火災后混凝土結構損傷檢測技術與發展

何春麗

駐馬店市墻體材料改革辦公室（463000）

0 前言

混凝土是一種復合材料，是以水泥、砂、石為材料固化而成的，自身是非燃燒體，具有良好的耐火性。隨著溫度的升高，在高溫下組成混凝土的材料自身發生變化。這些變化將使混凝土受力性能發生改變，致使結構構件承載力降低。

一般混凝土結構在火災中強度損失都較為嚴重，建筑物的損傷程度如何，可否修復后繼續使用是人們最為關心的。國內外對于火災混凝土結構損傷程度的確定進行了大量的研究，并且建議了很多的檢測方法。由于火災混凝土的特殊性，盡管檢測技術己取得相當大的進展，但目前仍沒有一種可靠的方法被列入國家火災混凝土檢測規程中。因此，科學真實地檢測評定出火災混凝土結構的受損程度和剩余承載力具有重大的經濟意義和現實的社會意義。

1 火災高溫對混凝土材料性能的損傷

混凝土是典型的不燃材料之一,熱容量大，導熱系數小，在火災作用下，混凝土中的水分逸出，使混凝土的微觀結構發生破壞；同時，混凝土中的水泥石受熱分解，使膠體粘結力破壞，最終使混凝土的性能發生變化。

火災的作用造成混凝土的強度損失和變形性能惡化的主要原因有[1]：

1）水分蒸發后形成的內部空隙和裂縫。2）粗骨料和其周圍水泥砂漿體的熱工性能不協調，產生變形差和內應力。3）骨料本身的受熱膨脹破裂等,這些內部損傷的發展和積累隨著溫度升高而更加嚴重。

火災中，混凝土微觀結構發生改變，水泥石膠體分解等使混凝土的抗壓強度、抗拉強度以及彈性模量隨溫度升高而呈下降趨勢。火災混凝土強度損失的大小，主要取決于構件受火溫度的高低。當受火溫度低于300 ℃時水泥石內部發生蒸壓作用，水泥顆粒的水化作用加快,加速了水泥石的硬化作用，同時由于水泥石中的游離水被蒸發，使水泥顆粒之間粘結緊密。所以，在受火溫度不高時混凝土強度不一定降低。當溫度超過300 ℃以后，硅酸二鈣脫水對水泥石的晶架起到破壞作用，混凝土強度有些降低。當溫度超過400 ℃以后，水泥石的晶架結構輕微破壞，混凝土強度急劇下降，當溫度再升高，Ca(OH)2脫水分解，水泥石的微觀結構受到破壞，最終導致混凝土破壞[2]。

2 火災混凝土結構損傷檢測方法

2.1 常規檢測方法

2.1.1 表觀檢測法

檢測內容包括：混凝土表面的顏色、龜裂、裂縫、爆裂和露筋情況。對每個構件,記錄裂縫寬度、長度、穿透深度和龜裂、爆裂面積的大小和嚴重程度;對于柱的四角、梁的下翼緣和樓板底面露筋進行詳細檢查,對于多層配筋還應注意各層配筋的露筋面積。

外觀檢查法的特點是直接、迅速，但是主要是依據現場經驗，準確性不夠，所以在工程檢測中只作為參考。

2.1.2 碳化深度檢測法

混凝土受火災溫度的影響，內部結構和組成材料發生物理和化學變化，由其變化規律便可得出結構受損的程度。用酚酞酒精溶液噴射混凝土并注意混凝土紫紅色區域的深度,就可測出碳化深度值。根據碳化深度值的大小可大致說明混凝土被燒損的程度。此方法要注意自然碳化的影響。

2.1.3 超聲波法

超聲波法是目前可用于現場檢測構筑物內部缺陷的主要手段，通過測量火災附近區域沒有受火構件的混凝土脈沖速度和受火的相同構件混凝土脈沖速度，并進行比較，可推測出火災溫度。

