過火混凝土橋梁超聲波檢測研究

李華東 劉佳節

0 引言

近年來，公路混凝土橋梁遭受火災的事故逐漸增多，不僅給橋梁結構本身造成破壞，而且危及公路尤其是高速公路的正常運營。火災后必須及時、科學地對受損構件進行損傷識別，合理地進行損傷評估，才能為橋梁的加固維修提供可靠的數據支持，切實結合加固恢復結構的承載能力和使用性能，達到安全運營的目的。

1 火災混凝土損傷的特點

1)受損部位疏松，且疏松程度由表及里。在火災過程中，混凝土結構表面遭受高溫灼燒，溫度梯度從外向內遞減。混凝土中的砂漿和骨料在一定溫度下會產生不同的物理化學變化。100℃時混凝土內的自由水會以水蒸氣形式溢出;200℃～300℃時CSH凝膠的層間水和硫鋁酸鈣的結合水散失;500℃時Ca(OH)2受熱分解其結合水散失;而800℃～900℃時CSH凝膠(水化硅酸鈣)已完全分解，原來意義上的砂漿已不復存在。骨料的變化主要是物理變化，573℃時硅質骨料體積膨脹0.85%;700℃時碳酸鹽骨料和多孔骨料也有類似損壞，甚至突然爆裂。

2)有縱、橫向裂縫產生。裂縫產生有兩個原因，即在升溫和降溫過程中膨脹或收縮不均勻以及受彎構件在受損后受彎部分變形過大。裂縫的數量和寬度與受損程度成正比。其大致狀況為:400℃～500℃時，表面有裂縫，縱向裂縫少;600℃～700℃時，裂縫多且縱橫向均有，并有斜裂縫產生;大于700℃時，縱橫向及斜裂縫多且密，受彎構件混凝土裂縫深度可達1 mm～5 mm。

3)表面有爆裂。造成火災混凝土的爆裂主要有兩個原因，即熱應力機理和蒸汽壓機理。混凝土在升溫和降溫過程中或滅火時的急速冷卻，都可使混凝土變形不均，局部受壓或受拉引起爆裂，這就是熱應力機理。蒸汽壓機理為在混凝土升溫中不斷有自由水、層間水和結合水以水蒸氣形式釋放，而混凝土本身是一個致密結構，這個特點使得水蒸氣散溢出混凝土表面有一定困難，所以當水蒸氣的膨脹應力積累到一定程度后，引起混凝土表面爆裂。

2 火災后混凝土構件的檢測

混凝土構件受火災后的強度將會下降。但如何檢測和評定，目前還沒有專門方法和檢測混凝土強度的儀器。在工程實踐中對此的研究是十分迫切的，這也是對火災后混凝土構件結構進行修復和加固的前提。該項目采取超聲波檢測方法進行檢測。

通過測量火災附近區域沒有遭受火災的相同構件的混凝土脈沖速度和遭受火災后相同構件的混凝土脈沖速度，并進行比較，可以推測出火災溫度。對構件進行超聲波綜合指標檢測，可定量評估構件表面曾經歷過的最高溫度及損傷深度。但這種方法受含水率、溫度效應、測距及鋼筋的影響很大，而且對構件表面的平整度要求較嚴，損傷嚴重的混凝土表面開裂剝落，用超聲波法檢測誤差較大。

3 依托工程概述

3.1 橋梁概況

2008年12月26日，某高架橋發生火災損傷。該橋2008年1月建成，為跨度25 m的組合箱梁結構，橋下限高2.5 m，橋梁火災后實景圖見圖1。

圖1 某高架橋火災后外觀圖

3.2 火情分析

據現場調查，起火區域處于北半幅橋梁第一跨的1號橋墩附近。燃燒物堆放區域距離橋墩約3 m，現場調查當日風向東北，從現場殘留物推斷主要燃燒物為毛竹。

本次火災主要影響北幅第1孔橋梁，相鄰北幅第2孔有煙熏痕跡，相鄰南幅第1，2孔無煙熏痕跡。肇事者在火災發生后，自行用水泥對剝落處進行了修補，根據現場局部鑿除及鉆孔情況，3號橋墩，蓋梁，5號箱梁，4號箱梁表面修補區域水泥砂漿修補深度為0 cm～3 cm，橫隔板及濕接縫為水泥砂漿表面涂刷。

4 超聲波檢測

圖2為4號箱梁混凝土超聲波波速沿梁長度方向的變化，從圖2中可以看出，在距1號墩約3 m的范圍內，超聲波波速明顯減小。表明此處混凝土受到火災影響較大。

圖2 4號箱梁聲速分布

圖3為5號箱梁混凝土超聲波波速沿梁長度方向的變化，從圖3中可以看出，在距1號墩約4 m的范圍內，超聲波波速明顯減小。表明此處混凝土受到火災影響較大。

圖3 5號箱梁聲速分布

圖4為蓋梁混凝土超聲波波速沿梁長度方向的變化，從圖4中可以看出，在距蓋梁下緣角點約2 m的范圍內，下緣的超聲波波速明顯減小，在距梁底邊300 mm處，距梁下緣角點約1 m范圍內超聲波波速明顯減小。表明此處混凝土受到火災影響較大。

5 檢測結論與建議

5.1 檢測結論

本次火災主要影響區域為北半幅第一跨西側，主要結論如下:

1)1號橋墩3號立柱受到火烤，靠近火場一側局部表面出現混凝土剝落;2)蓋梁距離火場直線距離最近，受災較重，上半部可見直接火燒痕跡，全高范圍內出現表面松散、龜裂且伴有局部剝落、空鼓范圍較大，蓋梁上部存在較多裂縫且部分裂縫在上翼緣貫通，在受火燒區域超聲波波速明顯變小，波形畸變，空鼓區域混凝土回彈值減小;3)4號，5號梁的底板、腹板、翼板以及濕接縫直接受火焰熏烤，均出現大面積松散、空鼓及局部混凝土剝落，超聲波波速減小，波形畸變;4)蓋梁及箱梁鋼筋混凝土經過超聲波檢測鑒定后，受熱冷卻后材料性能下降;5)過火區域橡膠支座開裂嚴重，豎向裂縫和橫向裂縫在不同支座均有，橡膠支座老化嚴重，已不能正常工作;6)根據混凝土外觀情況，推定本次火災混凝土構件表面灼著溫度為:蓋梁，箱梁及濕接縫不超過700℃;橋墩300℃～450℃。

圖4 蓋梁聲速分布

5.2 建議處理方案

根據詳細調查結果，參照原設計圖紙，對比發現過火區域結構強度雖有下降，但仍處于設計許可范圍內，滿足結構承載力要求。現根據現場調查情況，考慮結構物耐久性及安全預留，建議對受損區進行加固處理，具體如下:

1)將混凝土表面熏黑部分進行打磨，徹底清除松散混凝土，然后用結構膠進行修補，恢復結構的原有尺寸。2)過火區域混凝土表面涂刷阻銹劑，防止水分滲入以保護鋼筋。3)受損區沿應力方向粘鋼板。4)蓋梁頂部裂縫建議暫不處理，并加強觀測，若裂縫無進一步發展，應采取灌縫處置。5)對受損區4個橡膠支座進行更換，所更換的支座必須與原支座同型號。6)全跨進行表面涂裝。

6 結語

由于火災情況錯綜復雜，以及橋梁結構、混凝土結構的復雜性和混凝土材料性能的特殊性，超聲波檢測存在一定的不足，至今還未探索出一種全面的檢測火災混凝土的方法，因此還需要不斷對火災混凝土檢測評估技術進行研究和促使其發展。

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