钢筋混凝土结构火灾后损伤的研究

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

随着国民经济的发展，基本建设规模越来越大，建筑物发生火灾的概率也越来越大。所以，在做好安全用火、安全用电措施的同时，应大力开展建筑火灾的科学研究，提高建筑物防火、抗火能力。进行经济可行的建筑物灾后综合性能评估，以便确定破坏程度，为下一步对受灾建筑物进行维修和加固提供依据。

1 钢筋混凝土结构材料火灾损伤的基本特点

1.1 混凝土损伤及其破坏机理

1.1.1 混凝土强度的损伤情况

混凝土是一种组成比较复杂的材料，每项工程所用的混凝土配合比、强度等级、水灰比、粗骨料和细骨料种类、养护方法可能均有所不同。大量的试验和火灾后对钢筋混凝土结构的现场勘查表明，混凝土在火灾后的强度降低情况与以上因素有重要联系。混凝土的抗压、抗弯、抗剪和抗拉强度随温度升高而降低，其中抗拉强度的衰减最明显。当温度升高至400 ℃左右，混凝土的强度将明显下降。这主要是由于混凝土在凝结硬化过程中水泥与水发生水化反应生成水泥凝胶体，另外在大气作用下混凝土将产生碳化。在火灾高温作用下，混凝土的水泥凝胶体和碳化产物又将产生许多新的物质，而温度不同这种变化程度也不同，所引起的破坏也不同。

研究表明，温度在100 ℃以上时，混凝土内部的水分开始流失；温度达到150 ℃时，促使混凝土中未熟化的部分成分发生水化反应，其强度有所提高；温度达到200 ℃以上时，水泥凝胶体的水分大量被排出，内部组织结构发生硬化，材料产生酥化趋势；温度达到300 ℃以上时，材料发生逐渐脱水现象，粗骨料体积发生膨胀，导致混凝土产生由内部向外部的开裂，强度逐渐降低，直至水泥胶体与骨料之间的胶结作用遭到破坏；当温度升高到500 ℃以上时，混凝土这种由内向外的裂缝不断扩散，逐渐形成构件表面的无数主裂缝，随着温度的继续升高，混凝土中的水泥凝胶体发生质变，胶结作用不复存在，构件即将发生破坏；在900 ℃的受火温度之后，混凝土丧失内部组织结构的初始状态，几何形状发生变化。

在以上过程中，水泥凝胶体由于失水发生体积收缩，而粗骨料在高温作用下发生体积膨胀，这种变形随着水泥含量以及水灰比的增大而增大。这是两个变形相反的过程，使得粗骨料受压而水泥凝胶体受拉，水泥的抗拉能力较小，这种内部作用力加快了混凝土裂缝的开展，加速了混凝土强度的降低。

1.1.2 混凝土在高温下的炸裂

混凝土凝结硬化以后，基本上处于密实状态，内部的少量空隙也处在密闭状态。在高温作用下，材料内部的水分变成水蒸气向外排出，但由于受到凝结硬化的水泥凝胶体的阻碍，使得混凝土内部空腔出现不断压缩的气体，对材料而言产生膨胀力，也即拉力。随着温度的升高，这种内力越来越大，并且混凝土内部水分含量越大，产生的膨胀力越大，当压力达到一定数量后，就会产生“爆炸”，引起混凝土的炸裂，使钢筋混凝土构件表面出现脱落，甚至露筋。混凝土的这种炸裂现象在发生之前没有明显预兆，高温炸裂将导致结构整体性的丧失，使钢筋表面的混凝土保护层脱落，导致钢筋直接暴露于高温下，使得决定构件承载力的钢筋在高温作用下其力学性能急剧下降，致使钢筋混凝土结构在火灾高温下被过早破坏。

1.2 钢筋损伤及其破坏机理

工程中常见的钢筋混凝土结构一般采用热轧钢筋，在高温作用下，钢筋的内部组织结构将发生变化，导致钢筋屈服强度、极限强度、塑性性能、冲击韧性和弹性模量均产生显著变化。当温度升高至700 ℃以上时，钢筋强度大幅度下降，基本丧失承载能力，以致引起建筑物的倒塌。在火灾发生后，由于温度升高，钢筋的塑性性能和韧性也随之显著下降，逐渐失去安全范围内的变形能力，随之引起结构构件的脆性破坏。高温作用还会引起钢筋弹性模量的下降，使得钢筋力学性能发生改变。高温作用是影响钢筋性能的最主要因素，美国的世贸中心就是由于大火后钢筋丧失承载力导致整体倒塌，因此尤其要做好钢筋的防火和隔火措施。

