探讨火灾后混凝土结构损伤检测与常见处理方法

阳 丹，杨 虹，何 凌

(西华大学建筑与土木工程学院，四川成都610039)

一方面应做好预防火灾的各项工作，防止发生火灾;另一方面发生火灾后，应当及时、有效地对火灾后建筑物进行补救，减少火灾带来的损失。因此，灾后建筑物的损伤检测与处理工作的重要性就越来越突出。

本文从火灾对混凝土结构的破坏机理、火灾损伤、火灾后混凝土结构的损伤检测、修复和加固四个方面，探讨了火灾后混凝土结构损伤检测与处理这一过程。

1 火灾对混凝土结构的破坏机理

从混凝土本身看，混凝土是以水泥为胶凝材料，加粗骨料(石子)、细骨料(砂)、掺和料、外加剂等用水拌和，硬化而成的人工石。它在火作用下的机理可归纳为以下三个方面［2］:第一，表面受火处温度升高比内部快，内外温差引起混凝土开裂。火灾时，混凝土中各种水分迅速汽化，体积明显膨胀，冲破障碍迅速逃逸，导致强度下降;第二，水泥石受热分解，使胶体的粘结力破坏，出现裂缝，表面发毛、起砂、呈蜂窝状、出现龟裂、边角溃散脱落等现象;第三，骨料和水泥石间的热不相容，水泥石受拉，骨料受压，导致应力集中和微裂缝的开展。概括说，火灾区混凝土在受热后因水泥石收缩变形而产生的内应力和由于火灾升温、降温阶段的温度分布不均匀所产生的温度应力等，使其烧伤区内微观结构发生一系列的变化，导致混凝土内部出现微细裂缝，降低了混凝土强度，增大了其塑性变形。

从钢筋本身来看，受两方面影响。第一，钢材的力学性能随温度的不同而变化。温度在150℃以下时，钢材的屈服强度、抗拉强度、弹性模量变化不大。温度在250℃左右时，钢材抗拉强度反而提升，但是冲击韧性变差，此温度范围内破坏呈现脆性特征。温度达到300℃左右时，钢材屈服强度、抗拉强度、弹性模量开始显著下降，钢材产生徐变。当温度达到500℃左右时，钢材的性能已经不能满足建筑结构的要求。第二，火灾温度对各种不同类型的钢筋的影响也各不相同。对于热轧钢筋，600℃以前屈服强度下降平缓，降幅在10%以内，600℃以后降幅加快，降幅在10% ～30%之间。对于预应力钢筋，在300℃以后，强度降低较快，600℃时降低50%。对于冷轧钢筋，在420℃以前，屈服强度没有降低，420℃以后线性降低。因此，钢筋在高温时的强度大大低于高温冷却后的强度，且在全荷载的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540℃左右。在1400℃时，钢筋进入液态，失去了抵抗荷载的能力。

从钢筋与混凝土的粘结力方面看，火灾后钢筋与混凝土的粘结力变化取决于温度的高低、钢筋的种类、混凝土骨料的种类以及冷却的方式［5］等条件。钢筋与混凝土间的粘结力随温度升高越高降低越大;对光圆钢筋的影响比带肋钢筋更为突出，其粘结力损失较带肋钢筋的大;石灰石骨料比花岗石骨料粘结力损失大;喷水冷却比自然冷却粘结力损失大。

2 火灾损伤

火灾损伤大致可以分为下列四类:①轻度损伤:在局部范围内的表面损害，边沿剥落和产生裂缝;②中度损伤:结构部件没有塑性变形，但有严重的截面损害以及钢筋强度降低;③严重损伤:承重构件部分或完全失去作用;④化学损伤:目前最重要的情况是聚氯乙烯燃烧气体对混凝土结构的侵蚀。

