局部火灾对高层住宅混凝土构件的影响

刘运房,郭 庆,侯晋杰 檀 峰

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

火灾是最直接危害人类生命安全的灾害之一。据应急管理部消防救援局统计，2020年，全国共接报火灾25.2万起，造成多人伤亡，直接财产损失40.09亿元，火灾形势依然不容乐观。例如，2020年10月1日，山西省迎泽区台骀山景区冰灯雪雕馆发生火灾；2021年6月25日 河南省柘城县一家武术馆发生重大火灾，事后发现多数建筑整体倒塌是因为钢筋混凝土材料因火作用承载力不足导致。与此同时，受局部火灾作用的建筑仅个别钢筋混凝土构件存在危险，经过合理设计加固后，仍能继续使用，但面临着火灾后力学性能评估和修复加固的问题，有必要对局部火灾后建筑结构安全性能进行研究。因此，本文以实际某高层局部火灾波及的结构区域工程结构鉴定为例，对局部火灾对高层住宅混凝土构件的影响进行系统分析，以期为该类工程结构检测鉴定提供参考依据。

1 工程概况

某新建住宅楼，为地下4层，地上48层，框架-剪力墙结构。2021年4月21日9时43分左右，该楼37层15-17/C-F轴段房间，在施工中突发火险，火情自9时43分被发现，至10时10分被扑灭。燃烧持续时间约为20 min，室内木材和泡沫挤塑板均已完全燃烧，灭火方式主要为消防队使用高压水枪喷浇灭火。检测时，起火部位对应的混凝土顶板已大部进行了修补，新补混凝土模板尚未拆除；现场燃烧残余物也已大部分被清理；除起火房间外，相邻的走廊、卫生间等部位也有烟熏痕迹。建筑平面示意图如图1所示，灭火后起火房间现场照片如图2所示，委托检测时的现场照片如图3所示。

2 火作用调查

2.1 火灾过程调查

经调查和问询，起火主要原因是泡沫挤塑板遇火源，迅速燃烧，进而木跳板起火，根据火灾现场残余物有木材、泡沫挤塑板等，燃烧特点属于分解燃烧，即固体可燃物由于受热分解而产生可燃气体后发生的有焰燃烧。

2.2 火灾环境调查

经调查和问询，该楼37层15-17/C-F轴段房间内无消防措施，燃烧环境干燥，起火位置室内地面标高为109.4 m，房间内风速较大。受火墙体主要为37层15/C-F轴600 mm混凝土剪力墙、15-17/C轴500 mm混凝土剪力墙；15-(1/15)/F轴300 mm加气混凝土砌块填充墙、(1/16)/C-F轴100 mm加气混凝土砌块填充墙；楼盖为100 mm厚混凝土现浇板；混凝土导热性能较差。

2.3 火场残留物状况调查

进场检测时，现场燃烧残余物已大部分被清理，火场仅存有少量的残留物，主要现状为木条燃烧呈碳状、装修用金属吊杆表面熏黑，胶状物烧结、排水管道与楼层呼叫器表面软化、线盒线管部分烧损碳化等。根据常见材料的变态温度、燃点，木材燃点为240 ℃～270 ℃、橡胶燃点为130 ℃、氟化塑料管材变态温度为150 ℃～290 ℃等，火场温度约在300 ℃。

2.4 火灾影响区域调查

经现场目视检查和信息收集、工程相关人员对火灾过程的描述和现场残留物状况的检查及结构外观烧损状况的检查，火灾影响区域范围分别为：

1)火场区域：37层15-(1/16)/C-F轴段。

2)高温烟气弥漫区域：37层(1/16)-17/C-F轴段、15-(1/15)/ F-J轴段、 (1/15)- (1/18)/ F-J轴段、15-18/J-M轴段。

3)不可忽略的温度应力作用区域：36层15-(1/16)/C-F轴段、(1/16)-17/C-F轴段、15-(1/15)/F-J轴段；38层15-(1/16)/C-F轴段、(1/16)-17/C-F轴段、15-(1/15)/ F-J轴段。

2.5 构件表面温度推定

通过对构件表面色泽、外观破损和裂缝情况的目视检查，结合锤击测试，37层15-17/C-F顶板已大部分进行了修补，新补混凝土模板尚未拆除，不进行表面温度推定；37层15/C-F轴墙颜色灰青，近观正常15/F节点线盒附近有约3 m2范围敲击声略喑哑，南侧墙体底部混凝土局部剥落、钢筋裸露，温度略高于300 ℃；其余构件颜色均呈灰青色，近观正常，锤击声音响亮，表面不留痕迹，温度均低于300 ℃。

2.6 构件内部最高温度推定

依据构件表面最高温度推定结果，通过对混凝土构件外观特征目视检查，本次检测范围内36层15-17/C-F轴顶板、37层15/C-F轴剪力墙为直接受火钢筋混凝土构件，当量标准升温时间小于20 min，构件内部最高温度场温度略高于300 ℃，其余混凝土构件内部最高温度场温度均小于300 ℃。

