冲击回波法检测火灾后混凝土内部损伤的可行性研究

杨海林

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

随着经济和社会的持续发展，人口越来越向城市集中，高密度的人员活动大大增加了火灾发生的概率。笔者查阅了国家应急管理部关于火灾的统计数据，发现仅2020年全国就发生了各类火灾25.2万起，直接财产损失达到了40.09亿元。对较大火灾场所分布情况调查发现，大多数火灾发生在住宅、商业娱乐场所、生产企业、建筑工地等区域。而这些场所建筑大多采用钢筋混凝土结构，这种材料虽然本身不能燃烧，但火灾造成的长时间高温环境，也会造成结构内部不同程度受损。损伤的程度将直接影响结构的承载能及后续加固维修，如何快速的对结构内部进行探伤，评估损伤程度，就成了一项重要的课题。快速诊断，可以确定结构是否还有继续使用的价值，以及为后续的加固维修提供指导。近年来我国发生的建筑火灾及损失情况见表1。

表1 近年我国火灾及损失情况汇总表

已有的研究有：彭亦华[1]应用超声波法对火灾后混凝土损伤层厚度的检测做了试验研究；王勇[2]等对连续混凝土板高温状况下的力学性能做了试验研究；魏亚[3]等对比分析了红外热像法和超声回弹法检测火灾后混凝土损伤程度的可行性；宋岩升[4]等研究了钢筋混凝土框架结构发生火灾后的性能；习阳[5]等对钢管混凝土结构发生火灾的温度分布规律做了研究；屈凯[6]对真实火灾状况下的钢筋混凝土板温度分布进行了有限元分析；安贵仓[7]等对某个真实火灾后的混凝土板进行了检测加固研究；杨斌[8]等对发生火灾后结构强度检测方法做了细致的研究；翟子泰[9]等应用超声法对隧道内的混凝土衬砌发生火灾后的强度进行了检测。

研究发现，目前对火灾后混凝土的快速探伤的方法主要有以下几种，分别为观测法、回弹法、钻芯法、超声波法、红外热成像法。表观观测法和回弹法需要有完整测试面，且只能根据结构表面的损伤推算内部受损情况，无法直接对内部进行评估；钻芯法会对受测部位造成破损，影响后续的正常使用，不宜大范围应用；超声波法是一种无损检测方法，但是检测过程需要两个对称的测点，且数据处理耗时较长，实际工程中操作不便；红外热成像法虽然属于无损检测，但需要使用红外热灯对受测部位进行照射且不间断记录数据来提取内部成像结果，操作不便、耗时较长、容易受外界温度影响，在火灾发生后的短时间内无法进行。

因此，工程中亟需一种能够对火灾后混凝土内部进行探伤的方便、快捷的无损检测方法。冲击回波法具有以下优点，无损检测、穿透力强、可以单面测试、检测耗时短，目前已被广泛应用于结构分层厚度及内部空洞缺陷的检测上[10-12]。混凝土发生火灾后内部会发生损坏分层，理论上冲击回波法是能够探测到的，加以研究后必然能够取得良好的测试效果。

1 混凝土的热工性能

受火混凝土内温度变化除了受外部火灾温度影响外，其自身的热工性能（如热导率λ、比热容с、表观密度ρ、导温系数α等）也是重要的影响因素，为了简化分析过程，通常认为高温导致的结构损伤和变形不会影响内部温度场的变化。

1.1 热导率λ

混凝土内部成分复杂，各类骨料占比达到了60%~70%，为了研究混凝土整体的热导率λ，必须掌握其中每种成分的λ，表2列出了内部组成材料的λ值。

表2 内部材料λ值

经过简化计算后给出各骨料λ的计算公式如下：

硅质骨料（20℃< <1200℃），

钙质骨料（20℃< <1200℃），

轻质骨料（20℃< <800℃），

当800℃< <1200℃时，轻质骨料的λ按0.5计算。

经过不同的计算方法可以得出不同的[W/(m·℃)]计算公式，单位 目前的研究主要得出以下2个公式，即式（4）和（5），实际应用中可综合应用。

1.2 比热容с

研究发现，当T<1200℃时，各种混凝土的с通常按下式（6）计算：

相关研究还表明温度升高不会导致 的明显变化，为了简化计算，实际工程中可将式（6）简化为式（7）。

1.3 表观密度ρ

混凝土受到高温作用后体积会膨胀，内部水分同时蒸发，所以火灾后的混凝土密度ρ会略微减小，在进行火灾温度场分析时，ρ随温度T的变化关系可近似按式（8）计算，根据经验ρ一般取值（2200~2400）kg/m3。

