火灾混凝土损伤评估新技术

[摘  要] 　回顾火灾混凝土传统检测方法，介绍了刚度损伤检测、测磁法、温度分布模拟、颜色分析、损伤深度检测和红外热像法等近年发展起来的火灾混凝土损伤检测新技术，系统地介绍和评价了这些新技术的基本原理、优点和使用范围，并对该领域的发展方向做了分析。

[关键词] 　火灾，非破损检测技术，混凝土，损伤

 

现代化城市里的各种钢筋混凝土建筑物是人们生活和生产的场所。由于人们用火不慎，电器设备电线的老化，违反安全操作以及自燃起火，纵火等原因，常常会引起火灾。特别是近年来，随着经济的发展，人口和建筑群的进一步密集，发生建筑火灾的概率大大增加，损失也极为严重。火灾之后，为了确保火灾损伤混凝土修复工程的可靠性和经济性，使之尽可能减轻损失，尽快恢复使用，快速科学地对遭受高温损伤的建筑物进行检测鉴定和评估，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评估的研究具有重大的经济意义和现实的社会意义。

 

传统火灾混凝土检测方法，主要有表观检测、超声波法、回弹法、钻芯法、锤击法和中性化深度检测^[.][2][3] 。

(1) 超声波、回弹法

超声波-回弹综合法在无损检测中已有广泛应用，在火灾混凝土检测中也常常被采用。一般来说， 使用超声波和回弹仪是用正常状态混凝土和火灾后混凝土对比，通过超声波速比和回弹值比相对地推算混凝土受损情况。使用超声-回弹综合法可评估受火灾后混凝土的强度^[4] 、损伤层深度^[5] 及受火温度^[6][7] 等，但由于火灾损伤混凝土结构的特殊性和复杂性，这种方法在实际使用中还存在种种困难。到目前为止，超声-回弹综合法在火灾损伤混凝土检测中只作为定性评价的手段，还不能评估火灾中混凝土的强度^[2] 。

(2) 表观检测

    表观检测主要根据火灾损伤混凝土的颜色变化来判定火灾后混凝土的受损等级。表面有黑烟的混凝土表面温度小于300℃;混凝土表面呈粉红色时， 其温度约在300～600℃;混凝土表面呈灰白色时， 其温度为600～900℃;呈淡黄色的混凝土，其温度高于950℃。

混凝土变成粉红色是由于在骨料中含有铁盐， 当然也有例外情况，石灰岩和火成岩类骨料以及轻骨料混凝土较少出现这种情况^[3] 。

(3) 钻芯

    取芯样进行混凝土抗压强度检验能直接判断该区域的混凝土实际强度值。在可能情况下，可在芯样截取不同灼伤深度尺寸试件进行抗压对比实验， 有时因为构件太小或破坏严重(强度低于1.0MPa)， 难于获得完整的芯样，还应和其他方法结合综合评估整个构件的混凝土质量。

(4) 锤击法

    锤击火灾损伤的混凝土，所发出的声音较普通混凝土来说比较沉闷，但这种方法过于依靠经验，而且这与锤击的部位有关系，其结果只能作为参考。

(5) 中性化深度检测

    中性化深度，即碳化深度。水泥水化后的水泥PH 值一般为.2～.3 ，呈碱性，当温度达547 ℃， 混凝土Ca(OH)₂ 分解，混凝土呈中性，故用.～2% 酚酞试剂可检查出火灾中混凝土温度分布曲线中547℃的分界线。但在实际当中，应注意区分混凝土一般正常碳化与火灾引起的碳化，予以修正^[2]。

 

(1) 刚度损伤检测^[8]

    英国伦敦大学的A.Y. Nassif 首先将刚度损伤检测运用于火灾混凝土检测， 它借鉴于英国布里斯托尔大学和伦敦大学曾经研究的检测碱-骨料反应损伤的方法。

    刚度损伤检测主要是对芯样在低应力下重复荷载，进行单轴向应力应变响应实验。实验先将试件在高温炉中灼烧， 等试件中心与表面温度相同(中心温度由放置与试件中心的热电偶测出) 时，再将高温试件在常温下冷却，随后每个温度等级试件钻取3个芯样(直径75mm ，长.75mm) 。 整个实验分六个温度等级灼烧试件：2.7℃，240℃，287℃，320℃， 378℃和470℃。