2.7 混凝土结构构件烧伤深度检测

混凝土在火灾高温作用下，加速了游离水分的蒸发，并导致水泥浆体疏松、脱水、分解、骨料晶体分解、开裂和强度降低等一系列变化，超声波脉冲在火灾受损混凝土中的传播速度必然较在未受损混凝土中的传播速度低。根据以上原理，采用NM-4B型非金属超声仪，依据CECS 21：2000超声法检测混凝土缺陷技术规程[1]，对钻取的芯样沿芯样长度方向，在芯样的两对应侧面上以1 cm的间距布置超声测点，按径向对芯样进行超声波测试。测试时选用频率较高的换能器，换能器与芯样表面保持耦合良好。芯样烧伤深度检测情况如图4所示，此次测试如图5所示。

所测5个混凝土芯样试件，分别采自5个受火作用影响不同的部位。其中，36层15-(1/16)/C-F顶板芯样，采样部位位于主要燃烧物挤塑板的堆放位置，属于直接过火的起火点部位，所受火作用应为直接灼烧；37层15/C-F轴墙北段芯样，采样部位位于紧贴起火点的墙面下段，所受火作用应为直接灼烧；37层15-17/C轴墙芯样，采样部位位于南墙洞口木跳板正下方，距离明火较近但未直接遭受明火烧灼，故所受火作用应为高温灼伤；37层15/C-F轴墙芯样，采样部位为该段墙体的南段中部，距离起火点1.5 m以上，所受火作用应为高温烟气灼伤，作用时间较短且作用温度较低；37层17/C-F轴墙芯样，采样部位为该段墙体中部，与火场间有墙体相隔，且位置较低，故应仅受少量烟气和远场温度辐射影响，并未遭受实质性损害。

由图5可知，所取的5个混凝土芯样中声速值基本在4 km/s～5.0 km/s之间。仅15/C-F轴墙北段的最外层3 cm范围声速略低于其余芯样。因此，火灾对混凝土质量影响较小。

根据以上测试结果分析可知，过火构件仅37层15/C-F轴墙北段近起火点位置烧伤深度在3 cm左右；其余混凝土构件未受明显烧伤影响。

3 混凝土材料强度检测

依据JGJ/T 384—2016钻芯法检测混凝土强度技术规程[2]，采用钻芯法在不同受火构件上钻取芯样。将所取芯样进行超声测试后，经切割加工成标准试件，自然干燥后，进行抗压试验，测试其现龄期抗压强度。芯样试件抗压试验的操作符合现行国家标准混凝土物理力学性能试验方法标准[3]中对立方体试块抗压试验的规定。芯样试件抗压强度试验结果见表1。

表1 芯样试件抗压强度试验结果

依据JGJ/T 384—2016钻芯法检测混凝土强度技术规程第6章的相关规定，对混凝土芯样抗压强度进行计算。经计算，所取的4个芯样试件混凝土现龄期抗压强度均达到了设计强度等级(C35)要求的立方体抗压强度标准值，即火灾对混凝土材料抗压强度的影响尚不明显。

4 火灾后混凝土内部历经最高温度检测

依据T/CECS 252—2019火灾后工程结构鉴定标准[4]第4.1.5条第3款的规定，火灾后混凝土结构构件截面历经最高温度场，可根据混凝土材料微观分析结果进行推断。本次利用电镜分析，对12号楼过火及高温辐射影响区域剪力墙、板构件所取混凝土芯样进行火灾后混凝土材料微观测试，根据电镜分析结果对火灾后混凝土材料特征温度进行确定。芯样检测情况如图6～图11所示，分析结果见表2。

表2 过火混凝土结构构件芯样电镜分析

5 过火钢筋力学性能试验

现场在37层15-17/C-F轴段顶板中截取了一组钢筋，钢筋设计牌号为HRB400E，该位置构件直接受火并且所处位置温度最高，能够代表本次火灾中钢筋受损情况，经裁切加工成钢筋试件后，对其力学性能进行了试验，试验情况如图12所示，试验结果如表3所示。

表3 钢筋力学性能试验结果表

6 结语

1)通过火灾过程和火场残余物调查得到该建筑燃烧特点属于分解燃烧，火场温度在300 ℃左右。

2)通过现场残留物状况的检查及结构外观烧损状况的检查，将建筑火灾影响区域范围分别为：火场区域；高温烟气弥漫区域；不可忽略的温度应力作用区域。

3)通过现场调查对构件表面和内部最高温度进行了推定，其中36层15-17/C-F轴顶板、37层15/C-F轴剪力墙为直接受火钢筋混凝土构件，构件内部最高温度场温度略高于300 ℃。

4)通过对芯样进行超声波测试试验得到过火构件仅37层15/C-F轴墙北段近起火点位置烧伤深度在3 cm左右；其余混凝土构件未受明显烧伤影响。

5)通过所取的4个芯样试件混凝土现龄期抗压强度均达到了设计强度等级(C35)要求的立方体抗压强度标准值，即火灾对混凝土材料抗压强度的影响尚不明显。

6)通过电镜扫描分析结果对火灾后混凝土物相特征温度进行确定，直接过火区，温度较高使得水泥水化产物大部分脱水，水泥浆体呈现颗粒分散状，浆体中无针棒状的钙矾石，高温使得钙矾石全部发生分解，温度在300 ℃左右。

7)通过对过火钢筋力学性能试验，得到直接受火构件钢筋力学性能因高温受到实质性损伤。