潘一平 王仕匯

近年來(lái)建筑火災(zāi)的發(fā)生日益頻繁，給人類的生命和財(cái)產(chǎn)造成的損失也越來(lái)越大。在各類建筑結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占有很大比重。由于混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的耐火性，火災(zāi)后通常不會(huì)燒毀倒塌，但是混凝土和鋼筋在經(jīng)歷高溫作用后，其材料性能將發(fā)生嚴(yán)重惡化，強(qiáng)度值和彈性模量值銳減，變形猛增，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生劇烈的內(nèi)力重分布，從而使結(jié)構(gòu)的性能大大削弱，因此，火災(zāi)后應(yīng)及時(shí)對(duì)受損建筑進(jìn)行科學(xué)、合理地?fù)p傷鑒定，并根據(jù)鑒定結(jié)果制定受損結(jié)構(gòu)的合理修復(fù)加固方案，對(duì)確?；馂?zāi)后修復(fù)加固結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

1 火災(zāi)溫度的判定

1.1 火災(zāi)溫度的估算

火場(chǎng)的溫度—時(shí)間關(guān)系可根據(jù)火荷載的密度、可燃物特性、受火墻體及樓蓋的熱傳導(dǎo)特性、通風(fēng)條件及滅火過(guò)程等按燃燒規(guī)律進(jìn)行室內(nèi)溫度分析。這種方法雖然可以綜合反映影響火災(zāi)過(guò)程和火災(zāi)溫度的很多因素，但是確定這些影響因素十分困難，在實(shí)際應(yīng)用中常常受到限制。

目前廣泛應(yīng)用的溫度預(yù)測(cè)方法是采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，其解析表達(dá)式為:

其中，T為火災(zāi)開始后t min時(shí)室內(nèi)溫度;T0為常溫，20℃;t為火災(zāi)時(shí)間，min。

實(shí)際上火災(zāi)區(qū)域內(nèi)各分區(qū)的溫度是不同的，在同一分區(qū)內(nèi)，構(gòu)件所處的位置不同，構(gòu)件的不同表面其溫度也有顯著差異。因此，應(yīng)在分析溫度—時(shí)間的理論關(guān)系基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行溫度分區(qū)，并分析構(gòu)件所受溫度。

1.2 火災(zāi)溫度的實(shí)際判定方法

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)殘留物判定火災(zāi)溫度。不同的材料，其變態(tài)溫度、燃燒點(diǎn)各不相同。現(xiàn)場(chǎng)殘留物判定是根據(jù)建筑物內(nèi)材料的燒損情況判定建筑物內(nèi)各部位的溫度。文獻(xiàn)［1］給出了各種材料的燃燒特性，根據(jù)各種物質(zhì)的燃燒特性，可分析判斷室內(nèi)混凝土構(gòu)件所受的溫度情況。

2)根據(jù)構(gòu)件外觀判定火災(zāi)溫度。混凝土結(jié)構(gòu)的外觀在受到火災(zāi)高溫作用后會(huì)發(fā)生一系列的變化，當(dāng)溫度不超過(guò)300℃時(shí)，混凝土表面僅看見黑煙;當(dāng)溫度在300℃～600℃時(shí)，混凝土表面會(huì)逐漸變色，由粉紅色加深到鐵銹紅;當(dāng)溫度從600℃上升到700℃～800℃時(shí)，混凝土表面顏色逐漸泛黃，由淺黃色到土黃色;當(dāng)溫度超過(guò)800℃以后混凝土表面顏色開始由土黃色變到灰白?；炷潦艿礁邷刈饔煤?，其表面會(huì)生成許多網(wǎng)狀裂縫，特別是當(dāng)混凝土達(dá)到臨界溫度580℃后，其表面會(huì)產(chǎn)生大量裂縫，并發(fā)生爆裂和露筋現(xiàn)象。因此，構(gòu)件外觀判定就是根據(jù)火災(zāi)后構(gòu)件表面的顏色，開裂，脫落等外觀特征分析判定火災(zāi)溫度。

2 混凝土損傷檢測(cè)方法

2.1 錘擊法

遭受火災(zāi)(高溫)作用的混凝土，其錘擊聲音比普通混凝土沉悶，但是這種方法主要是檢測(cè)人員依靠經(jīng)驗(yàn)，受人為因素影響較大，同時(shí)其結(jié)果與檢測(cè)人員所錘擊的部位也有很大的聯(lián)系，因此其結(jié)果只能作為一種參考。

