也是校核其他检测结果的基准。火灾后混凝土的受损厚度一般为25mm～60mm左右，需要检测的是位于受损层的平均强度，因而在火灾后混凝土的现场检测中，小芯样检测具有很大的实用价值。但是，从结构中取出的芯样往往是长短不齐，且平整度与垂直度往往也不满足要求，需要对从结构中取出的芯样进行加工打磨，这样就破坏了芯样受损层的完整性。对于受火灾影响严重的构件，其表面混凝土已脱落，或在钻取芯样的过程中脱落，也会对检测结果产生影响。

2.3 回弹法和超声回弹综合法

回弹法和超声回弹综合法是对一般建筑物普通混凝土抗压强度进行评定的方法，在我国混凝土工程中得到了广泛的应用，并且制定了相应的国家技术规程［2，3］，建立了专用的测强曲线和计算公式，但是在规程中明确规定这两种方法不适用于火灾后混凝土抗压强度的判定。

文献［4］对硅质骨料和钙质骨料共计184个100 mm× 100 mm×300 mm的混凝土棱柱体试件进行了试验研究，试件受火温度分别为100℃，300℃，500℃，700℃，900℃，为了使试件内外温度保持一致，试件受火时间设定为6 h，采用喷水冷却和自然冷却两种冷却方式将经历高温后的混凝土冷却至室温。根据试验结果建立了利用回弹法测定火灾后混凝土抗压强度的测强公式(式(1)和式(2))和利用超声回弹综合法判定火灾后混凝土强度的测强公式(式(3))。文献［5］对应用回弹超声法评定火灾(高温)后静置混凝土的抗压强度进行了试验研究，根据高温后混凝土的抗压强度与回弹值的关系和高温后混凝土抗压强度与超声波速的关系，得出了适合火灾(高温)后静置的混凝土专用测强公式。

硅质骨料:

钙质骨料:

根据火灾后混凝土的专用测强曲线和计算公式，就可以运用回弹法和超声回弹法进行火灾损伤检测。

2.4 红外热像法

红外辐射是由原子或分子的振动或转动引起的，自然界中任何温度高于绝对零度的物体都能辐射红外线，一般材料的温度与红外辐射功率的关系为:

红外热像就是把来自目标的红外辐射转变成可见的热图像，通过直观的分析物体表面的温度分布，推定物体表面的结构状态和缺陷，并以此判断材料性质和受损情况的一种无损检测方法。混凝土材料在遭受高温作用或将发生一系列的物理化学变化，不同的受火温度、持续时间，将造成不同程度和深度的损失，导致混凝土的导热系数发生变化，从而引起材料热传导性能的变化，导致红外辐射随受损情况不同而各异，并形成不同特征的红外热图像。因此，通过分析火灾后混凝土的热图像特征，即可评定火灾后混凝土的受损情况。文献［6］根据试验结果建立了红外热像平均温升与混凝土受火温度及强度损失的检测模型，通过此模型可评估混凝土的损失程度，为火灾后建筑物的修复加固提供科学依据。

2.5 热分析方法

热分析方法是根据混凝土受热时发生一系列的不可逆物理、化学变化，通过对灾后材料再受热的表现特性来判定混凝土在火灾中所受的温度范围。热分析法分为差热分析法(DTA)、差示扫描法(DSC)和热重分析法(TGA)。差热分析(DTA)是在程序控制温度下，测量试样和参比物的温度差与温度关系的一种技术。这里的参比物是指在一定温度下不发生分解、相变破坏的物质。当试样发生了某种物理、化学变化时，所释放或吸收的热量使试样温度高于或低于参比物的温度，从而在相应的差热曲线上可得到放热峰或吸热峰。差示扫描法(DSC)与差热分析相似，只是在程序控制温度下，测量的是输入到被测物和对比物的功率与温度关系。热重分析法(TGA)是在程序控制温度下，测量物质重量与温度关系的一种技术。当试样发生了某种物理、化学变化时，由于物相变化，例如水分、CO2的释放和吸收，将导致试样的失重或增重，从而建立了试样重量变化与温度的关系。文献［7］运用DTA方法分析了火灾后结构混凝土的损伤深度，并用钻心法检测受检构件的混凝土强度，从而验证了DTA方法检测火灾后混凝土损伤深度的可靠性。

2.6 电化学分析法

混凝土结构物在遭受高温(火灾)作用时，水泥水化物会发生一系列相变，Ca(OH)2在450℃～500℃下会失水形成CaO，从而导致混凝土的中性化。当混凝土中性化深度抵达钢筋表面时，钢筋附近碱性降低，钢筋表面的钝化膜逐渐破坏，钢筋就会发生锈蚀。上述过程是一个电化学过程，因此通过检测钢筋锈蚀电势，钢筋锈蚀电流密度和混凝土电阻率等电化学检测参数，分析混凝土中性化程度和钢筋钝化膜状态，利用文献［8］提出的判定准则和辅助分析模型，可诊断和评估钢筋遭受的温度是否大于500℃，进而推定火灾对钢筋机械性能损伤的情况;同时，还可诊断和评估火灾后混凝土中性化的深度是否大于保护层厚度。

2.7 色谱分析法

色谱分析法是一种在色调值和所遭受的温度及受损深度之间建立关系，从而只需检测构件样本的色调值即可推知经历火灾的温度和受损深度的一种无损检测方法。

文献［9］分别用掺加了粉煤灰、高炉矿渣和无任何掺合料的三种混凝土做试验，试验结果表明，无论经历高温与否，混凝土的色调都集中在0～39，而40～255为0;两种状态混凝土的色调值在分布上有很大差异，受高温(350℃)混凝土的色调集中在10～19，20～29区间陡降，而未受损混凝土则相反;两种混凝土之间表现的这种差异受混凝土中某些矿物成分的影响不大。

但是文献［9］并没有排除骨料对试验结果的影响，因为在实际检测的样本中通常都含有骨料，所以以取砂浆为宜。另外，颜色分析法所用到的仪器及相关配套的工具和软件价格不菲，所以这种检测方法很难在我国推广普及。