[摘  要] 　回顧火災(zāi)混凝土傳統(tǒng)檢測(cè)方法，介紹了剛度損傷檢測(cè)、測(cè)磁法、溫度分布模擬、顏色分析、損傷深度檢測(cè)和紅外熱像法等近年發(fā)展起來(lái)的火災(zāi)混凝土損傷檢測(cè)新技術(shù)，系統(tǒng)地介紹和評(píng)價(jià)了這些新技術(shù)的基本原理、優(yōu)點(diǎn)和使用范圍，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展方向做了分析。

[關(guān)鍵詞] 　火災(zāi)，非破損檢測(cè)技術(shù)，混凝土，損傷

 

現(xiàn)代化城市里的各種鋼筋混凝土建筑物是人們生活和生產(chǎn)的場(chǎng)所。由于人們用火不慎，電器設(shè)備電線(xiàn)的老化，違反安全操作以及自燃起火，縱火等原因，常常會(huì)引起火災(zāi)。特別是近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口和建筑群的進(jìn)一步密集，發(fā)生建筑火災(zāi)的概率大大增加，損失也極為嚴(yán)重?；馂?zāi)之后，為了確?；馂?zāi)損傷混凝土修復(fù)工程的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，使之盡可能減輕損失，盡快恢復(fù)使用，快速科學(xué)地對(duì)遭受高溫?fù)p傷的建筑物進(jìn)行檢測(cè)鑒定和評(píng)估，是工程實(shí)踐中迫切需要解決的問(wèn)題。因此，混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷檢測(cè)評(píng)估的研究具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)的社會(huì)意義。

 

傳統(tǒng)火災(zāi)混凝土檢測(cè)方法，主要有表觀(guān)檢測(cè)、超聲波法、回彈法、鉆芯法、錘擊法和中性化深度檢測(cè)^[.][2][3] 。

(1) 超聲波、回彈法

超聲波-回彈綜合法在無(wú)損檢測(cè)中已有廣泛應(yīng)用，在火災(zāi)混凝土檢測(cè)中也常常被采用。一般來(lái)說(shuō)， 使用超聲波和回彈儀是用正常狀態(tài)混凝土和火災(zāi)后混凝土對(duì)比，通過(guò)超聲波速比和回彈值比相對(duì)地推算混凝土受損情況。使用超聲-回彈綜合法可評(píng)估受火災(zāi)后混凝土的強(qiáng)度^[4] 、損傷層深度^[5] 及受火溫度^[6][7] 等，但由于火災(zāi)損傷混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，這種方法在實(shí)際使用中還存在種種困難。到目前為止，超聲-回彈綜合法在火災(zāi)損傷混凝土檢測(cè)中只作為定性評(píng)價(jià)的手段，還不能評(píng)估火災(zāi)中混凝土的強(qiáng)度^[2] 。

(2) 表觀(guān)檢測(cè)

    表觀(guān)檢測(cè)主要根據(jù)火災(zāi)損傷混凝土的顏色變化來(lái)判定火災(zāi)后混凝土的受損等級(jí)。表面有黑煙的混凝土表面溫度小于300℃;混凝土表面呈粉紅色時(shí)， 其溫度約在300～600℃;混凝土表面呈灰白色時(shí)， 其溫度為600～900℃;呈淡黃色的混凝土，其溫度高于950℃。

混凝土變成粉紅色是由于在骨料中含有鐵鹽， 當(dāng)然也有例外情況，石灰?guī)r和火成巖類(lèi)骨料以及輕骨料混凝土較少出現(xiàn)這種情況^[3] 。

(3) 鉆芯

    取芯樣進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)?zāi)苤苯优袛嘣搮^(qū)域的混凝土實(shí)際強(qiáng)度值。在可能情況下，可在芯樣截取不同灼傷深度尺寸試件進(jìn)行抗壓對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 有時(shí)因?yàn)闃?gòu)件太小或破壞嚴(yán)重(強(qiáng)度低于1.0MPa)， 難于獲得完整的芯樣，還應(yīng)和其他方法結(jié)合綜合評(píng)估整個(gè)構(gòu)件的混凝土質(zhì)量。