2.2 小芯樣檢測(cè)法

取芯法是混凝土現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中公認(rèn)的較精確的方法，其檢測(cè)結(jié)果也是校核其他檢測(cè)結(jié)果的基準(zhǔn)。火災(zāi)后混凝土的受損厚度一般為25mm～60mm左右，需要檢測(cè)的是位于受損層的平均強(qiáng)度，因而在火災(zāi)后混凝土的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，小芯樣檢測(cè)具有很大的實(shí)用價(jià)值。但是，從結(jié)構(gòu)中取出的芯樣往往是長(zhǎng)短不齊，且平整度與垂直度往往也不滿足要求，需要對(duì)從結(jié)構(gòu)中取出的芯樣進(jìn)行加工打磨，這樣就破壞了芯樣受損層的完整性。對(duì)于受火災(zāi)影響嚴(yán)重的構(gòu)件，其表面混凝土已脫落，或在鉆取芯樣的過(guò)程中脫落，也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.3 回彈法和超聲回彈綜合法

回彈法和超聲回彈綜合法是對(duì)一般建筑物普通混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定的方法，在我國(guó)混凝土工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且制定了相應(yīng)的國(guó)家技術(shù)規(guī)程［2，3］，建立了專用的測(cè)強(qiáng)曲線和計(jì)算公式，但是在規(guī)程中明確規(guī)定這兩種方法不適用于火災(zāi)后混凝土抗壓強(qiáng)度的判定。

文獻(xiàn)［4］對(duì)硅質(zhì)骨料和鈣質(zhì)骨料共計(jì)184個(gè)100 mm× 100 mm×300 mm的混凝土棱柱體試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試件受火溫度分別為100℃，300℃，500℃，700℃，900℃，為了使試件內(nèi)外溫度保持一致，試件受火時(shí)間設(shè)定為6 h，采用噴水冷卻和自然冷卻兩種冷卻方式將經(jīng)歷高溫后的混凝土冷卻至室溫。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了利用回彈法測(cè)定火災(zāi)后混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)強(qiáng)公式(式(1)和式(2))和利用超聲回彈綜合法判定火災(zāi)后混凝土強(qiáng)度的測(cè)強(qiáng)公式(式(3))。文獻(xiàn)［5］對(duì)應(yīng)用回彈超聲法評(píng)定火災(zāi)(高溫)后靜置混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度與回彈值的關(guān)系和高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度與超聲波速的關(guān)系，得出了適合火災(zāi)(高溫)后靜置的混凝土專用測(cè)強(qiáng)公式。

硅質(zhì)骨料:

鈣質(zhì)骨料:

根據(jù)火災(zāi)后混凝土的專用測(cè)強(qiáng)曲線和計(jì)算公式，就可以運(yùn)用回彈法和超聲回彈法進(jìn)行火災(zāi)損傷檢測(cè)。

2.4 紅外熱像法

紅外輻射是由原子或分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)引起的，自然界中任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都能輻射紅外線，一般材料的溫度與紅外輻射功率的關(guān)系為:

紅外熱像就是把來(lái)自目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變成可見的熱圖像，通過(guò)直觀的分析物體表面的溫度分布，推定物體表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和缺陷，并以此判斷材料性質(zhì)和受損情況的一種無(wú)損檢測(cè)方法?；炷敛牧显谠馐芨邷刈饔没?qū)l(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，不同的受火溫度、持續(xù)時(shí)間，將造成不同程度和深度的損失，導(dǎo)致混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，從而引起材料熱傳導(dǎo)性能的變化，導(dǎo)致紅外輻射隨受損情況不同而各異，并形成不同特征的紅外熱圖像。因此，通過(guò)分析火災(zāi)后混凝土的熱圖像特征，即可評(píng)定火災(zāi)后混凝土的受損情況。文獻(xiàn)［6］根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強(qiáng)度損失的檢測(cè)模型，通過(guò)此模型可評(píng)估混凝土的損失程度，為火災(zāi)后建筑物的修復(fù)加固提供科學(xué)依據(jù)。

2.5 熱分析方法

熱分析方法是根據(jù)混凝土受熱時(shí)發(fā)生一系列的不可逆物理、化學(xué)變化，通過(guò)對(duì)災(zāi)后材料再受熱的表現(xiàn)特性來(lái)判定混凝土在火災(zāi)中所受的溫度范圍。熱分析法分為差熱分析法(DTA)、差示掃描法(DSC)和熱重分析法(TGA)。差熱分析(DTA)是在程序控制溫度下，測(cè)量試樣和參比物的溫度差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。這里的參比物是指在一定溫度下不發(fā)生分解、相變破壞的物質(zhì)。當(dāng)試樣發(fā)生了某種物理、化學(xué)變化時(shí)，所釋放或吸收的熱量使試樣溫度高于或低于參比物的溫度，從而在相應(yīng)的差熱曲線上可得到放熱峰或吸熱峰。差示掃描法(DSC)與差熱分析相似，只是在程序控制溫度下，測(cè)量的是輸入到被測(cè)物和對(duì)比物的功率與溫度關(guān)系。熱重分析法(TGA)是在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)重量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。當(dāng)試樣發(fā)生了某種物理、化學(xué)變化時(shí)，由于物相變化，例如水分、CO2的釋放和吸收，將導(dǎo)致試樣的失重或增重，從而建立了試樣重量變化與溫度的關(guān)系。文獻(xiàn)［7］運(yùn)用DTA方法分析了火災(zāi)后結(jié)構(gòu)混凝土的損傷深度，并用鉆心法檢測(cè)受檢構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度，從而驗(yàn)證了DTA方法檢測(cè)火災(zāi)后混凝土損傷深度的可靠性。

