过火混凝土桥梁超声波检测研究

李华东 刘佳节

0 引言

近年来，公路混凝土桥梁遭受火灾的事故逐渐增多，不仅给桥梁结构本身造成破坏，而且危及公路尤其是高速公路的正常运营。火灾后必须及时、科学地对受损构件进行损伤识别，合理地进行损伤评估，才能为桥梁的加固维修提供可靠的数据支持，切实结合加固恢复结构的承载能力和使用性能，达到安全运营的目的。

1 火灾混凝土损伤的特点

1)受损部位疏松，且疏松程度由表及里。在火灾过程中，混凝土结构表面遭受高温灼烧，温度梯度从外向内递减。混凝土中的砂浆和骨料在一定温度下会产生不同的物理化学变化。100℃时混凝土内的自由水会以水蒸气形式溢出;200℃～300℃时CSH凝胶的层间水和硫铝酸钙的结合水散失;500℃时Ca(OH)2受热分解其结合水散失;而800℃～900℃时CSH凝胶(水化硅酸钙)已完全分解，原来意义上的砂浆已不复存在。骨料的变化主要是物理变化，573℃时硅质骨料体积膨胀0.85%;700℃时碳酸盐骨料和多孔骨料也有类似损坏，甚至突然爆裂。

2)有纵、横向裂缝产生。裂缝产生有两个原因，即在升温和降温过程中膨胀或收缩不均匀以及受弯构件在受损后受弯部分变形过大。裂缝的数量和宽度与受损程度成正比。其大致状况为:400℃～500℃时，表面有裂缝，纵向裂缝少;600℃～700℃时，裂缝多且纵横向均有，并有斜裂缝产生;大于700℃时，纵横向及斜裂缝多且密，受弯构件混凝土裂缝深度可达1 mm～5 mm。

3)表面有爆裂。造成火灾混凝土的爆裂主要有两个原因，即热应力机理和蒸汽压机理。混凝土在升温和降温过程中或灭火时的急速冷却，都可使混凝土变形不均，局部受压或受拉引起爆裂，这就是热应力机理。蒸汽压机理为在混凝土升温中不断有自由水、层间水和结合水以水蒸气形式释放，而混凝土本身是一个致密结构，这个特点使得水蒸气散溢出混凝土表面有一定困难，所以当水蒸气的膨胀应力积累到一定程度后，引起混凝土表面爆裂。

2 火灾后混凝土构件的检测

混凝土构件受火灾后的强度将会下降。但如何检测和评定，目前还没有专门方法和检测混凝土强度的仪器。在工程实践中对此的研究是十分迫切的，这也是对火灾后混凝土构件结构进行修复和加固的前提。该项目采取超声波检测方法进行检测。

通过测量火灾附近区域没有遭受火灾的相同构件的混凝土脉冲速度和遭受火灾后相同构件的混凝土脉冲速度，并进行比较，可以推测出火灾温度。对构件进行超声波综合指标检测，可定量评估构件表面曾经历过的最高温度及损伤深度。但这种方法受含水率、温度效应、测距及钢筋的影响很大，而且对构件表面的平整度要求较严，损伤严重的混凝土表面开裂剥落，用超声波法检测误差较大。

3 依托工程概述

3.1 桥梁概况

2008年12月26日，某高架桥发生火灾损伤。该桥2008年1月建成，为跨度25 m的组合箱梁结构，桥下限高2.5 m，桥梁火灾后实景图见图1。

图1 某高架桥火灾后外观图

3.2 火情分析

据现场调查，起火区域处于北半幅桥梁第一跨的1号桥墩附近。燃烧物堆放区域距离桥墩约3 m，现场调查当日风向东北，从现场残留物推断主要燃烧物为毛竹。

本次火灾主要影响北幅第1孔桥梁，相邻北幅第2孔有烟熏痕迹，相邻南幅第1，2孔无烟熏痕迹。肇事者在火灾发生后，自行用水泥对剥落处进行了修补，根据现场局部凿除及钻孔情况，3号桥墩，盖梁，5号箱梁，4号箱梁表面修补区域水泥砂浆修补深度为0 cm～3 cm，横隔板及湿接缝为水泥砂浆表面涂刷。