超聲波對混凝土損傷疏松層比較敏感，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。

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2.1.4 回彈法

回彈法是一種通過測試混凝土構件表面硬度來判定混凝土強度的非破損檢測方法。這種方法在現場混凝土強度的檢測中已得到廣泛應用。其原理是根據混凝土表面的硬度與抗壓強度之間的關系，利用量測表面硬度來推算混凝土的強度。所用的儀器是回彈儀。

《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》明確規定回彈法不能直接用于火災混凝土的檢測。因為火災混凝土其內外材性不一樣，由回彈法檢測混凝土構件表面材性來推斷整個構件的受損程度是不合適的。但這并不表明由回彈法測來的強度值沒有價值，只要對回彈結果作適當的修正，利用硬度變化，同樣能較為準確地判定混凝土構件的強度。為此，文獻[3]通過大量工程實踐和系統的試驗研究，對強度修正后,將回彈法應用于火災混凝土的檢測。

2.1.5 鉆芯法

利用鉆芯取樣檢測混凝土強度，是一種準確的方法。火災混凝土結構，用鉆芯取樣檢測其強度提供評估依據也是一種方法，但當構件尺寸較小或火災較為嚴重時，會給鉆取芯樣造成困難，芯樣容易損壞,同時因混凝土內部存在不均勻溫度分布，芯樣實際上相當于一個非均勻層狀試樣。如果在火災混凝土取芯時其芯樣已破損，則此部分混凝土強度也一定較低，其結果無代表性。

2.1.6 火災損傷深度檢測法

葡萄牙的JR Dos Santos 等在鉆芯法的基礎上發展了損傷深度檢測法，可以說是一種細化了的鉆芯法。火災混凝土芯樣的損傷程度呈層狀分布，據此，可把芯樣切成厚1.5 cm 的切片，這樣每個被切成扁圓柱體形的切片樣本可近似認為其損傷程度是一樣的。因為損傷程度越嚴重的混凝土裂縫越多，也越疏松。孔隙率大，吸水率必然也隨之增長。分別稱得切片干燥時和吸水飽和時的重量，可得到吸水率。同時做張拉應力試驗。從而得到每個切片樣本的吸水率和張拉應力損失，與混凝土損傷深度建立關聯[4]。

2.1.7 錘擊法

2.1.8 拔出試驗法

拔出試驗的步驟是：先用高強建筑膠將鋼板粘貼在混凝土表面,等建筑膠達到一定強度后，記錄用千斤頂將鋼板拔出所用的力，可折算出該處2.5 cm厚度范圍內混凝土的強度。這種方法對混凝土的損傷較小，可以對受火后的構件進行全面的檢測[5]。

2.1.9 鉆孔內裂法

采用直徑為6 mm 的電鉆，在混凝土構件上鉆一個深度為30～35 mm 的孔，清除孔內粉塵，將一個直徑6 mm 的楔形脹管螺栓插入孔內，當脹管到達混凝土的測定深度時停止；用開槽靠尺檢查和調整螺栓與混凝土表面的垂直度后,裝上張拉千斤頂，進行拉拔試驗獲得拔出力，根據測定的拔出力大小來評定混凝土的強度[6]。

2.2 檢測方法的新發展

2.2.1 化學分析法

化學分析主要是檢測硬化水泥漿體中是否殘留結合水。它是用鑿子將每層厚度為1～10 cm 的混凝土表層鑿掉，收集粉末，去掉試樣中的砂子，將水泥粉末加熱并測定結合水的含量。根據殘留結合水含量與溫度之間的關系，可得出混凝土構件的溫度梯度和強度的損失。

2.2.2 電鏡分析法

由于混凝土的組成在不同溫度下其物相將發生不同程度的變化，這為采用電子顯微鏡觀察法創造了條件。用電子顯微鏡觀察混凝土的顯微結構特征，通過對顯微結構特征的分析確定火災溫度的方法稱為電鏡分析法。

