超聲法檢測混凝土燒傷深度在工程中的應用

袁曉麗

(山西省建筑科學研究院，山西太原 030001)

0 引言

火災的發生對建筑物會造成巨大破壞，建筑物在發生火災后，應盡快地進行火災調查，并對受損程度進行科學判斷，確定合理的結構加固方案，盡快恢復其使用功能。長期以來火災后結構修復加固方案主要憑經驗及主觀判斷，這種以主觀經驗為依據的修復加固方案，可能造成加固措施過度和加固措施不到位兩種不合理的情況。如何確保火災后受損混凝土結構的安全，如何選擇合理優化的災后結構修復加固方案，需要對火災后受損的鋼筋混凝土結構進行正確地評估，而準確判斷混凝土的燒傷深度，可為火災后結構的剩余承載力的確定、復核計算和加固處理等后續工作提供可靠依據。

1 火災對混凝土的影響

火災使混凝土物理力學性能發生變化，影響結構的承載力?；炷猎谠馐芑馂臅r，從室溫開始升溫至300℃時，在混凝土中的物理化學結合水逐步排除并汽化逸出，水泥石有一定收縮而骨料卻無大的膨脹。當溫度上升到400℃后，混凝土中的水泥石產生膨脹變形，內應力在水泥石與骨料之間膠結面上產生，混凝土的力學性能開始下降。當溫度達到700℃ ～800℃以后，骨料的熱膨脹加劇，開始分解，造成骨料與水泥石的熱變形差異劇增，使混凝土粘結力破壞，接觸界面裂縫進一步發展。

2 檢測原理及方法

超聲法檢測混凝土內部不密實缺陷和裂縫的基本原理是聲波在不同介質中傳播速度不同，從而判斷混凝土構件的內部是否存在不密實或空洞等缺陷，并根據測試點排列的位置確定其內部缺陷的范圍?；馂臅r混凝土在高溫作用下，內部結構變得疏松，聲波在疏松介質中的傳播速度較在正?；炷两橘|中的傳播速度慢。據此利用超聲法可較為直觀的測試出聲波在受損混凝土內部傳播速度的突變，從而推斷出構件燒傷深度。

根據CECS21∶2000超聲法檢測混凝土缺陷技術規程中相關要求，對鉆取的混凝土芯樣沿長度方向，在混凝土芯樣兩對應側面上以1 cm的間距布置超聲波測點，并進行編號，以便于確定相對應的測點。按徑向使用聚能探頭(點狀探頭)對芯樣進行逐點超聲波對測測試。按一定的順序測取各測點的聲時、幅度及頻率值。布點以及測試見圖1，圖2。

3 注意事項

在使用超聲法檢測混凝土燒傷深度時應選用頻率較低的換能器，為避免高頻聲波在傳播的過程中產生較大衰減對測試造成影響，在混凝土的檢測中一般采用低頻超聲波。處理接收到的超聲波信號時，在時域中判斷所接收到的超聲波信號，對缺陷的識別帶有很大的主觀性?；馂暮蠡炷翗嫾炔拷橘|較為復雜，在時域中提取損傷特征信息時應注意詳細區分。

圖1 對測法測點布置示意圖

圖2 超聲法測試芯樣燒傷深度

4 工程實例

4．1 長治某超市實例

長治某超市，整體由四個部分組成，并先后陸續建成，將該超市的四個部分按時間順序定義為A，B，C，D四個區，區域劃分見圖3。

圖3 某超市區域劃分示意圖

該超市發生火災后，經現場勘查，該超市火災的起火點在超市內部，從火災產生到熄滅歷時約6 h，各區域受損的程度不同。通過調查火災現場狀態，檢視各處物品燃燒程度，檢測構件損傷程度，對整個結構的柱、梁、板分類檢測。結合現場調查的火場溫度以及構件表觀現象的檢查，將其劃分為3個等級:嚴重(Ⅲ類構件)、一般(Ⅱb類構件)和基本完好(Ⅱa類構件)。

為確定該超市主體結構構件混凝土的燒傷深度，現場對該超市主體結構的混凝土構件進行鉆芯取樣，并對鉆取的芯樣進行燒傷深度檢測。鉆取芯樣的數量為:Ⅱa類構件49個;Ⅱb類構件28個;Ⅲ類構件20個。

根據芯樣聲速值，對所測數據統計分析，分別繪制未過火構件、過火構件等5條聲速—深度曲線。各聲速—深度曲線見圖4～圖8。

未過火構件聲速平均值為4．410 km/s，數據點多分布在平均值兩側，隨著深度變化，聲速曲線幾乎與橫坐標(深度坐標)平行;過火構件聲速平均值為3．974 km/s，隨深度變化，聲速曲線呈明顯的規律性遞增狀。

