火灾后混凝土结构损伤检测技术与发展

何春丽

驻马店市墙体材料改革办公室（463000）

0 前言

混凝土是一种复合材料，是以水泥、砂、石为材料固化而成的，自身是非燃烧体，具有良好的耐火性。随着温度的升高，在高温下组成混凝土的材料自身发生变化。这些变化将使混凝土受力性能发生改变，致使结构构件承载力降低。

一般混凝土结构在火灾中强度损失都较为严重，建筑物的损伤程度如何，可否修复后继续使用是人们最为关心的。国内外对于火灾混凝土结构损伤程度的确定进行了大量的研究，并且建议了很多的检测方法。由于火灾混凝土的特殊性，尽管检测技术己取得相当大的进展，但目前仍没有一种可靠的方法被列入国家火灾混凝土检测规程中。因此，科学真实地检测评定出火灾混凝土结构的受损程度和剩余承载力具有重大的经济意义和现实的社会意义。

1 火灾高温对混凝土材料性能的损伤

混凝土是典型的不燃材料之一,热容量大，导热系数小，在火灾作用下，混凝土中的水分逸出，使混凝土的微观结构发生破坏；同时，混凝土中的水泥石受热分解，使胶体粘结力破坏，最终使混凝土的性能发生变化。

火灾的作用造成混凝土的强度损失和变形性能恶化的主要原因有[1]：

1）水分蒸发后形成的内部空隙和裂缝。2）粗骨料和其周围水泥砂浆体的热工性能不协调，产生变形差和内应力。3）骨料本身的受热膨胀破裂等,这些内部损伤的发展和积累随着温度升高而更加严重。

火灾中，混凝土微观结构发生改变，水泥石胶体分解等使混凝土的抗压强度、抗拉强度以及弹性模量随温度升高而呈下降趋势。火灾混凝土强度损失的大小，主要取决于构件受火温度的高低。当受火温度低于300 ℃时水泥石内部发生蒸压作用，水泥颗粒的水化作用加快,加速了水泥石的硬化作用，同时由于水泥石中的游离水被蒸发，使水泥颗粒之间粘结紧密。所以，在受火温度不高时混凝土强度不一定降低。当温度超过300 ℃以后，硅酸二钙脱水对水泥石的晶架起到破坏作用，混凝土强度有些降低。当温度超过400 ℃以后，水泥石的晶架结构轻微破坏，混凝土强度急剧下降，当温度再升高，Ca(OH)2脱水分解，水泥石的微观结构受到破坏，最终导致混凝土破坏[2]。

2 火灾混凝土结构损伤检测方法

2.1 常规检测方法

2.1.1 表观检测法

检测内容包括：混凝土表面的颜色、龟裂、裂缝、爆裂和露筋情况。对每个构件,记录裂缝宽度、长度、穿透深度和龟裂、爆裂面积的大小和严重程度;对于柱的四角、梁的下翼缘和楼板底面露筋进行详细检查,对于多层配筋还应注意各层配筋的露筋面积。

外观检查法的特点是直接、迅速，但是主要是依据现场经验，准确性不够，所以在工程检测中只作为参考。

2.1.2 碳化深度检测法

混凝土受火灾温度的影响，内部结构和组成材料发生物理和化学变化，由其变化规律便可得出结构受损的程度。用酚酞酒精溶液喷射混凝土并注意混凝土紫红色区域的深度,就可测出碳化深度值。根据碳化深度值的大小可大致说明混凝土被烧损的程度。此方法要注意自然碳化的影响。

2.1.3 超声波法

超声波法是目前可用于现场检测构筑物内部缺陷的主要手段，通过测量火灾附近区域没有受火构件的混凝土脉冲速度和受火的相同构件混凝土脉冲速度，并进行比较，可推测出火灾温度。

