恒壓鉆入法檢測(cè)火后混凝土損傷程度的可行性研究

邱振寧 陸洲導(dǎo) 商興艷

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092)

1 引言

火災(zāi)導(dǎo)致混凝土構(gòu)件溫度升高并由此產(chǎn)生材性劣化。高溫作用后，混凝土的抗壓、抗拉以及彈性模量均會(huì)發(fā)生明顯的變化。由于混凝土較差的熱傳導(dǎo)性，實(shí)際火災(zāi)中，混凝土構(gòu)件會(huì)形成外熱內(nèi)冷的溫度場(chǎng)。因此，混凝土構(gòu)件的損傷是一個(gè)與火場(chǎng)溫度、受火時(shí)間以及空間位置有關(guān)的變量。一般情況下趨勢(shì)是:距離受火表面越近，損傷越嚴(yán)重，距離受火表面越遠(yuǎn)，損傷越輕。如何反映這種損傷的特點(diǎn)，是混凝土結(jié)構(gòu)火后評(píng)估的重要內(nèi)容。

火后混凝土損傷的檢測(cè)方法可以分為力學(xué)性能檢測(cè)法與非力學(xué)性能檢測(cè)法。

常規(guī)的回彈法、劈拉法、軸壓法和超聲波法屬于力學(xué)性能檢測(cè)法。混凝土的質(zhì)量檢測(cè)往往針對(duì)材料的三項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，即抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與彈性模量。如回彈法反映混凝土的表面硬度，它與混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度密切相關(guān);劈拉試驗(yàn)反映混凝土的抗拉強(qiáng)度;軸壓試驗(yàn)反映混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度;超聲波在混凝土中傳播的速度反映混凝土的密度，它與混凝土強(qiáng)度、彈性模量有關(guān)。這些方法被廣泛地應(yīng)用于既有結(jié)構(gòu)物的評(píng)估[1-2]。

火災(zāi)中的混凝土構(gòu)件截面上存在溫度梯度，損傷程度不同。然而，回彈法只能反映混凝土表層的情況;超聲波可以穿越受損程度不同的混凝土區(qū)域，但最終只能得到一個(gè)綜合的首波時(shí)間;芯樣的劈拉試驗(yàn)和軸壓試驗(yàn)每次只能得到一個(gè)數(shù)據(jù)。因此，傳統(tǒng)的力學(xué)性能檢測(cè)法不能反映損傷隨深度的變化。如Logothetis L和Economou C[3]通過(guò)將一批試件加熱到不同溫度，測(cè)試其受熱前后的混凝土強(qiáng)度、回彈值和超聲波速，得到它們與溫度的關(guān)系，進(jìn)而推出不同溫度下回彈值、超聲波速分別與殘余混凝土強(qiáng)度的關(guān)系。Dilek U[4]通過(guò)超聲波法和芯樣法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)火災(zāi)后的混凝土墻。Yang H等[5]通過(guò)試驗(yàn)得出超聲波速和混凝土殘余強(qiáng)度的關(guān)系，擬合出混凝土殘余強(qiáng)度的計(jì)算公式。

非力學(xué)性能檢測(cè)法可以對(duì)不同截面深度的混凝土進(jìn)行采樣，了解損傷沿深度的變化。高溫下，混凝土?xí)l(fā)生多種物理與化學(xué)性能的變化，這些變化綜合反映了混凝土的力學(xué)性能。研究者們針對(duì)這些物理化學(xué)變化與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。新加坡Chew教授[6]對(duì)熱釋光法進(jìn)行了較詳盡的研究，在受損構(gòu)件上取10 mm直徑芯樣，測(cè)量混凝土中礦物熱釋光強(qiáng)度，以確定礦物經(jīng)歷的最高溫度，通過(guò)逐步深入取樣完成對(duì)構(gòu)件深度方向溫度變化的評(píng)估。Short等[7]采用色像分析來(lái)定量判斷混凝土溫度，研究發(fā)現(xiàn)0～19及20～29頻段范圍內(nèi)的混凝土光譜同受火溫度有明顯的相關(guān)關(guān)系。這些非力學(xué)性能檢測(cè)法雖然能反映損傷隨深度的變化，但它們多是建立某單一物理或化學(xué)指標(biāo)與溫度的關(guān)系，不能直接反映混凝土力學(xué)性能的變化。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有混凝土損傷檢測(cè)方法的不足，本文采用改造的鉆芯機(jī)恒壓鉆入火后損傷的混凝土，力圖建立鉆入速度與混凝土受火強(qiáng)度變化之間的關(guān)系，并以此來(lái)反映混凝土損傷在深度方向上的變化。

