火灾后混凝土结构的检测及评估技术研究

火灾后混凝土结构的检测及评估技术研究作者：王俊杰
来源：《科技资讯》 2011年第15期
王俊杰
(青岛市公安消防支队山东青岛 266000)
摘要:本文系统地介绍了混凝土结构在遭受火灾后的检测方法,提出了一些有效的检测手段,指出应根据实际情况确定检测技术,同时注意各种检测技术的综合应用,并就经过对受灾构件的检测后如何综合评定结构的受损程度进行了简单介绍。

关键词:火灾混凝土结构检测评估温度强度
中图分类号:TU375.2 文献标识码:A 文章编号:1672-
3791(2011)05(c)-0087-02
随着国民经济的高速发展与城镇人口的高度集中,建筑火灾所带来的人员与经济损失日趋严重。

现代建筑以钢筋混凝土结构为主,当建筑物遭受火灾高温和灭火中的急剧降温后,构件的承载力、变形、耐久性、抗震性能等受到不同程度的损伤,致使整个建筑结构的耐久性、安全性极大降低。

为尽可能减轻损失,尽早、尽快恢复结构的正常使用功能,快速、科学地对遭受高温损伤的建筑物进行检测鉴定与评估便是工程实践中迫切需要解决的问题。

因此,混凝土结构火灾损伤检测与评估的研究具有重大的经济意义和现实的社会意义[1]。

1 火灾后混凝土结构的检测
1.1 火灾后混凝土结构的受火温度检测
由于建筑结构的复杂性和可燃物种类多样性,实际火灾温度和持续时间各不相同,而这些因素都直接影响到混凝土构件的强度。

受火温度是混凝土损伤评估的一个重要参数,因此,火灾后进行混凝土构件的火温检测是极为重要的。

1.1.1 表观检查法
通过混凝土表面颜色、表面裂纹、剥落疏松的变化情况,可对火场温度有一个较为近似的推断。

实验研究结构表明,随着被加热时间的增加和温度的升高,混凝土颜色和结构会呈现不同的变化特征。

当温度不超过300℃时,颜色和结构无明显变化；当温度在300℃～400℃时,混凝土呈现均匀粉红色,表面可见网状细微裂纹；400℃～600℃时,呈现暗红色、浅粉红色,裂纹增多；600℃～800℃时,颜色由粉红逐渐变成灰白色,出现较长横向缝,有少量棱角剥落,800℃时混凝土出现大量开裂,表面鼓泡、胀裂,有贯通缝；900℃以上后,混凝土呈现浅黄显白色,开裂严重,多处鼓泡,表面疏松、大量剥落。

表观检查法的特点是简单易行、直观、迅速,但主要是依据现场经验,准确性不够。

1.1.2 火灾时间模拟推算火灾温度
火灾温度可根据国际标准升温曲线(IS0834)来确定,火灾温度-时间关系符合公式:
t=t0+345(8θ+1)。

公式中θ为火灾时间,min；t为θ时的火灾温度,℃；t0为起火时的环境温度,℃。

其中确定燃烧时间的最重要依据是消防机构调查的准确材料。

建筑物总燃烧时间
根据火灾被扑灭时间与起火时间差确定,局部燃烧时间主要由该区域可燃物的数量、种类、未燃烧的数量、灭火持续时间来确定。

燃烧时间一经确定,就可以根据火灾温度-时间关系式推算出
火灾温度。

1.1.3 碳化深度检测法
火灾后混凝土构件在不同受火温度下,混凝土构件的内部微观结构、外部结构和材料发生不同程度变化,进而引起不同的碳化速度的增长,因此根据试验研究的碳化速度的增长范围推断混
凝土构件的受火温度。

对高温后混凝土构件经过时间历程进行检测时,可根据受高温后混凝土构件与同龄期混凝土构件的碳化深度的对比,检测所得到的碳化深度比值的大小,而推断混凝土构
件受火温度。