超声波对混凝土损伤疏松层比较敏感，对构件进行超声波综合指标检测，可定量评估构件表面曾经历过的最高温度及损伤深度。但这种方法受含水率、温度效应、测距及钢筋的影响很大，而且对构件表面的平整度要求较严，损伤严重的混凝土表面开裂剥落，用超声波法检测误差较大。

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2.1.4 回弹法

回弹法是一种通过测试混凝土构件表面硬度来判定混凝土强度的非破损检测方法。这种方法在现场混凝土强度的检测中已得到广泛应用。其原理是根据混凝土表面的硬度与抗压强度之间的关系，利用量测表面硬度来推算混凝土的强度。所用的仪器是回弹仪。

《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》明确规定回弹法不能直接用于火灾混凝土的检测。因为火灾混凝土其内外材性不一样，由回弹法检测混凝土构件表面材性来推断整个构件的受损程度是不合适的。但这并不表明由回弹法测来的强度值没有价值，只要对回弹结果作适当的修正，利用硬度变化，同样能较为准确地判定混凝土构件的强度。为此，文献[3]通过大量工程实践和系统的试验研究，对强度修正后,将回弹法应用于火灾混凝土的检测。

2.1.5 钻芯法

利用钻芯取样检测混凝土强度，是一种准确的方法。火灾混凝土结构，用钻芯取样检测其强度提供评估依据也是一种方法，但当构件尺寸较小或火灾较为严重时，会给钻取芯样造成困难，芯样容易损坏,同时因混凝土内部存在不均匀温度分布，芯样实际上相当于一个非均匀层状试样。如果在火灾混凝土取芯时其芯样已破损，则此部分混凝土强度也一定较低，其结果无代表性。

2.1.6 火灾损伤深度检测法

葡萄牙的JR Dos Santos 等在钻芯法的基础上发展了损伤深度检测法，可以说是一种细化了的钻芯法。火灾混凝土芯样的损伤程度呈层状分布，据此，可把芯样切成厚1.5 cm 的切片，这样每个被切成扁圆柱体形的切片样本可近似认为其损伤程度是一样的。因为损伤程度越严重的混凝土裂缝越多，也越疏松。孔隙率大，吸水率必然也随之增长。分别称得切片干燥时和吸水饱和时的重量，可得到吸水率。同时做张拉应力试验。从而得到每个切片样本的吸水率和张拉应力损失，与混凝土损伤深度建立关联[4]。

2.1.7 锤击法

2.1.8 拔出试验法

拔出试验的步骤是：先用高强建筑胶将钢板粘贴在混凝土表面,等建筑胶达到一定强度后，记录用千斤顶将钢板拔出所用的力，可折算出该处2.5 cm厚度范围内混凝土的强度。这种方法对混凝土的损伤较小，可以对受火后的构件进行全面的检测[5]。

2.1.9 钻孔内裂法

采用直径为6 mm 的电钻，在混凝土构件上钻一个深度为30～35 mm 的孔，清除孔内粉尘，将一个直径6 mm 的楔形胀管螺栓插入孔内，当胀管到达混凝土的测定深度时停止；用开槽靠尺检查和调整螺栓与混凝土表面的垂直度后,装上张拉千斤顶，进行拉拔试验获得拔出力，根据测定的拔出力大小来评定混凝土的强度[6]。

2.2 检测方法的新发展

2.2.1 化学分析法

化学分析主要是检测硬化水泥浆体中是否残留结合水。它是用凿子将每层厚度为1～10 cm 的混凝土表层凿掉，收集粉末，去掉试样中的砂子，将水泥粉末加热并测定结合水的含量。根据残留结合水含量与温度之间的关系，可得出混凝土构件的温度梯度和强度的损失。

2.2.2 电镜分析法

由于混凝土的组成在不同温度下其物相将发生不同程度的变化，这为采用电子显微镜观察法创造了条件。用电子显微镜观察混凝土的显微结构特征，通过对显微结构特征的分析确定火灾温度的方法称为电镜分析法。