建筑火灾一般分三个阶段，即成长期、旺盛期、衰减期，其中对建筑结构损伤最为严重的是火灾的旺盛期阶段。火灾中混凝土构件是由于其内部会形成各不相同的温度场，并产生不同的物理和化学反应从而造成损伤的。火灾持续时间和温度直接影响建筑物的承载能力，故判断损伤结构的火灾温度十分重要。主要根据火灾调查访问、现场可燃物的燃点、燃烧时间、残留物烧损特征、结构构件表面特征以及烧损情况，结合前述火灾对建筑结构的影响原理，可分别推断轻度损伤区、中度损伤区、严重损伤区的温度。通常首先通过目测构件表面烧损情况，根据其不同的烧损程度来估计火灾温度。文献［6］中把损伤程度和温度的关系归纳为以下情况:(1)轻度损伤:抹灰层、饰面砖、混凝土表面基本完好，无裂缝空鼓，混凝土表面颜色同常温或稍泛白，此时火灾温度在400℃以下;(2)中度损伤:抹灰层或饰面砖基本剥落或者大面积空鼓，构件表面出现裂缝或者局部损伤，混凝土表面颜色为灰白，此时温度约在600℃以内;(3)严重损伤:保护层爆裂脱落，裂缝多、钢筋外露，混凝土表面颜色为暗红粉红，此时温度约在800℃;更甚之，混凝土疏松，强度已全部丧失，外露钢筋扭曲变形甚至氧化，混凝土表面颜色为红色，此时温度应该在800℃以上。

3 火灾后混凝土结构的损伤检测

当建筑物遭受到火灾后需要通过现场检测了解受灾程度，来判别建筑物还能否继续使用，如何处理，是否需要加固等等。

(1)取芯法:是检测未受损混凝土强度较直接和较精确的方法，但对于火灾混凝土，有时因为构件太小或破坏严重(强度＜10MPa)，难于获得完整的芯样。其次，由于火灾混凝土损伤由表及里呈层状分布，所获芯样很难说具有代表性，确定的剩余强度只是构件的平均强度，只能作定性分析，不能定量分析。

(2)拉拔法:通过专门的工具锚入混凝土中，通过抗压强度推算抗拉强度以评定其质量。它是一种简单易行，又能保证足够精度的检测方法，是一种介于无损检测方法和钻芯法之间的检测方法。

(3)红外热像法:是把来自目标的红外辐射转变成可见的热图像，通过直观的分析物体表面的温度分布，推定物体表面的结构状态和缺陷，并以此判断材料性质和受损情况的一种无损检测方法。将它应用于火灾后混凝土的检测，可相当精准地得到混凝土的受火温度和残余强度，但检测结果受环境影响大。

(4)电化学分析法:混凝土在遭受高温(火灾)作用时，水泥水化产物会脱水分解，尤其是Ca(OH)2在高于400℃时会脱水形成CaO，导致混凝土中性化。混凝土在高温过程中水泥水化产物的一系列物理化学变化，在电化学性能方面表现为混凝土表面电势降低，火灾损伤混凝土中性化将导致其内部钢筋钝化膜破坏，钢筋锈蚀电流增大。电化学方法正是通过现场检验火灾混凝土的表面电势来判定其损伤程度。

(5)色谱分析法:是一种在色调值和所遭受的温度及受损深度之间建立关系，从而只需检测构件样本的色调值即可推知经历火灾的温度和受损深度的一种无损检测方法。颜色分析法所用到的仪器及相关配套的工具和软件价格较高，所以这种检测方法很难在我国推广普及。

(6)超声波脉冲法:是根据超声波在混凝土内部传播速度的改变定性地说明混凝土结构某部位的烧损程度，进而说明该部位的受火温度的高低。该法应用广泛，但超声波脉冲法对混凝土构件表面的平整度等方面要求较高，不便于大批量检测。

以上介绍的几种检测方法都有各自的特点和精度，在火灾后混凝土结构的实际检测工程中，应根据具体情况，采用两种或两种以上能相互弥补的检测方法相结合，以便做出科学的鉴定和评估。

4 混凝土结构的加固和修复

4.1 受损构件的修复加固原则

首先，必须对已有结构进行检查和可靠性鉴定分析，全面了解已有结构的材料性能、结构构造和结构体系以及结构缺陷和损伤等结构信息，分析结构的受力现状和持力水平，为修复加固方案的确定鉴定基础。在确定修复加固方案时，不应有以下两种倾向:

(1)掉以轻心。认为火灾后构件并未完全丧失承载力，未考虑火灾隐患对构件长期使用的影响，不予认真处理。

(2)过于保守。任意加大处理范围，任意决定“打掉重建”。其实，“打掉重建”有时是不安全的，比如连续梁，随意打掉某一跨就会对相邻跨的内力产生内力重分布。

其次，要确保施工质量。由于修复加固的构造及施工方法与正常建设时不同，故必须强调精心施工，确保质量。

4.2 常见加固处理方法

对火灾后混凝土的损伤程度采用不同的加固方法:

(1)对于轻度损伤，只要除去松弛的混凝土部分，再进行填补，做好混凝土表面，以保证钢筋不受锈蚀。

(2)对于中度损伤，应小心地去除损害的混凝土层。这种混凝土层从火烧的颜色即可看出，不必对其强度作精确的测定，而火烧颜色因混凝土的组成和达到的温度不同而有差异。一般来说，受损的混凝土呈储红色，首先，最好利用喷砂将存留的混凝土表面清洗干净并弄粗糙。然后，配置钢筋或采用粘结钢和玻璃钢加强新、旧混凝土之间的结合。最后，采用喷射混凝土或者模板浇注。

(3)对于严重损伤，应该根据现场情况处理，常常需要局部加固或拆掉重建。

①柱子的加固:首先敲除表面抹灰，然后采用外包钢加固，最后重新进行粉刷。

②梁的加固:首先用钢管支撑以排除险情，每根梁设置两根钢管支护，钢管应上下对齐，两端采用钢板封闭，下垫方木。对已明显挠曲的梁，应采用千斤顶给梁反向加荷卸载。千斤顶的顶升荷载根据现场梁上荷载确定，使其顶升位移满足卸荷要求。然后凿除受损混凝土，再用胶泥砂浆对其表面进行找平，最后对其进行粘钢加固处理。

(4)对于化学损伤，在一些贮存聚氯乙烯塑料制品及大量采用高分子材料装修的火灾现场，当温度达到120℃时，聚氯乙烯便分解，同时分离出气态盐酸，盐酸同灭火扑救的消防水蒸气混合形成盐酸雾，凝结在钢筋混凝土结构上，氯化物对钢筋产生化学损害，使结构强度降低。对此种损害的加固除通过机械铲除进行修复外，近些年来，经常采取“石灰修复法”，这种方法是在不出现结构火灾损害情况下，将石灰糊浆一层一层地涂在清除了炭黑和脏污的混凝上表面上，等石灰糊干燥时，再把化学腐蚀物质氯化物吸出，然后随干燥的石灰层一同除去，这样可以将残留的氯化物含量降低到极限值以下，从而提高结构强度。

建筑结构火灾后的修复加固处理要比普通工程加固处理复杂得多，尤其是加固的施工质量是修复加固处理的关键。加固时，构件应处于卸荷状态下，主梁及次梁底需设置支撑，支撑必须从底层直至顶层。铲除原梁、柱、板粉刷面层时，必须从顶层开始逐层向下。构件的加固应从底层开始，然后逐层向上。每层构件的加固施工顺序为先加固柱，然后主梁、后次梁，最后浇筑楼层叠合层。

5 结束语

为了有效控制和减小火灾对建筑物的危害应准确掌握建筑物在遭遇火灾后的结构状况。因此，火灾发生后，应对建筑物在火灾中的受损情况进行现场调查，并对火灾后的结构性能进行检测，针对不同受损程度的部位应制定相应的加固处理方法，以保证结构的安全。随着技术水平的提高，普通混凝土正逐步向纤维混凝土和轻质高强混凝土发展，对于火灾后该类混凝土结构的破坏机理与损伤检测与处理方法，还有待深入探讨。

［1］CECS 252:2009火灾后建筑结构鉴定标准［S］

［2］牛忠江.火灾对某建筑结构的影响及损坏鉴定探讨［J］.贵州工业大学学报(自然科学版)，2006(5)

［3］朱伯龙.房屋结构灾害检测与加固［M］.上海:同济大学出版社，1995

［4］张立人.建筑结构检测、鉴定与加固［M］.武汉理工大学出版社，2003

［5］http://www.233.com/jiegou/jichu/zhidao/20080415/115724362.html［OL］

［6］蔡广讳.某商场火灾后的结构安全性检测鉴定分析［J］.质量检测，2008(10):37－40

［7］吴波.火灾后钢筋混凝土结构的力学性能［M］.科学出版杜，2003

［8］沈蓉，风凌云，戎凯.高温(火灾)后钢筋力学性能评估［J］.四川建筑科学研究，1991(2)

［9］曾跃飞.火灾后钢筋混凝土的损伤评估与鉴定研究［D］.重庆大学，2006

［10］吴启祥，卢亦焱，黄银燊.某建筑结构火灾后的加固处理［J］.防灾减灾工程学报，2006，26(1)