    为了能将损伤程度定量化，在实验中运用了几个参数，分别是：

(a) 弦向加载模量Ec(加载响应斜率)

(b) 卸载刚度Eu(卸载响应斜率)

(c) 损伤指数DI(磁滞回线与应力之比)

(d) 塑性应变PS(重复荷载完毕后的形变)

(e) 非线性指数NL I(加载响应中一半应力与Ec 之比——这个值可反映加载曲线的凹凸程度)

图1是以上几个参数在一个经受过570℃试件在一个加载-卸载循环中的应力-应变发展。

 

                      图1. 　刚度损伤检测参数图解

 

    以上几个参数对火灾混凝土的破裂程度反映十分灵敏，可为火灾损伤混凝土的塑性性质的改变提供极有价值的信息，并可用于评估火灾后混凝土构件的永久变位。弹性模量的减少和塑性应变(PS) 的增加，在经受过火灾的预应力混凝土构件中，可反映其预应力损失。损伤指数(DI) 表明在重复荷载中能量损失，这个参数与被测物的破碎程度有直接联系。卸载刚度(Eu)可很容易的区别被测物的刚度损失是由高的水灰比还是其内部破裂引起的。非线性指数(NLI) 即曲线的凹凸程度，与被测物所经受过的高温温度有关联。

    在A. Y. Nassif所进行的刚度损失检测中，所选用的5个参数对火灾混凝土的损伤程度的反映相当灵敏，而且数据离散性小。但在实验中，最高温度只有470℃，而所有的火灾最高温度都达到了900℃ 以上，作者没有对更高温度进一步研究。另外，此方法的试样是钻取的芯样，而正常情况下，由于温度呈梯度分布，试样的损伤程度亦由表及里损伤愈加严重，则芯样并非作者在实验中所取得的整体温度分布和损伤程度都比较均匀的芯样。

(2) 测磁法^[9]

    在常用的不可燃建筑材料中，如:混凝土、砂浆中的骨料中由于其矿物内大都含有Fe^{2 +} 和 Fe^{3 +} ，所以是一种顺磁性矿物，莫斯科火灾工程高等技术学院的N. N.Bruschlinsky 等专家，通过一系列实验发现，试件的磁性性质在500℃以下不发生任何变化，400～500℃的温度范围正是混凝土在火灾中是否受损的温度分界线;而在500～.000℃之间，材料的磁化强度变化十分显著，有的甚至会超过初始值的.00 倍之多，这是因为在升温过程中始终伴随着Fe^{2 +} →Fe^{3 +} 的转化;在所有未加热试件中的磁化强度的平均值与每个试件的磁化强度的差别均不超过5 % ， 即试件磁化强度的初始值稳定; 在N. N.Bruschlinsky五年的观测中，试件只要不经历高温，材料内的磁性性质亦不会变化，不会随着混凝土构筑物的使用时间延长而发生变化。

    在N. N.Bruschlinsky的实验中使用的是磁化强度仪，一种由前苏联生产的用于地球物理学探测的仪器。曾应用于.986 年切尔诺贝利核泄露事故的调查中，检测β射线对建筑材料的磁化强度的影响。

    图2 中的△x=x-x₀ ，x 是被测试件经加热冷却后的磁化强度值，x₀ 是初始值，CGSM 是磁化强度的单位。曲线1.、2 和3分别对应以不同的升温速度加热试件的△x。曲线1，在5 分钟内将试件加热到1.000℃; 曲线2， 在1.0 分钟将试件加热到1.000℃;曲线3，在40分钟将试件加热到1.000℃。

 

                    图2 　△x 与温度关系

 