1.4 导温系数α

α代表火灾后混凝土温度升高的速率，可由以上3个参数（λ、с、ρ）导出，国外规范规定α为T的函数，按式（9）计算，

以上4种热工参数均为理想状况下的计算结果，可用于一般情况下的受热分析，但实际工程中混凝土的组成及浇筑振捣都有较大不同，所以会造成材料的离散性和变异性较大，如遇重要工程还需制作专门的试件，用于测得热工参数的实际值。

2 火灾对混凝土的影响机理

普通混凝土长时间受火后，内部会发生一系列物理化学变化，例如水分蒸发、裂缝增多、骨料和水泥界面开裂等，都会导致混凝土自外向内的损伤，严重的还会导致表层混凝土破损脱落，损伤原理主要包括：1）受火面接触火灾的时间最长，温度最高，内部升温却相对滞后，内外温差导致结构开裂；2)混凝土受火后内部水分（如结合水、游离水）蒸发，导致孔隙增多，强度降低；3）混凝土内部的水泥石受到高温作用会发生分解反应，导致胶凝材料被破坏，这其中主要包括（C-S-H）在120℃的脱水反应、（AFt）在65℃的脱水反应、Ca(OH)2在500℃的脱水反应、CaCO3在800℃的分解反应，这些反应都会导致材料黏结性降低；4）由于火灾后粗骨料（石子）和水泥石间的热工性能不同，升温速度不同，使应力过于集中导致开裂；

2.1 对抗压强度fcu的影响

混凝土受火后抗压强度的变化主要取决于受火时长、受火温度、自身强度。研究表明，受火温度对强度的影响起主要作用。当T<300℃时，混凝土内部基本无变化，强度没有减小；当300℃800℃时，强度丧失殆尽。混凝土剩余强度[fcu-fcu(T)]/fcu随温度及时间变化的曲线见图1，升温后抗压强度比fcu(T)/fcu的变化见图2。

图1 抗压强度随受火时间和温度变化

图2 抗压强度比随温度升高变化

欧洲混凝土协会经过试验和计算得出了高温下fcu的计算公式（10），

当火灾结束后，fcu还会发生变化，具体按公式（11）计算，

根据国内的研究成果，火灾后混凝土的强度降低程度可用折减系数Kc来表示，不同温度下的Kc值见表3。表3的结果综合考虑了发生火灾时消防注水对Kc的影响，发现Kc随着温度升高基本呈线性降低，为了便于观察规律，将表3结果绘制成折线图，如图3所示。

图3 强度折减系数 随温度变化图

表3 不同温度下强度折减系数Kc值

2.2 对弹性模量Ec的影响

硬化后的混凝土内部存在结晶水，高温会使水分与胶凝材料脱离，水分蒸发后在内部留下了细微孔隙，导致结构疏松，Ec降低，根据研究Ec随温度的变化可按公式（12）计算，

火灾结束后，Ec会发生变化，可按公式（13）计算，

当T≤200℃时，

冷却后弹性模量的变化可用折减系数KcE表示，结果见表4。为了便于观察规律，将表4结果绘制成折线图，如图4所示。发现KcE随着温度升高迅速降低，且温度越高降低速率越低，超过700℃时基本不再变化。

表4 不同温度下弹性模量折减系数KcE值

图4 弹性模量折减系数KcE随温度变化图

2.3 对应力σ和应变ε的影响

混凝土材料火灾后的应力-应变曲线和常温状态下趋势基本一致，但是峰值明显降低，曲线变的更平缓，火灾作用时的σ- ε关系按式（14）计算，火灾作用后的σ- ε关系按式（15）计算，

式（15）中，当T≤ 200℃时，εor(T)=εo，当T>200℃时，εor(T)按式（16）计算。

3 检测方法概况

当前针对火灾后混凝土的检测方法主要有观测法、回弹法、钻芯法、超声波法、红外热成像法、冲击回波法，几种传统检测方法的优缺点见表5。发现传统检测方法都存在一定的局限性，但声发射法（超声法、冲击回波法）作为一种新型无损检测方法，可以克服这些局限性，应用于火灾后混凝土内部的快速探伤。

表5 不同检测方法的评定标准及优缺点

3.1 超声法

超声法的原理是通过声发射器发射2000Hz以上的机械波，机械波的本质是质点在弹性介质中的振动，由于P波的传播速度和衰减最小，所以检测过程中主要应用的是P波的传播。当超声波从一种介质进入另一种介质时会发生反射、折射、散射，火灾后的混凝土会产生分层和孔隙，这些都会导致超声波的传播过程发生变化，通过拾取不同情况的反射信号就可以分析出内部的损伤程度。下面研究2层介质中的超声波传播过程，定义反射系数为R，透射系数为D，见公式（17）、（18），其中Z=ρс为介质的声阻抗，ρ为密度，с为声速。