2 試驗(yàn)概況

恒壓鉆入法的特點(diǎn)是通過(guò)記錄鉆入速度的變化，來(lái)確定混凝土的損傷變化，試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)抗火試驗(yàn)室進(jìn)行。由于損傷程度最終還是要以混凝土的力學(xué)指標(biāo)(抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量)體現(xiàn)出來(lái)，因此，本文的研究主要針對(duì)兩個(gè)方面:①鉆入速度與混凝土經(jīng)歷的最高溫度的關(guān)系;②鉆入速度與抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量以及燒失量的關(guān)系。

2.1 鉆芯機(jī)的選擇與改造

首先選擇合適的鉆芯機(jī)。傳統(tǒng)的混凝土鉆芯方法，往往將鉆芯機(jī)通過(guò)螺栓固定在混凝土構(gòu)件(柱、墻、梁)的側(cè)立面，形成一個(gè)自平衡固定系統(tǒng)。然而，受火后混凝土的面層疏松，螺栓難以固定。另外，這種側(cè)立面的固定方法難以穩(wěn)定地施加荷載。基于以上的考慮，本文選擇的鉆芯機(jī)如圖1所示。此鉆芯機(jī)屬于可臨時(shí)安裝的鉆芯機(jī)，包括鉆頭、發(fā)動(dòng)機(jī)、可伸縮鋼管和底座等。使用時(shí)，工作人員將螺栓植入地面，固定底座。然后將一根可伸縮的鋼管與底座連接。為了保證鉆芯的穩(wěn)定性，工作時(shí)鋼管伸長(zhǎng)，支撐在房間頂部的樓板或梁的底部，形成多點(diǎn)固定的模式。鉆芯機(jī)的規(guī)格為額定電壓220 V，輸入功率3900 W，空載轉(zhuǎn)速700 r/min。

為了保證鉆筒能以恒定的壓力鉆入混凝土表面，筆者對(duì)鉆芯機(jī)進(jìn)行了改造，拆除機(jī)器自帶的手柄，將直徑30 cm的金屬滑輪固定在機(jī)器的傳動(dòng)軸。通過(guò)鋼絲繩懸掛重物，給鉆頭施加恒定的荷載。

對(duì)鉆頭進(jìn)行改造，安裝水平儀及激光測(cè)距儀。通過(guò)水平儀，保證鉆入的水平度，減少鉆筒與混凝土之間的摩擦。激光測(cè)距儀用來(lái)測(cè)量鉆管的鉆入速度。

圖1 改造的鉆芯機(jī)(單位:mm)Fig.1 Modified core drill machine(Unit:mm)

室內(nèi)火災(zāi)中，溫度在房間高度方向上變化劇烈，造成混凝土沿高度方向的損傷程度的不同。通過(guò)調(diào)節(jié)鋼管上鉆頭的高度，可以方便地進(jìn)行柱、墻的混凝土損傷變化的檢測(cè)。

2.2 試件制作

制作48個(gè)100 mm×100 mm×150 mm的棱柱體試塊，試件采用細(xì)石混凝土，配合比為1:1.55:3.61:0.51(水泥:砂子:細(xì)石:水)。水泥為 425 普通硅酸鹽水泥，檢驗(yàn)合格;砂子為細(xì)砂，細(xì)石最大粒徑為10 mm;水是普通自來(lái)水，配合強(qiáng)度為C30。

混凝土拌合和澆注時(shí)采用插入式振搗器振搗，室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28 d。

2.3 升溫試驗(yàn)

采用電爐升溫，升溫速率為10℃/min，在20～700℃之間，分為8個(gè)溫度等級(jí)，分別為20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃。試件六面加熱。升溫到指定溫度后，恒溫三個(gè)小時(shí)，認(rèn)為混凝土內(nèi)外受熱均勻，損傷情況基本一致。高溫作用后，試件在空氣中自然冷卻。

2.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

經(jīng)高溫處理后的試件，隨著最終受熱溫度的上升，表面顏色發(fā)生變化，且多有不規(guī)則的細(xì)微裂縫。混凝土試塊在300℃以下時(shí)，顏色與常溫下基本相同;400～500℃時(shí)，顏色呈現(xiàn)輕微的淺紅色，出現(xiàn)細(xì)紋裂縫;500～700℃時(shí)，顏色呈淺黃灰色，出現(xiàn)較明顯的裂紋。

