恒压钻入法检测火后混凝土损伤程度的可行性研究

邱振宁 陆洲导 商兴艳

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092)

1 引言

火灾导致混凝土构件温度升高并由此产生材性劣化。高温作用后，混凝土的抗压、抗拉以及弹性模量均会发生明显的变化。由于混凝土较差的热传导性，实际火灾中，混凝土构件会形成外热内冷的温度场。因此，混凝土构件的损伤是一个与火场温度、受火时间以及空间位置有关的变量。一般情况下趋势是:距离受火表面越近，损伤越严重，距离受火表面越远，损伤越轻。如何反映这种损伤的特点，是混凝土结构火后评估的重要内容。

火后混凝土损伤的检测方法可以分为力学性能检测法与非力学性能检测法。

常规的回弹法、劈拉法、轴压法和超声波法属于力学性能检测法。混凝土的质量检测往往针对材料的三项力学指标，即抗压强度、抗拉强度与弹性模量。如回弹法反映混凝土的表面硬度，它与混凝土抗压强度、抗拉强度密切相关;劈拉试验反映混凝土的抗拉强度;轴压试验反映混凝土的单轴抗压强度;超声波在混凝土中传播的速度反映混凝土的密度，它与混凝土强度、弹性模量有关。这些方法被广泛地应用于既有结构物的评估[1-2]。

火灾中的混凝土构件截面上存在温度梯度，损伤程度不同。然而，回弹法只能反映混凝土表层的情况;超声波可以穿越受损程度不同的混凝土区域，但最终只能得到一个综合的首波时间;芯样的劈拉试验和轴压试验每次只能得到一个数据。因此，传统的力学性能检测法不能反映损伤随深度的变化。如Logothetis L和Economou C[3]通过将一批试件加热到不同温度，测试其受热前后的混凝土强度、回弹值和超声波速，得到它们与温度的关系，进而推出不同温度下回弹值、超声波速分别与残余混凝土强度的关系。Dilek U[4]通过超声波法和芯样法现场检测火灾后的混凝土墙。Yang H等[5]通过试验得出超声波速和混凝土残余强度的关系，拟合出混凝土残余强度的计算公式。

非力学性能检测法可以对不同截面深度的混凝土进行采样，了解损伤沿深度的变化。高温下，混凝土会发生多种物理与化学性能的变化，这些变化综合反映了混凝土的力学性能。研究者们针对这些物理化学变化与温度之间的关系进行了研究。新加坡Chew教授[6]对热释光法进行了较详尽的研究，在受损构件上取10 mm直径芯样，测量混凝土中矿物热释光强度，以确定矿物经历的最高温度，通过逐步深入取样完成对构件深度方向温度变化的评估。Short等[7]采用色像分析来定量判断混凝土温度，研究发现0～19及20～29频段范围内的混凝土光谱同受火温度有明显的相关关系。这些非力学性能检测法虽然能反映损伤随深度的变化，但它们多是建立某单一物理或化学指标与温度的关系，不能直接反映混凝土力学性能的变化。

为了弥补现有混凝土损伤检测方法的不足，本文采用改造的钻芯机恒压钻入火后损伤的混凝土，力图建立钻入速度与混凝土受火强度变化之间的关系，并以此来反映混凝土损伤在深度方向上的变化。

2 试验概况

恒压钻入法的特点是通过记录钻入速度的变化，来确定混凝土的损伤变化，试验在同济大学抗火试验室进行。由于损伤程度最终还是要以混凝土的力学指标(抗压强度、抗拉强度和弹性模量)体现出来，因此，本文的研究主要针对两个方面:①钻入速度与混凝土经历的最高温度的关系;②钻入速度与抗压强度、劈拉强度、弹性模量以及烧失量的关系。

2.1 钻芯机的选择与改造

首先选择合适的钻芯机。传统的混凝土钻芯方法，往往将钻芯机通过螺栓固定在混凝土构件(柱、墙、梁)的侧立面，形成一个自平衡固定系统。然而，受火后混凝土的面层疏松，螺栓难以固定。另外，这种侧立面的固定方法难以稳定地施加荷载。基于以上的考虑，本文选择的钻芯机如图1所示。此钻芯机属于可临时安装的钻芯机，包括钻头、发动机、可伸缩钢管和底座等。使用时，工作人员将螺栓植入地面，固定底座。然后将一根可伸缩的钢管与底座连接。为了保证钻芯的稳定性，工作时钢管伸长，支撑在房间顶部的楼板或梁的底部，形成多点固定的模式。钻芯机的规格为额定电压220 V，输入功率3900 W，空载转速700 r/min。