2 钢筋混凝土结构和构件在高温下的力学性能

随着我国经济的快速发展，建筑业也得到了突飞猛进的发展，建筑物的占地面积、建筑面积以及建筑体量越来越大。由于施工现场环境错综复杂，存在的火灾隐患很多，因为施工现场用火不当、用电不当以及人为因素造成的火灾事故时有发生，对建筑结构造成不同程度的损伤。

钢筋混凝土结构中的主要受力构件有竖向构件和水平构件，分为柱、墙和梁、板。火灾后的损伤程度主要与构件的过火时间、过火温度以及是否有防火措施有关，损伤情况主要有混凝土开裂甚至脱落导致露筋，钢筋强度下降导致构件产生较大的变形甚至断裂。火灾后的破损情况主要与构件的截面尺寸大小、受力钢筋的级别和数量、混凝土强度等级和保护层厚度有关。在高温作用下，钢筋混凝土结构的综合性能明显下降，构件变形过大，承载能力降低，并且由于温度应力的影响产生内力重新分布，使得受力机制发生改变，安全性能受到损伤。现阶段，为了提高结构构件的耐火性能，主要通过混凝土保护层厚度来保证，在新的混凝土结构设计规范中提高了受力钢筋保护层厚度，使得结构和构件的抗火性能和耐火时间得以提高。

3 火灾后钢筋混凝土结构的性能评价

钢筋混凝土结构在遭受火灾高温作用后，其安全性能如何，能否继续使用，如何进行加固处理？这些问题都是火灾后急需解决的问题。首先，需要对过火构件进行性能检测，目前工程界常用的方法主要有两种，第一种是进行火灾现场踏勘，根据灾后现场物品的损毁情况和构件烧伤损坏情况初步推算过火温度，进行理论分析，判定在此温度下建筑物的损伤程度。第二种是对受损的承重构件逐一进行外观检查，观察表面颜色、是否有裂缝及裂缝大小、是否有保护层脱落现象、是否有露筋情况、是否发生变形及变形大小等，根据这些因素将构件的受损程度进行分级，初步判定受损程度，然后对受力构件进行现场钻芯取样，测定试样的碳化深度，采用超声波检测判定构件的烧伤深度，对试样进行抗压试验测定其强度等级，对钢筋进行拉拔试验测定其力学性能，并对接近过火区的未过火构件进行抽检。通过这些指标，判定钢筋混凝土构件的受损情况并分级，最终确定构件是否能继续使用或采取何种加固措施。

4 钢筋混凝土结构在设计阶段的防火和抗火措施

防止火灾的发生是保证建筑物在其合理使用年限范围有足够的可靠性的必要措施，但是为了以防万一，在设计阶段就必须做好建筑物的防火和抗火设计，主要采取以下措施：

(1)防止火灾发生后的蔓延。在建筑方案设计阶段，根据建筑物的使用功能，设置一定数量的防火分区，利用防火卷帘予以分割。另外，要做好消防设计，设置主动灭火系统，同时设置足够的消防通道，为发生火灾后能第一时间采取措施创造条件。

(2)提高建筑结构的耐火性能。采用合理的结构形式、材料以及相应的构造措施，提高建筑和结构的抗火能力。如对重要的混凝土构件进行防火处理，对结构构件规定最小的混凝土保护层厚度等，以提高建筑的耐火时间。

5 结语

发生火灾时，火场温度变化极其复杂，使得结构构件和材料的灾后评价很难作出准确的界定，现阶段这方面的研究还需进一步深入。例如火场温度如何判定，作用时间如何判定，构件与构件之间作用力的变化如何判定，结构体系在灾后承载能力极限状态和正常使用时极限状态的变化如何判定，剩余承载能力的安全系数如何判定等。此外，对火灾后构件和结构的动力性能、抗震性能等还需深入研究。

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