2.5 高溫后混凝土燒失量測(cè)量

高溫使得混凝土中的自由水蒸發(fā)，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，水泥水化物會(huì)分解失去結(jié)晶水，混凝土中的碳酸鈣分解產(chǎn)生二氧化碳，從而重量減輕。采用TC30K型電子稱稱量高溫作用前后混凝土試塊的重量，分辨率是0.1 g，其結(jié)果如表1所示。

2.6 高溫后混凝土超聲波試驗(yàn)

高溫作用后，對(duì)冷卻的混凝土試塊進(jìn)行超聲波的對(duì)測(cè)試驗(yàn)。對(duì)測(cè)距離為100 mm。記錄超聲波的首波穿越混凝土所用的時(shí)間。其結(jié)果如表1所示。

2.7 高溫后混凝土的回彈試驗(yàn)

高溫作用后，將冷卻的混凝土試塊放置于壓力機(jī)的夾頭之間，施加40 kN的軸力，用于固定試塊。采用回彈儀(洛氏硬度60的鋼砧上彈擊數(shù)值為80)對(duì)混凝土表面進(jìn)行回彈，記錄的數(shù)據(jù)如表1所示。

2.8 恒壓鉆入法試驗(yàn)

分別對(duì)各個(gè)受火工況的棱柱體試塊進(jìn)行恒壓恒速鉆入試驗(yàn)，首先，將混凝土試塊固定在反力墻上。然后，將鉆芯機(jī)的立柱固定在試驗(yàn)臺(tái)座。將14.25 kg的重物系在滑輪的繩索上，對(duì)鉆入的芯樣施加的軸向力。選取14.25 kg的重物可以保證鉆速比較適中，易于控制，是反復(fù)嘗試的結(jié)果。通過(guò)秒表計(jì)時(shí)，每隔15 s記錄激光測(cè)距儀讀數(shù)。每個(gè)棱柱體鉆取芯樣1只。鉆入試驗(yàn)完成后，得到了不同溫度工況的混凝土芯樣，共計(jì)48個(gè)。每個(gè)溫度工況6個(gè)芯樣，用于混凝土受壓與劈拉試驗(yàn)。

2.9 混凝土芯樣的力學(xué)試驗(yàn)

對(duì)鉆芯機(jī)鉆取的芯樣進(jìn)行加工。芯樣的平均直徑為75 mm，進(jìn)行兩端處理后，芯樣長(zhǎng)度平均值為100 mm。采用微機(jī)控制電液伺服液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)芯樣進(jìn)行加載，見(jiàn)圖2。每個(gè)溫度工況三個(gè)芯樣，得到三個(gè)軸壓強(qiáng)度。表1中軸壓強(qiáng)度的數(shù)值為平均值。

對(duì)鉆取的芯樣進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，見(jiàn)圖3。每種溫度工況三個(gè)芯樣。表1中劈拉強(qiáng)度的數(shù)值為平均值。

圖2 軸壓試驗(yàn)Fig.2 Axial compression test

圖3 劈拉試驗(yàn)Fig.3 Splitting tensile test

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)高溫作用后的混凝土試塊進(jìn)行燒失量檢測(cè)、回彈試驗(yàn)、超聲波試驗(yàn)和恒壓恒速?zèng)_擊鉆試驗(yàn)，然后對(duì)鉆出的芯樣進(jìn)行軸壓試驗(yàn)和劈拉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，除300℃工況外，芯樣的鉆入速度隨溫度的升高而不斷增大。當(dāng)溫度為600℃時(shí)，鉆入速度是常溫下的1.9倍。溫度達(dá)到700℃時(shí)，鉆入速度是常溫下的3.9倍。可見(jiàn)，混凝土的受熱溫度達(dá)到700℃時(shí)，鉆入速度的增幅明顯增大。圖4給出了不同溫度下鉆速的平均值(用圖中的條帶表示)和標(biāo)準(zhǔn)差(用條帶上的直線表示)。表2中列出了不同溫度下鉆速的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。鉆速的變異系數(shù)從0.17(400℃)變化到0.37(20℃)。

表1 不同溫度作用后試塊的試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of speciemns after different temperatures

表2 標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)Table 2 Standard deviation andvariation coefficient

圖4 不是溫度下鉆速平均值和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4 Average values and standard variations of ROP