1.1.4 热分析方法
热分析方法是根据混凝土构件受热时发生一系列的不可逆的物理、化学变化,通过对灾后材料再受热的表现来判断混凝土构件在火灾中所受的温度范围。

主要有差热分析法、差示扫描法、热重分析法、热光试验法等几种分析方法。

差热分析法(DTA)是在程序控制温度下,测量试件和参照物的温度差与温度关系的一种技术。

这里的参照物是指在一定温度下不发生分解、相变破坏的物质。

当试件发生了某种物理、化学
变化时,所释放或吸收的热量使试件温度高于或低于参照物的温度,从而在相应的差热曲线上可
得到放热峰或吸热峰。

差示扫描法(DSC)与差热分析法相似,只是在程序控制温度下,测量输给试样和参照物的功率差与温度关系的一种技术。

热重分析法(TG)是在程序控制温度下,测量物质重量与温度关系的一种技术。

当试件发生了某种物理化学变化时,由于物相变化,例如水分、CO2的释放,将导致试件的失重或增重,从而建
立了试件重量变化与温度的关系。

热光试验法[1]是通过检测遭受火灾后的混凝土构件的沙子的残余受热发光量来实现的。

在相同的温度下,受热发光量降低较多,则说明混凝土的强度下降很多,从而可以建立发光量的变化与温度的关系。

以上几种热分析方法的优点是检测结果可以很快得出,并且可靠性高,试件制作
容易(只需要钻取一个很小的洞)。

但是这类方法需要专用设备和技术。

1.1.5 化学分析法
化学分析方法主要是检测硬化水泥浆体中是否残留结合水或混凝土中是否残留氯化物。

结
合水的分析方法是用凿子将每层厚度为1cm～10cm的混凝土表层凿掉,并将粉末收集起来,在去
掉试样中的砂子以后,将水泥粉末放在电炉上加热,从而测定残留结合水的含量,进而得到残留结合水含量与温度之间的关系,混凝土构件的温度梯度和强度的损失也可以估计出来。

另外,在火灾过程中,含有氯化物的物品燃烧释放出氯离子,而氯离子对混凝土有侵蚀作用。

根据含氯离子的混凝土深度与温度关系可以推测混凝土表面受火温度和持续时间。

但是,这些氯化物最早存在于混凝土表层的5mm～10mm深处,以后可能扩散到混凝土的更深部位,并很可能腐
蚀钢筋。

因此,测定结合水含量较测定氯离子含量更加准确些。

1.2 火灾后混凝土构件的强度检测
混凝土构件受火作用后其强度将会发生变化,及时有效地进行检测和评定,对于工程实践来说是十分迫切的,同时这也是对火灾后混凝土构件结构进行修复和加固的前提[2]。

1.2.1 表面目测方法
火灾后混凝土构件强度的表面观测方法也是根据灾后混凝土构件表面颜色、表面裂纹和剥落情况,综合判定其强度。

主要方法是采用锤子敲击、铁杆凿击等(见表1[3]),并且在敲击过程中,辅以听混凝土回声的清脆或沉闷与否,综合确定混凝土的强度。

这种敲击方法过于依靠经验,而且结果与锤击的部位有关,准确性不高。

1.2.2 回弹仪测试方法
回弹仪是一种利用材料硬度来检测混凝土构件强度和质量的简易仪器,回弹法因其仪器轻便,操作简单,可以布置较多测区,测试范围分布广而获得广泛的应用。

回弹法测试混凝土强度,是利用表面硬度法推断其强度的。

它通过标准动能(重锤)弹击混凝土表面,使表面产生弹性和塑性变形。

其中塑性变形不可恢复,使表面形成小坑,消耗能量；未消耗的能量,为弹性变形能,它回传回弹仪的重锤,重锤回跳的高度即为回弹值。

回弹值反映剩余能量的大小。

表面硬度低,弹击塑性变形大,吸收的能量多,弹性(剩余)能量少,回弹值小,混凝土强度低；表面硬度高,弹击塑性变形小,吸收的能量少,弹性(剩余)能量多,回弹值高,混凝土强度高。

1.2.3 超声波试验
超声法系指采用带波形显示功能的超声波检测仪,测量超声脉冲波在混凝土中的传播速度(简称声速)、首波幅度(简称波幅)和接收信号主频率(简称主频)等声学参数,并根据这些参数及其相对变化,判定混凝土中的损伤情况。

若超声波在一个有限的均质的且各向同性的介质中传播时,则其传播速度ν与介质某些性质有如下关系
根据上述公式已经建立了不少表示超声波速度与混凝土强度关系的经验公式,并有很好的相关性。

同时还可以测定混凝土变成粉红色区域的深度,具有测定混凝土强度和进行损伤程度比较的功能。

超声法要求混凝土表面有较好的平整性,且超声波发送和接受探头最好分别布置于构件相对两侧[4],以减少传播路径长度变化带来的误差,但这在实际操作中是难以保证的。

1.2.4 取芯样测法
现场检测混凝土强度的直接方法是从结构中取芯,然后进行试验。

这种方法是现场检测方法中公认的较精确的方法,其检测结果也是校核其它检测结果的基准。

这种方法能得到有关损伤位置、类型及损坏程度的较可靠资料。

规程中都是以芯样直径100mm或150mm,高径比为1.0作为
基准芯样进行强度评定。

芯样过大会对梁、柱产生不利影响并限制取芯检测的范围。

且小芯样
检测无论从现场的适应性、经济性、安全性来说都有极大的实用价值。

虽然钻芯法目前仍然是
国际上结构强度检测的有效方法,但该方法的缺点是费钱费时,而且当火灾构件尺寸较小,或火灾较为严重时施钻相当困难,容易损坏芯样,不宜在同一结构中大面积使用。

1.2.5 钻孔内裂法[5]
钻孔内裂法首先采用直径为6mm电钻,在混凝土表面上钻一个深度为30mm～35mm的孔,清除孔内粉尘,把一个直径6mm的楔形胀管螺栓轻轻插入孔内,当胀管到达混凝土表面以下测定深度
时停止。