工程诊断时，在火灾区域内选取不同烧损程度的构件表面混凝土小块，用电子显微镜观察混凝土结构的显微特征，可大致判断火灾温度。为了提高判定火灾温度的准确性，在抽取构件表面被烧损混凝土块时应同时抽取构件内部未烧损的混凝土块进行电镜分析，以便进行对比分析，提高判断结果的精度。

2.2.3 热发光法

最早提出用热发光法检测火灾混凝土的是英国苏格兰斯特拉思克莱德大学土木工程系的Iain Alasdair M acLeod 教授。中国科学院地质研究所的裴静娴教授和河南工业大学的韩阳教授曾将该方法应用于郑州天然商厦火灾混凝土结构的工程检测中，取得了良好的效果。

热发光是岩石、矿物受热而发光的现象。其特点是：①不同于一般矿物的赤热发光(可见光)，在赤热之前(一般指0～400 ℃)，由矿物晶格缺陷捕获电子而储存起来的电离辐射能在受热过程中又以光的形式释放出来。②发光的不可再现性，即一旦受热发光，冷却后重新加热也不再重现发光。只有当样品接受一定剂量辐照后才会重现热发光。

取混凝土中的石英颗粒，进行热发光量测量，其辉光曲线和峰形变化特征可作为判定其受热上限温度的重要依据。石英本身放射性元素含量极微，其热发光灵敏度较强，易于在环境中累积热发光能量。因而，上述热发光特性在石英矿物上尤为明显和稳定[7]。

2.2.4 红外热像法

自然界中，所有绝对零度以上的物体都连续不断地辐射红外线，其辐射数量与该物体的温度密切相关。红外检测技术是利用红外辐射对物体或材料表面进行检测的专门技术。大多数建筑材料是导热性差而表面红外辐射发射率大的材料，采用红外热像检测灵敏度较高。

火灾混凝土表面状态和组成随遭受的温度不同而发生变化。在一定的环境条件下，不同损伤的混凝土辐射不同数量的红外辐射。使用热像仪能迅速地扫描建筑物或混凝土结构表面，缺陷区域将显示不同的红外辐射结果。利用红外热像仪可直接读取和分析所获信息，从而推断其损伤情况[8]。

2.2.5 数值模拟法

利用有限元分析软件进行数值模拟，如利用ANSYS 软件的热分析模块,输入混凝土的热工参数,初始条件、边界条件及火灾温度变化过程，就可以模拟出混凝土构件的温度场和温度应力。这种方法可以与试验方法配合使用，互相补充。

3 结语

前述火灾混凝上检测方法，虽然各有其不足之处，但也有其独到的可取之处，尤其近些年来发展的新方法与传统方法相比有了很大的进步。这些方法大都借助先进的检测仪器，并且借鉴了其它学科的相关原理，这在火灾混凝上检测的发展上是一个突破。就目前而言，由于火灾情况错综复杂和火灾混凝土结构与性能的特殊性，还找不到一种能够全面检测的方法，因此在实际工程检测中大都采用多种能相互弥补的方法进行综合检测，从而得到较准确的数据。

[1]张大长,吕志涛.火灾对RC、PC 构件材料性能的影响[J].南京建筑工程学院学报,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]陆洲导,朱伯龙.混凝土结构火灾后的检测方法研究[J].工业建筑,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,闵明保.火灾后建筑结构受损程度的诊断方法[J].南京建工学院学报,7～14,1995,5.

[6]国家建筑工程质量监督检测中心主编.混凝土无损检测技术[M].中国建材工业出版社,1996.

[7]裴静娴,韩阳,孙新河.用热发光方法评定火灾后混凝土构件的烧伤程度[J].科学通报,1996,41(15）：1409～1412.

[8]杜红秀,张雄.火灾混凝土红外热像检测实验研究[J].工程力学,1998(A02)：229～233.