    试件在经高温后，磁化强度值急剧升高，为初始值的.00倍之多。而且高温下保温时间不同，磁化强度值也有差别，显然，经受高温的时间越长，损伤程度也是越严重的。

    N. N.Bruschlinsky 所用的测磁法， 适用于大面积检测， 在实验中可以绘制出构件的温度分布图， 对材料的反应也相当灵敏。但此方法也在一些方面受到局限，建筑中用的混凝土及砂浆等不可燃材料的原材料，大都取于当地。而原材料的矿物成分常常因地域不同而有所差别。在文中，作者仅对俄罗斯及波罗的海各国和中亚地区的原材料进行过调查。

(3) 温度分布模拟

    在遭受火灾的混凝土损伤程度评估中，很重要的一个衡量标准就是构件曾经经受过高温的温度。用数学方法和计算机来模拟火灾过程和构件的在火灾中的温度分布，是火灾混凝土检测发展的趋势之一。

    英国兰开夏(Lancashire) 中心大学建筑环境系的Zhaohui Huang ，在理论热学和混凝土中物质传递等理论的基础上，用非线性有限元模型来模拟火灾过程中构件的温度分布情况，并且根据他们的研究成果，设计出了一套专用于模拟火灾混凝土温度分布的程序^[.0]。

    浙江大学土木工程学系的金贤玉等在大量实验基础上，也实现了混凝土在受高温时温度分布模拟^[7]。

    火灾混凝土温度分布模拟具有一定的研究价值，这是火灾混凝土检测自动化的发展方向。同时，这种损伤检测方法在实地检测中，需要考虑很多因素，例如:尺寸效应，混凝土材料的导热系数、热容量，火灾持续时间，构件的含水率等。尤其尺寸效应，它对构件温度场分布的影响尤为明显。

(4) 颜色分析^[3]

    颜色分析法完全不同于表观检测中根据表面颜色判断遭受高温的方法，英国阿斯顿大学工程与应用科学系的N. R. Short在这种方法中结合岩相学， 引入了另一种分析颜色的色彩模式。

    一般我们所说的色彩模式是RGB (red， green and black) 模式，即任何一种颜色都可被红色、绿色和黑色以不同的比例搭配而成。而在颜色分析法中用到的色彩模式是HSI(hue，saturation and intensity) 模式即:色调、饱和度和亮度。见图3。

                   图3 　HSI 色彩模式

 

    色调：色调表示光的颜色，它决定于光的波长。实际上，可见光的各色波长范围之间的界限并不十分明显，色调是由强度最大的彩色成分来决定的。例如自然界中的七色光就分别对应着不同的色调，而每种色调又分别对应着不同的波长。任何一种颜色都可以在HSI 色彩模式(图3) 中找到相对应的位置，在水平面即色调面上的投影的角度就是它的色调值。在电脑分析软件中，这个水平的0～360的圆上的点被定义为0～225不同的值，从图3可看出纯红色的值是0或225。色饱和度:色饱和度是指彩色的深浅或鲜艳程度，通常指彩色中白光含量多少， 如对白光来讲，它的色饱和度为零，而.00%的色饱和度是指该种彩色中不含白光。亮度:亮度表示某种颜色在人眼视觉上引起的明暗程度，它直接与光的强度有关。光的强度越大，景物就越亮；光的强度越小，景物就会越暗^{[..] [.2]}。

    检测中用的仪器是奥林帕斯的反射光偏振显微镜和相应的颜色分析处理软件。在实验中，需要将样品截成50×80mm ，再裹以无色树脂，并经过磨光处理，以利于样品在检测中反射光线。

    颜色分析法在色调值和所遭受的温度以及受损深度之间建立关系，这样一来，只需要检测构件样本的色调值即可推知经历高温的温度和受损深度。但是，在实验中并没有排除骨料对实验结果的影响，因为在实际检测中，要截取一块50×80mm 大小的样本中通常都含有骨料，所以以取砂浆为宜。另外，颜色分析法所用到的仪器及相关配套的工具、软件共需要￡50000 ，不菲的价格使之在我国应用还有相当难度。

(5) 损伤深度检测^[.3]