经过用开槽靠尺检查和调整螺栓与混凝土表面的垂直度后,再装上张拉千斤顶,进行拉
拔试验获得拔出力,根据测定的拔出力的大小来评定混凝土的强度。

1.3 混凝土构件变形测量和整体结构试验
混凝土构件在经历火灾时,混凝土弹性模量、抗压和屈服强度,钢筋的屈服强度和弹性模量,以及钢筋和混凝土之间的黏结强度都受不同的损失。

在荷载不变的情况下,混凝土构件的变形也可以用来推断混凝土构件的剩余承载力。

对于梁构件通过测量跨中挠度变形与梁的极限允许挠
度的比值,可以用来推断梁的剩余承载力。

火灾对于建筑结构的影响大多是局部的,为对整个建筑结构进行受损评估分析和加固修复设计,除了根据检测结果进行剩余抗力的计算以外,还应进行建筑结构的动力性能检测,综合评定结构的受损程度和剩余抗力。

2 火灾后混凝土结构的损伤评估
在对火灾后的结构检测后进行受损结构的综合评定,必须通过火灾现场物品和结构烧损调查,在判定火灾温度、检测结构的材料性能和计算结构的残余承载以后进行。

损伤评估方法主要有
2种:其一是质量评估,在进入火灾现场之前就应展开。

它包括调查结构的自然情况、设计情况、使用情况以及平面图等,还要收集火灾调查报告,搞清火灾起因、持续时间和蔓延机理等。

二是
数量评估,根据质量评估结果,主要采用分析的方法对结构定量的检测,以判断结构是否仍能承担原始的设计荷载。

火灾对建筑物的损伤,从结构构件上主要反映在混凝土梁、板、柱、及砖墙、砖柱的承载力下降。

混凝土梁、板、柱遭受火灾后,由于混凝土被烧疏、爆裂、剥落、开裂造成强度降低,构件的刚度减小；同时在高温的作用下钢筋弹性模量和强度降低,混凝土与钢筋的粘结力降低,最终造成构件失去原有的承载力。

砖墙及砖柱遭受火灾后由于粉刷剥落,砌筑砂浆强度降低,最终导致墙体及砖柱承载力的降低。

另外,承重的混凝土构件在火灾作用下变形过大也会使墙体开裂,降低建筑物的整体性。

结构火损的评定一般按构件类型分为4种程度:一般的构件、受损较重的构件、受损严重的构件和危险构件:受损一般的构件是指火灾温度在150℃～500℃,构件仅仅是过火,而对结构承
载力没有影响；受损较重的构件是指火灾温度在650℃～850℃,构件混凝土局部爆裂、露筋,结构承载力有所降低,影响正常使用的构件；受损严重的构件是指火灾温度在850℃～1000℃,构
件混凝土严重爆裂、露筋,受弯构件跨中产生明显挠度,结构承载力明显降低,不能正常使用的构件；危险构件是指结构基本破坏必须拆除的构件。

结构受损程度综合评定后,需要针对不同的受损构件,提出不同的结构加固、结构修复处理意见,提出既经济又安全的恢复结构使用功能的方案。

3 结语
火灾对混凝土结构的损伤是极为复杂的问题,也是现代建筑中面临的一个新课题。

由于涉及的不确定性因素较多,如何从材料性质上分析,现场调查资料积累,发展快速准确的综合检测方法和设备仪器,都需要做大量的检测分析工作。

在检测评估中,应注意以下几个问题。

注意火灾现场调查资料的积累。

因为只有在大量收集资料的基础上才能对结构损伤做出准确的判断。

由于火灾的突发性和复杂性,用单一的检测方法进行评估,具有局限性,只有用多种方法进行综合评估,才能获得较为满意的结果。

各种方法的检测一般应进行受损与未受损构件测试结果的比较,这样才具有可比性。

要有系统地进行一些模拟实际火灾的试验,通过大量进行各种建筑材料及成品构件在不同温度情况下力学性能的变化,取得系统可靠的数据,提出必要的关系曲线与模拟方程。

这些研究对火灾后结构损伤的正确评估具有一定的理论依据。

在计算机应用迅速发展的今天,应从建立火损资料数据库入手,发展成为专家系统用计算机模拟分析。

这将在火灾后混凝土结构检测与评估方面取得新的突破。

参考文献
[1] 苗春,张雄,杜红秀.火灾混凝土结构损伤检测技术进展[J].无损检测,2004,26(2).
[2] V.Schneider,Repairbility of fire damaged structure,CIBW14Report,Fire safety Journal,1990,15(4).
[3] 陆洲导,朱伯龙.混凝土结构火灾后的检测方法研究[J].工业建筑,1995,25(12).
[4] 超声法检测混凝土缺陷技术规程CECS21:2000,中国工程建设标准化协会.
[5] 董毓利.混凝土结构的火安全设计[M].北京:科学出版社,2001.
[6] 张辉.混凝土结构火灾损伤红外热像检测试验研究[J].消防技术与产品信息,2004(6).。