可以发现：1）当Z2=Z1时，R=0，D=1，此时超声波没有发生反射，全部透射，声波默认两种 介 质 相 同 ；2） 当Z1≥Z2或Z1≤Z2，R=1，D=0，此时超声波没有透射，全部发生反射；3）当Z1≈Z2时，这种情况也比较常见，此时反射和透射同时存在。

当超声波在火灾后的混凝土介质中传播时，由于混凝土内部会发生分层产生孔隙，以上3种情况都会发生，这3种情况都会导致声时T、声程L、声速с、频率f的不同，这些信息会通过仪器收集到，分析波形就可以得出损伤情况，4种情况下的具体评定依据见表6，可以单独使用也可以综合使用。

表6 超声法评定火灾受损混凝土依据

目前这种方法已在工程中广泛应用于裂缝检测、强度检测、灌浆饱满度检测等领域，但应用于火灾混凝土快速探伤的研究不多，主要是因为超声法需要发射和接收装置，要求被测试面有2个，在实际工程中构件一般只有一个外露面，所以应用受到一定限制。

3.2 冲击回波法

冲击回波法的基本原理是利用小钢球敲击测试面，瞬时冲击会产生应力脉冲，底面和顶面之间脉冲的来回反射被仪器识别到，通过FFT变换得到频谱图。当脉冲遇到缺陷时会发生绕射，导致传播距离延长，波速降低，反应到频谱图中就是主频降低，从而可以判断内部缺陷程度，峰值频率按公式f=βCP/2H计算，其中β=0.96，H为板厚，CP为波速，CP按公式（19）计算。混凝土受火后内部发生的一系列物理化学变化会导致结构产生分层裂缝，冲击回波会对火灾后不同情况的混凝土有不同的响应，如图5所示。图5中（a）为正常情况混凝土板的响应，（b）为受火时间较短混凝土未分层情况的响应，（c）为长时间受火后混凝土发生分层时的响应。

图5 冲击回波法检测受火混凝土原理图

图6为冲击回波在受损介质和正常介质内的传播情况，可以发现P波和S波的传播有明显不同，受火损伤的混凝土会阻碍应力波的传播，这些信息通过仪器可以被识别到，再经过FFT转换可以在频谱图中得到显示，从而可以判别受火损伤程度。

图6 冲击回波法在受火和正常混凝土内的传播

图7显示了某200mm厚混凝土模型受火前后的冲击回波检测结果，底面受火，时间为3h。可以发现：1）图7（a）中未受火的模型主频为9300Hz，这与一般混凝土模型一致。2）图7（b）为受火面的冲击回波频谱，发现在火灾暴露的混凝土表面上，主频明显向低频漂移，光谱响应由多个峰值组成，分别为4400、4700 、5100 Hz，约为未受火模型频率的50%，这主要是因为受火后混凝土内部产生开裂和孔隙，冲击源距离缺陷较近，导致应力波的传播形式主要是绕射，传播距离增大，时间延长，从而得到的频率就降低，根据主频漂移的程度就可以估算出混凝土受火损伤的程度。3）图7（c）为受火后非受火面的频谱结果，发现出现2个主峰值，分别为缺陷响应4500 Hz和厚度主频10200 Hz，这主要是由于非受火面的混凝土没有受到破坏，导致应力波的传播形式既有顶面底面之间的来回反射，也有遇到缺陷时的绕射，但遇到缺陷提前反射，导致反射距离减小，所以厚度主频较9300Hz要增大，据此也可判断出缺陷的存在。

图7 受火前后200mm混凝土的频谱图

综上，冲击回波的穿透力比超声波强，得到的频谱更清晰。应用冲击回波法可以快速诊断出火灾后混凝土的内部损伤程度，且可以单面测试、检测过程无损、结果便于分析，在火灾后混凝土快速探伤领域有着广阔的应用前景。

4 结论

运用理论分析和计算研究了混凝土材料的热工性能，火灾对混凝土的影响机理，探讨了受火损伤混凝土不同检测方法的优缺点，得出以下结论:1）通过理论分析研究了混凝土材料的热工性能，为后续研究提供了基础；2）受火后混凝土强度、弹性模量明显降低，应力、应变曲线变得平缓；3）超声法应用于受火后混凝土探伤的研究已有一定基础，但需要双面测试，实际应用过程中受到限制；4）冲击回波法作为一种新型无损检测方法，可以应用于受火后混凝土的快速探伤，在实际工程中具有广阔的应用前景。