工程診斷時，在火災區域內選取不同燒損程度的構件表面混凝土小塊，用電子顯微鏡觀察混凝土結構的顯微特征，可大致判斷火災溫度。為了提高判定火災溫度的準確性，在抽取構件表面被燒損混凝土塊時應同時抽取構件內部未燒損的混凝土塊進行電鏡分析，以便進行對比分析，提高判斷結果的精度。

2.2.3 熱發光法

最早提出用熱發光法檢測火災混凝土的是英國蘇格蘭斯特拉思克萊德大學土木工程系的Iain Alasdair M acLeod 教授。中國科學院地質研究所的裴靜嫻教授和河南工業大學的韓陽教授曾將該方法應用于鄭州天然商廈火災混凝土結構的工程檢測中，取得了良好的效果。

熱發光是巖石、礦物受熱而發光的現象。其特點是：①不同于一般礦物的赤熱發光(可見光)，在赤熱之前(一般指0～400 ℃)，由礦物晶格缺陷捕獲電子而儲存起來的電離輻射能在受熱過程中又以光的形式釋放出來。②發光的不可再現性，即一旦受熱發光，冷卻后重新加熱也不再重現發光。只有當樣品接受一定劑量輻照后才會重現熱發光。

取混凝土中的石英顆粒，進行熱發光量測量，其輝光曲線和峰形變化特征可作為判定其受熱上限溫度的重要依據。石英本身放射性元素含量極微，其熱發光靈敏度較強，易于在環境中累積熱發光能量。因而，上述熱發光特性在石英礦物上尤為明顯和穩定[7]。

2.2.4 紅外熱像法

自然界中，所有絕對零度以上的物體都連續不斷地輻射紅外線，其輻射數量與該物體的溫度密切相關。紅外檢測技術是利用紅外輻射對物體或材料表面進行檢測的專門技術。大多數建筑材料是導熱性差而表面紅外輻射發射率大的材料，采用紅外熱像檢測靈敏度較高。

火災混凝土表面狀態和組成隨遭受的溫度不同而發生變化。在一定的環境條件下，不同損傷的混凝土輻射不同數量的紅外輻射。使用熱像儀能迅速地掃描建筑物或混凝土結構表面，缺陷區域將顯示不同的紅外輻射結果。利用紅外熱像儀可直接讀取和分析所獲信息，從而推斷其損傷情況[8]。

2.2.5 數值模擬法

利用有限元分析軟件進行數值模擬，如利用ANSYS 軟件的熱分析模塊,輸入混凝土的熱工參數,初始條件、邊界條件及火災溫度變化過程，就可以模擬出混凝土構件的溫度場和溫度應力。這種方法可以與試驗方法配合使用，互相補充。

3 結語

前述火災混凝上檢測方法，雖然各有其不足之處，但也有其獨到的可取之處，尤其近些年來發展的新方法與傳統方法相比有了很大的進步。這些方法大都借助先進的檢測儀器，并且借鑒了其它學科的相關原理，這在火災混凝上檢測的發展上是一個突破。就目前而言，由于火災情況錯綜復雜和火災混凝土結構與性能的特殊性，還找不到一種能夠全面檢測的方法，因此在實際工程檢測中大都采用多種能相互彌補的方法進行綜合檢測，從而得到較準確的數據。

[1]張大長,呂志濤.火災對RC、PC 構件材料性能的影響[J].南京建筑工程學院學報,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]陸洲導,朱伯龍.混凝土結構火災后的檢測方法研究[J].工業建筑,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,閔明保.火災后建筑結構受損程度的診斷方法[J].南京建工學院學報,7～14,1995,5.

[6]國家建筑工程質量監督檢測中心主編.混凝土無損檢測技術[M].中國建材工業出版社,1996.

[7]裴靜嫻,韓陽,孫新河.用熱發光方法評定火災后混凝土構件的燒傷程度[J].科學通報,1996,41(15）：1409～1412.

[8]杜紅秀,張雄.火災混凝土紅外熱像檢測實驗研究[J].工程力學,1998(A02)：229～233.