为了保证钻筒能以恒定的压力钻入混凝土表面，笔者对钻芯机进行了改造，拆除机器自带的手柄，将直径30 cm的金属滑轮固定在机器的传动轴。通过钢丝绳悬挂重物，给钻头施加恒定的荷载。

对钻头进行改造，安装水平仪及激光测距仪。通过水平仪，保证钻入的水平度，减少钻筒与混凝土之间的摩擦。激光测距仪用来测量钻管的钻入速度。

图1 改造的钻芯机(单位:mm)Fig.1 Modified core drill machine(Unit:mm)

室内火灾中，温度在房间高度方向上变化剧烈，造成混凝土沿高度方向的损伤程度的不同。通过调节钢管上钻头的高度，可以方便地进行柱、墙的混凝土损伤变化的检测。

2.2 试件制作

制作48个100 mm×100 mm×150 mm的棱柱体试块，试件采用细石混凝土，配合比为1:1.55:3.61:0.51(水泥:砂子:细石:水)。水泥为 425 普通硅酸盐水泥，检验合格;砂子为细砂，细石最大粒径为10 mm;水是普通自来水，配合强度为C30。

混凝土拌合和浇注时采用插入式振捣器振捣，室内自然养护28 d。

2.3 升温试验

采用电炉升温，升温速率为10℃/min，在20～700℃之间，分为8个温度等级，分别为20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃。试件六面加热。升温到指定温度后，恒温三个小时，认为混凝土内外受热均匀，损伤情况基本一致。高温作用后，试件在空气中自然冷却。

2.4 试验现象

经高温处理后的试件，随着最终受热温度的上升，表面颜色发生变化，且多有不规则的细微裂缝。混凝土试块在300℃以下时，颜色与常温下基本相同;400～500℃时，颜色呈现轻微的浅红色，出现细纹裂缝;500～700℃时，颜色呈浅黄灰色，出现较明显的裂纹。

2.5 高温后混凝土烧失量测量

高温使得混凝土中的自由水蒸发，当温度达到一定值时，水泥水化物会分解失去结晶水，混凝土中的碳酸钙分解产生二氧化碳，从而重量减轻。采用TC30K型电子称称量高温作用前后混凝土试块的重量，分辨率是0.1 g，其结果如表1所示。

2.6 高温后混凝土超声波试验

高温作用后，对冷却的混凝土试块进行超声波的对测试验。对测距离为100 mm。记录超声波的首波穿越混凝土所用的时间。其结果如表1所示。

2.7 高温后混凝土的回弹试验

高温作用后，将冷却的混凝土试块放置于压力机的夹头之间，施加40 kN的轴力，用于固定试块。采用回弹仪(洛氏硬度60的钢砧上弹击数值为80)对混凝土表面进行回弹，记录的数据如表1所示。

2.8 恒压钻入法试验

分别对各个受火工况的棱柱体试块进行恒压恒速钻入试验，首先，将混凝土试块固定在反力墙上。然后，将钻芯机的立柱固定在试验台座。将14.25 kg的重物系在滑轮的绳索上，对钻入的芯样施加的轴向力。选取14.25 kg的重物可以保证钻速比较适中，易于控制，是反复尝试的结果。通过秒表计时，每隔15 s记录激光测距仪读数。每个棱柱体钻取芯样1只。钻入试验完成后，得到了不同温度工况的混凝土芯样，共计48个。每个温度工况6个芯样，用于混凝土受压与劈拉试验。

2.9 混凝土芯样的力学试验

对钻芯机钻取的芯样进行加工。芯样的平均直径为75 mm，进行两端处理后，芯样长度平均值为100 mm。采用微机控制电液伺服液压万能试验机对芯样进行加载，见图2。每个温度工况三个芯样，得到三个轴压强度。表1中轴压强度的数值为平均值。