圖5 過火構件聲速—深度曲線

圖6 Ⅱa類構件聲速—深度曲線（一）

圖7 Ⅱb類構件聲速—深度曲線（一）

圖8 Ⅲ類構件聲速—深度曲線（一）

對圖6～圖8以及相應數據進行分析可知:Ⅱa類構件混凝土聲速值為3．308 km/s～4．546 km/s，平均聲速值為4．041 km/s，隨深度變化，聲速曲線呈明顯的規律性遞增狀，構件混凝土聲速測試曲線在4 cm處存在較為明顯的拐點。Ⅱb類構件混凝土聲速值介于2．534 km/s～3．941 km/s之間，平均聲速值為 3．363 km/s，隨深度變化，聲速曲線呈明顯的規律性遞增狀，構件混凝土聲速測試曲線在3 cm，7 cm，10 cm三個點位存在較為明顯的拐點。Ⅲ類構件混凝土聲速值介于3．269 km/s～4．854 km/s之間，平均聲速值為4．068 km/s，隨深度變化，聲速曲線呈明顯的規律性遞增狀。構件混凝土聲速測試曲線在4 cm，6 cm，8 cm三個點位存在較為明顯的拐點。

綜合分析可知:1)受火災影響，過火后的混凝土構件內部密實度有所降低;2)過火構件燒傷影響深度判定為:Ⅱa類0 mm～40 mm;Ⅱb類40 mm～60 mm;Ⅲ類60 mm～80 mm。

4．2 晉城某小區地下車庫實例

晉城市某小區1號，2號地下車庫，均未完工，處于在建狀態，車庫起火點在2號車庫南段，由于兩車庫頂板模板尚未拆除，火勢迅速沿頂板模板由南向北往1號車庫蔓延，至明火撲滅時，兩車庫的已建部分全部過火，起火點區域的混凝土已經全部坍塌。

為方便描述，將兩個車庫按后澆帶及伸縮縫共劃分為5個區域，見圖9。根據各類構件在主體結構中的作用及火災對其影響程度的不同，對應調查的火災溫度和構件表面現象的檢查，將其劃分為三個等級:嚴重(Ⅲ類構件)、一般(Ⅱb類構件)和基本完好(Ⅱa類構件)。

圖9 區域劃分

為確定車庫混凝土構件的燒傷深度，現場對車庫的混凝土構件進行鉆芯取樣，并對鉆取的芯樣進行燒傷深度檢測。鉆取芯樣的數量為:Ⅱa類構件22個;Ⅱb類構件37個;Ⅲ類構件45個。

根據芯樣聲速值，對所測數據統計分析，分別繪制Ⅱa類構件、Ⅱb類構件、Ⅲ類構件的“聲速—深度”折線圖，共計3條，見圖10～圖12。

圖10 Ⅱa類構件聲速—深度曲線（二）

圖11 Ⅱb類構件聲速—深度曲線（二）

圖12 Ⅲ類構件聲速—深度曲線（二）

對圖10～圖12以及相應數據進行分析:Ⅱa類構件混凝土聲速值介于3．587 km/s～4．634 km/s之間，聲速在3 cm處存在明顯拐點，0 cm～3 cm之間聲速隨深度增加而遞增，而超過3 cm后聲速則基本無變化;Ⅱb類構件混凝土聲速值介于3．499 km/s～4．472 km/s之間，聲速在5 cm處存在明顯拐點，0 cm～5 cm之間聲速隨深度增加而遞增，而超過5 cm后聲速則基本無變化;Ⅲ類構件混凝土聲速值介于1．790 km/s～4．470 km/s之間，聲速在5 cm處存在明顯拐點，0 cm～5 cm之間聲速隨深度增加而遞增且斜率較大，而超過5 cm后聲速則基本無變化;由于Ⅲ類芯樣前端面多數存在破損，破損深度約4 cm左右，故實際拐點位置判定為9 cm更為合理。

綜合分析可知:1)受火災影響，過火后的混凝土構件內部密實度有所降低;2)燒傷深度基本判定為:Ⅱa類構件0 mm～30 mm;Ⅱb類構件30 mm～50 mm，Ⅲ類構件50 mm～90 mm。

5 結語

在上述兩例的實際檢測中，采用了超聲波測試并綜合考慮給出了構件的燒傷深度。從現場情況來看，燒傷深度基本上可以分為已燒損脫落的和燒傷影響的兩個部分。為客觀真實反映，采用在芯樣上進行對測，實測結果表明了理論的正確性，燒傷深度范圍內的混凝土的密實性較未燒傷的混凝土有所降低，且和燒傷的程度有關。過火構件混凝土內部密實程度較未過火構件亦有所下降。

采用超聲法對鉆取的芯樣沿芯樣長度方向對芯樣進行逐點超聲波對測測試的方法能夠較為準確的確定混凝土構件的燒傷深度，為火災后結構剩余承載力的確定、復核計算以及加固處理提供可靠依據。

［1］ 《新編混凝土無損檢測技術》編寫組．新編混凝土無損檢測技術［M］．北京:中國環境科學出版社，2002．

［2］ 吳慧敏．結構混凝土現場檢測新技術——混凝土非破損檢測［M］．第2版．長沙:湖南大學出版社，1998．

［3］ GB/T 50344-2004，建筑結構檢測技術標準［S］．

［4］ GB 50068-2001，建筑結構可靠度設計統一標準［S］．

［5］ CECS 03∶88，鉆芯法檢測混凝土強度技術規程［S］．

［6］ CECS21∶2000，超聲法檢測混凝土缺陷技術規程［S］．