與常溫時(shí)相比，溫度較高時(shí)鉆速的變異系數(shù)較小，說(shuō)明數(shù)值的離散性較低。

將鉆速的平均值與溫度的關(guān)系線性擬合，如圖5 所示，相關(guān)系數(shù)是0.8 4，大于0.7 5，說(shuō)明鉆速和溫度有很強(qiáng)的相關(guān)性，可以較好地反映出混凝土溫度的變化。

圖6給出了劈拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、回彈值、超聲波速和鉆速的倒數(shù)(單位長(zhǎng)度的鉆入時(shí)間)的歸一化值與溫度的擬合曲線。從圖中可知，本次試驗(yàn)中，高溫作用后混凝土抗壓強(qiáng)度的降幅(擬合曲線斜率)明顯低于抗拉強(qiáng)度[8-9]，鉆速的降幅與抗壓強(qiáng)度相同。對(duì)于以上現(xiàn)象，可以作如下解釋。高溫作用后，混凝土發(fā)生了多種物理與化學(xué)成分的變化，并導(dǎo)致了大量裂縫的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致其力學(xué)性能降低。單軸抗壓試驗(yàn)中，混凝土中的裂縫在壓力的作用下閉合，使得損傷部分愈合，劈拉或軸拉試驗(yàn)則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，在拉力的作用下，混凝土中的裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，加速了混凝土構(gòu)件的破壞。鉆速的降幅與受壓強(qiáng)度相同，反應(yīng)的混凝土損傷情況同受壓強(qiáng)度，原因可能也與裂縫有關(guān)，還有待進(jìn)一步的分析研究。

從圖6還可以看出，回彈值、燒失量倒數(shù)的降幅與抗壓強(qiáng)度的降幅相同，超聲波速的降幅介于抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間，這說(shuō)明它們都能反映混凝土的損傷，但由于使用上的局限，這些方法都很難用于評(píng)估混凝土的受火損傷隨深度的變化情況。

圖5 鉆速與溫度的擬合曲線(R=0.84)Fig.5 Linear fitting of ROP and temperature(R=0.84)

圖6 試驗(yàn)結(jié)果歸一化值與溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship betwen normalized values of test results and temperatures

將鉆速的倒數(shù)與兩種強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，如圖7和圖8所示，均為歸一化后的值。抗壓強(qiáng)度和鉆速倒數(shù)的相關(guān)系數(shù)是0.882，劈拉強(qiáng)度和鉆速倒數(shù)的相關(guān)系數(shù)是0.907，均大于0.75，說(shuō)明鉆速倒數(shù)和這兩種強(qiáng)度之間均具有很好的線性相關(guān)性，即鉆入速度可以很好地反映出混凝土強(qiáng)度的變化。

由上文可知，恒壓恒速鉆入法的鉆入速度隨混凝土溫度的升高而升高，與混凝土材性損傷的趨勢(shì)一致，說(shuō)明恒壓恒速鉆入法可以直接反映高溫后混凝土材性的損傷情況，即混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的降低。在實(shí)際工程中，通過(guò)觀察鉆入速度的變化，可以反映混凝土損傷隨深度的變化情況。

圖7 抗壓強(qiáng)度與鉆速倒數(shù)的線性擬合(R=0.882)Fig.7 Linear fitting of compressive strength and reciprocal of ROP(R=0.882)

圖8 劈拉強(qiáng)度與鉆速倒數(shù)的線性擬合(R=0.907)Fig.8 Linear fitting of splitting tensile strength and reciprocal of ROP(R=0.907)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)普通的鉆芯機(jī)進(jìn)行改造，筆者研制了恒壓鉆芯機(jī)，并進(jìn)行了8個(gè)溫度工況的混凝土試件的試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括高溫作用后混凝土的燒失量檢測(cè)、回彈試驗(yàn)、超聲波速試驗(yàn)和恒壓鉆入試驗(yàn)，以及芯樣的軸壓試驗(yàn)和劈拉試驗(yàn)。研究表明，恒壓鉆入法的鉆速與混凝土的受火溫度存在明確的關(guān)系，對(duì)溫度的敏感性同混凝土的軸壓強(qiáng)度;單位長(zhǎng)度的鉆入時(shí)間(鉆速的倒數(shù))與混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度存在近乎線性的關(guān)系。這說(shuō)明恒壓鉆入法可以作為火災(zāi)下混凝土受損檢測(cè)的輔助方法并基本上能反映受火損傷隨混凝土深度的變化。

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