对钻取的芯样进行劈拉试验，见图3。每种温度工况三个芯样。表1中劈拉强度的数值为平均值。

图2 轴压试验Fig.2 Axial compression test

图3 劈拉试验Fig.3 Splitting tensile test

3 试验数据分析

对高温作用后的混凝土试块进行烧失量检测、回弹试验、超声波试验和恒压恒速冲击钻试验，然后对钻出的芯样进行轴压试验和劈拉试验，试验结果如表1所示。

由表1可知，除300℃工况外，芯样的钻入速度随温度的升高而不断增大。当温度为600℃时，钻入速度是常温下的1.9倍。温度达到700℃时，钻入速度是常温下的3.9倍。可见，混凝土的受热温度达到700℃时，钻入速度的增幅明显增大。图4给出了不同温度下钻速的平均值(用图中的条带表示)和标准差(用条带上的直线表示)。表2中列出了不同温度下钻速的标准差和变异系数。钻速的变异系数从0.17(400℃)变化到0.37(20℃)。

表1 不同温度作用后试块的试验结果Table 1 Test results of speciemns after different temperatures

表2 标准差和变异系数Table 2 Standard deviation andvariation coefficient

图4 不是温度下钻速平均值和标准差Fig.4 Average values and standard variations of ROP

与常温时相比，温度较高时钻速的变异系数较小，说明数值的离散性较低。

将钻速的平均值与温度的关系线性拟合，如图5 所示，相关系数是0.8 4，大于0.7 5，说明钻速和温度有很强的相关性，可以较好地反映出混凝土温度的变化。

图6给出了劈拉强度、抗压强度、回弹值、超声波速和钻速的倒数(单位长度的钻入时间)的归一化值与温度的拟合曲线。从图中可知，本次试验中，高温作用后混凝土抗压强度的降幅(拟合曲线斜率)明显低于抗拉强度[8-9]，钻速的降幅与抗压强度相同。对于以上现象，可以作如下解释。高温作用后，混凝土发生了多种物理与化学成分的变化，并导致了大量裂缝的产生，最终导致其力学性能降低。单轴抗压试验中，混凝土中的裂缝在压力的作用下闭合，使得损伤部分愈合，劈拉或轴拉试验则不会出现这种现象，在拉力的作用下，混凝土中的裂缝会进一步扩展，加速了混凝土构件的破坏。钻速的降幅与受压强度相同，反应的混凝土损伤情况同受压强度，原因可能也与裂缝有关，还有待进一步的分析研究。

从图6还可以看出，回弹值、烧失量倒数的降幅与抗压强度的降幅相同，超声波速的降幅介于抗压强度和抗拉强度之间，这说明它们都能反映混凝土的损伤，但由于使用上的局限，这些方法都很难用于评估混凝土的受火损伤随深度的变化情况。

图5 钻速与温度的拟合曲线(R=0.84)Fig.5 Linear fitting of ROP and temperature(R=0.84)

图6 试验结果归一化值与温度的关系Fig.6 Relationship betwen normalized values of test results and temperatures

将钻速的倒数与两种强度进行线性拟合，如图7和图8所示，均为归一化后的值。抗压强度和钻速倒数的相关系数是0.882，劈拉强度和钻速倒数的相关系数是0.907，均大于0.75，说明钻速倒数和这两种强度之间均具有很好的线性相关性，即钻入速度可以很好地反映出混凝土强度的变化。

由上文可知，恒压恒速钻入法的钻入速度随混凝土温度的升高而升高，与混凝土材性损伤的趋势一致，说明恒压恒速钻入法可以直接反映高温后混凝土材性的损伤情况，即混凝土的抗压强度、抗拉强度的降低。在实际工程中，通过观察钻入速度的变化，可以反映混凝土损伤随深度的变化情况。

图7 抗压强度与钻速倒数的线性拟合(R=0.882)Fig.7 Linear fitting of compressive strength and reciprocal of ROP(R=0.882)

图8 劈拉强度与钻速倒数的线性拟合(R=0.907)Fig.8 Linear fitting of splitting tensile strength and reciprocal of ROP(R=0.907)

4 结论

通过对普通的钻芯机进行改造，笔者研制了恒压钻芯机，并进行了8个温度工况的混凝土试件的试验。试验内容包括高温作用后混凝土的烧失量检测、回弹试验、超声波速试验和恒压钻入试验，以及芯样的轴压试验和劈拉试验。研究表明，恒压钻入法的钻速与混凝土的受火温度存在明确的关系，对温度的敏感性同混凝土的轴压强度;单位长度的钻入时间(钻速的倒数)与混凝土的抗压强度与抗拉强度存在近乎线性的关系。这说明恒压钻入法可以作为火灾下混凝土受损检测的辅助方法并基本上能反映受火损伤随混凝土深度的变化。

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