    在运用钻芯法检测火灾损伤混凝土时，需先把芯样表层的疏松层凿掉，然后再检测其强度。可是由于火灾损伤混凝土的特殊性，钻芯法不能直接评估火灾混凝土残余强度。原因在此不再赘述。

    葡萄牙里斯本Instituto Superior Tecnico 的J. R. dos Santo s 等在钻芯法的基础上发展了这种检测方法。前面已经讲过，火灾混凝土芯样的损伤程度呈层状分布，根据这个情况，可把芯样切为厚度为..5cm 的切片，这样每个被切成扁圆柱体形的切片样本本身可近似认为其损伤程度是均匀的。因为损伤程度越严重的混凝土，裂缝越多，也越疏松。孔隙率大，必然吸水率也随之增长。分别称得切片干燥时和吸水饱和时的重量，可得到吸水率。同时做张拉应力实验。从而得到的每个切片样本的吸水率和张拉应力损失，与遭受火灾的混凝土损伤深度建立关系。

    这种方法与钻芯法相比有很大进步，更合理，能更精确地检测火灾混凝土的损伤深度和程度。但因为在检测中仍然需要钻取芯样，所以无法克服某些钻芯法本身的不足，比如说，某些损伤严重的混凝土无法获得芯样，而且如果在这样的受火灾构件上钻取芯样，无异于雪上加霜;另外，实际火灾情况错综复杂，在构件上某点所获得芯样得到的结论也不能代表整个构件的其他部位损伤状况。在工程检测中，只能在部分构件上选取点检测，而不能大面积全面检测。

(6) 红外热像法^{[.4] [.5]}

    
    红外辐射也被称为红外线。它是由原子或分子的振动或转动引起的，是一种电磁辐射，即电磁波， 其波长介于0.75～.000μm之间。

    自然界中，所有绝对零度( -273℃) 以上的物体都连续不断地辐射红外能，其数量与该物体的温度密切相关，换句话说，红外辐射数量的增加或减少随温度而变化。世界上任何温度高于绝对零度的物体都是红外辐射源，因此红外检测技术应用十分广泛。尤其是导热性差而表面发射率大的材料，大多数建筑材料(混凝土、砖、石材等) 属于这类材料，采用红外热像检测灵敏度较高。

    同济大学混凝土材料研究国家重点实验室的张雄教授，将红外热像技术应用于火灾损伤混凝土的检测，建立了红外热像平均温升与混凝土受火温度及强度损失的检测模型。

    使用红外热像仪内置的微处理器可以计算火灾混凝土试件表面的热像平均温升。

图4 　混凝土加热和散热过程中热像平均温升随时间的变化曲线

 

从图4 可知，经受不同高温的混凝土的平均温升亦不同，而且在500℃上下相差较大。最后可在红外热像平均温升与混凝土受火温度及强度损失之间建立检测模型：

T = .0.4753x –.4.964.

f_cut/f_cu = -...64.x + 2.8226

T——受火温度;       x——平均温升;       f_cut/f_cu ——强度损失

    将红外热像技术应用于检测火灾混凝土，可相当精准地得到混凝土的受火温度和残余强度。但由于测平均温升时必须给被测物提供一稳定热源(实验时用红外灯的强光加热)，而在实地检测时，这一热源在加热中往往会受到环境中空气流动的影响而影响到结果。所以，在实地检测中最好能对现场做适当的封闭处理，以利于检测工作。

 

    本文列出的新技术，大都借鉴了其他学科的相关原理，或借助先进的检测仪器，实现对火灾混凝土的评估，这在火灾混凝土评估发展中是一个突破，而且在检测数据稳定、离散性小，自动化程度高等方面优于传统检测方法。但从上述对新技术的优缺点分析也可以看出，由于火灾情况错综多变和混凝土结构复杂性与混凝土材料性能的特殊性，任何方法在检测中总会暴露出一定程度的不足。到目前为止还找不到一种能够全面检测的方法，因此采用两种或几种方法，“以彼之长补己之短”，相互弥补以达到综合评估，这是火灾混凝土评估发展的方向。

 

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作者：苗　春　韩建军　吴海勇　缪小星
(上海市建筑科学研究院，上海，200032)