2.6 電化學(xué)分析法

混凝土結(jié)構(gòu)物在遭受高溫(火災(zāi))作用時(shí)，水泥水化物會(huì)發(fā)生一系列相變，Ca(OH)2在450℃～500℃下會(huì)失水形成CaO，從而導(dǎo)致混凝土的中性化。當(dāng)混凝土中性化深度抵達(dá)鋼筋表面時(shí)，鋼筋附近堿性降低，鋼筋表面的鈍化膜逐漸破壞，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。上述過(guò)程是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，因此通過(guò)檢測(cè)鋼筋銹蝕電勢(shì)，鋼筋銹蝕電流密度和混凝土電阻率等電化學(xué)檢測(cè)參數(shù)，分析混凝土中性化程度和鋼筋鈍化膜狀態(tài)，利用文獻(xiàn)［8］提出的判定準(zhǔn)則和輔助分析模型，可診斷和評(píng)估鋼筋遭受的溫度是否大于500℃，進(jìn)而推定火災(zāi)對(duì)鋼筋機(jī)械性能損傷的情況;同時(shí)，還可診斷和評(píng)估火災(zāi)后混凝土中性化的深度是否大于保護(hù)層厚度。

2.7 色譜分析法

色譜分析法是一種在色調(diào)值和所遭受的溫度及受損深度之間建立關(guān)系，從而只需檢測(cè)構(gòu)件樣本的色調(diào)值即可推知經(jīng)歷火災(zāi)的溫度和受損深度的一種無(wú)損檢測(cè)方法。

文獻(xiàn)［9］分別用摻加了粉煤灰、高爐礦渣和無(wú)任何摻合料的三種混凝土做試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論經(jīng)歷高溫與否，混凝土的色調(diào)都集中在0～39，而40～255為0;兩種狀態(tài)混凝土的色調(diào)值在分布上有很大差異，受高溫(350℃)混凝土的色調(diào)集中在10～19，20～29區(qū)間陡降，而未受損混凝土則相反;兩種混凝土之間表現(xiàn)的這種差異受混凝土中某些礦物成分的影響不大。

但是文獻(xiàn)［9］并沒有排除骨料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，因?yàn)樵趯?shí)際檢測(cè)的樣本中通常都含有骨料，所以以取砂漿為宜。另外，顏色分析法所用到的儀器及相關(guān)配套的工具和軟件價(jià)格不菲，所以這種檢測(cè)方法很難在我國(guó)推廣普及。

3 結(jié)語(yǔ)

以上介紹的幾種火災(zāi)后結(jié)構(gòu)遭受的火災(zāi)溫度和混凝土強(qiáng)度損傷的幾種檢測(cè)方法，都有各自的特點(diǎn)和精度。在火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際檢測(cè)工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況，采用兩種或兩種以上能相互彌補(bǔ)的檢測(cè)方法相結(jié)合，以便做出科學(xué)的鑒定和評(píng)估，這也是火災(zāi)后混凝土檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

［1］ CECS 252∶2009，火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ CECS 02∶88，超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］ JGJ/T 23-92，回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ 閻繼紅，胡云昌，林志伸.回彈法和超聲回彈綜合法判定高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2001，31 (12):46-47.

［5］ 呂天啟，趙國(guó)藩，林志伸，等.應(yīng)用回彈超聲方法評(píng)定火災(zāi)高溫靜置混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2002，154 (8):21-23.

［6］ 杜秀紅，張 雄，韓繼紅.混凝土火災(zāi)損傷的紅外熱像檢測(cè)與評(píng)估［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30(9):1078-1082.

［7］ 韓繼紅，張 雄.運(yùn)用DTA方法分析火災(zāi)結(jié)果混凝土損傷深度［J］.工程質(zhì)量，2000(3):33-34.

［8］ 杜秀紅，張 雄.火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的電化學(xué)檢測(cè)與評(píng)估［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2006，9(6):660-665.

［9］ Short NR.Assessmentof fire damaged concrete using colour image analysis［J］.Construction and Building Materials，2001 (15):9-15.