4 超声波检测

图2为4号箱梁混凝土超声波波速沿梁长度方向的变化，从图2中可以看出，在距1号墩约3 m的范围内，超声波波速明显减小。表明此处混凝土受到火灾影响较大。

图2 4号箱梁声速分布

图3为5号箱梁混凝土超声波波速沿梁长度方向的变化，从图3中可以看出，在距1号墩约4 m的范围内，超声波波速明显减小。表明此处混凝土受到火灾影响较大。

图3 5号箱梁声速分布

图4为盖梁混凝土超声波波速沿梁长度方向的变化，从图4中可以看出，在距盖梁下缘角点约2 m的范围内，下缘的超声波波速明显减小，在距梁底边300 mm处，距梁下缘角点约1 m范围内超声波波速明显减小。表明此处混凝土受到火灾影响较大。

5 检测结论与建议

5.1 检测结论

本次火灾主要影响区域为北半幅第一跨西侧，主要结论如下:

1)1号桥墩3号立柱受到火烤，靠近火场一侧局部表面出现混凝土剥落;2)盖梁距离火场直线距离最近，受灾较重，上半部可见直接火烧痕迹，全高范围内出现表面松散、龟裂且伴有局部剥落、空鼓范围较大，盖梁上部存在较多裂缝且部分裂缝在上翼缘贯通，在受火烧区域超声波波速明显变小，波形畸变，空鼓区域混凝土回弹值减小;3)4号，5号梁的底板、腹板、翼板以及湿接缝直接受火焰熏烤，均出现大面积松散、空鼓及局部混凝土剥落，超声波波速减小，波形畸变;4)盖梁及箱梁钢筋混凝土经过超声波检测鉴定后，受热冷却后材料性能下降;5)过火区域橡胶支座开裂严重，竖向裂缝和横向裂缝在不同支座均有，橡胶支座老化严重，已不能正常工作;6)根据混凝土外观情况，推定本次火灾混凝土构件表面灼着温度为:盖梁，箱梁及湿接缝不超过700℃;桥墩300℃～450℃。

图4 盖梁声速分布

5.2 建议处理方案

根据详细调查结果，参照原设计图纸，对比发现过火区域结构强度虽有下降，但仍处于设计许可范围内，满足结构承载力要求。现根据现场调查情况，考虑结构物耐久性及安全预留，建议对受损区进行加固处理，具体如下:

1)将混凝土表面熏黑部分进行打磨，彻底清除松散混凝土，然后用结构胶进行修补，恢复结构的原有尺寸。2)过火区域混凝土表面涂刷阻锈剂，防止水分渗入以保护钢筋。3)受损区沿应力方向粘钢板。4)盖梁顶部裂缝建议暂不处理，并加强观测，若裂缝无进一步发展，应采取灌缝处置。5)对受损区4个橡胶支座进行更换，所更换的支座必须与原支座同型号。6)全跨进行表面涂装。

6 结语

由于火灾情况错综复杂，以及桥梁结构、混凝土结构的复杂性和混凝土材料性能的特殊性，超声波检测存在一定的不足，至今还未探索出一种全面的检测火灾混凝土的方法，因此还需要不断对火灾混凝土检测评估技术进行研究和促使其发展。

[1]曲升级，许田枝.混凝土结构火灾损伤检测[J］.浙江建筑，2009(11):36-37.

[2]吕显智，周白霞.超声波法检测火灾高温后钢筋混凝土强度[J］.武警学院学报，2010(2):63-64.

[3]刘鸿雁.公路混凝土桥梁火灾后的检测与评估[J］.公路交通科技，2010(1):51-52.

[4]徐胜超.火灾后钢骨超高强混凝土柱抗震性能的研究[J］.山西建筑，2010，36(6):71-72.