(4) 錘擊法

    錘擊火災(zāi)損傷的混凝土，所發(fā)出的聲音較普通混凝土來(lái)說(shuō)比較沉悶，但這種方法過(guò)于依靠經(jīng)驗(yàn)，而且這與錘擊的部位有關(guān)系，其結(jié)果只能作為參考。

(5) 中性化深度檢測(cè)

    中性化深度，即碳化深度。水泥水化后的水泥PH 值一般為.2～.3 ，呈堿性，當(dāng)溫度達(dá)547 ℃， 混凝土Ca(OH)₂ 分解，混凝土呈中性，故用.～2% 酚酞試劑可檢查出火災(zāi)中混凝土溫度分布曲線(xiàn)中547℃的分界線(xiàn)。但在實(shí)際當(dāng)中，應(yīng)注意區(qū)分混凝土一般正常碳化與火災(zāi)引起的碳化，予以修正^[2]。

 

(1) 剛度損傷檢測(cè)^[8]

    英國(guó)倫敦大學(xué)的A.Y. Nassif 首先將剛度損傷檢測(cè)運(yùn)用于火災(zāi)混凝土檢測(cè)， 它借鑒于英國(guó)布里斯托爾大學(xué)和倫敦大學(xué)曾經(jīng)研究的檢測(cè)堿-骨料反應(yīng)損傷的方法。

    剛度損傷檢測(cè)主要是對(duì)芯樣在低應(yīng)力下重復(fù)荷載，進(jìn)行單軸向應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)先將試件在高溫爐中灼燒， 等試件中心與表面溫度相同(中心溫度由放置與試件中心的熱電偶測(cè)出) 時(shí)，再將高溫試件在常溫下冷卻，隨后每個(gè)溫度等級(jí)試件鉆取3個(gè)芯樣(直徑75mm ，長(zhǎng).75mm) 。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)分六個(gè)溫度等級(jí)灼燒試件：2.7℃，240℃，287℃，320℃， 378℃和470℃。

    為了能將損傷程度定量化，在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了幾個(gè)參數(shù)，分別是：

(a) 弦向加載模量Ec(加載響應(yīng)斜率)

(b) 卸載剛度Eu(卸載響應(yīng)斜率)

(c) 損傷指數(shù)DI(磁滯回線(xiàn)與應(yīng)力之比)

(d) 塑性應(yīng)變PS(重復(fù)荷載完畢后的形變)

(e) 非線(xiàn)性指數(shù)NL I(加載響應(yīng)中一半應(yīng)力與Ec 之比——這個(gè)值可反映加載曲線(xiàn)的凹凸程度)

圖1是以上幾個(gè)參數(shù)在一個(gè)經(jīng)受過(guò)570℃試件在一個(gè)加載-卸載循環(huán)中的應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展。

 

                      圖1. 　剛度損傷檢測(cè)參數(shù)圖解

 

    以上幾個(gè)參數(shù)對(duì)火災(zāi)混凝土的破裂程度反映十分靈敏，可為火災(zāi)損傷混凝土的塑性性質(zhì)的改變提供極有價(jià)值的信息，并可用于評(píng)估火災(zāi)后混凝土構(gòu)件的永久變位。彈性模量的減少和塑性應(yīng)變(PS) 的增加，在經(jīng)受過(guò)火災(zāi)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，可反映其預(yù)應(yīng)力損失。損傷指數(shù)(DI) 表明在重復(fù)荷載中能量損失，這個(gè)參數(shù)與被測(cè)物的破碎程度有直接聯(lián)系。卸載剛度(Eu)可很容易的區(qū)別被測(cè)物的剛度損失是由高的水灰比還是其內(nèi)部破裂引起的。非線(xiàn)性指數(shù)(NLI) 即曲線(xiàn)的凹凸程度，與被測(cè)物所經(jīng)受過(guò)的高溫溫度有關(guān)聯(lián)。

    在A(yíng). Y. Nassif所進(jìn)行的剛度損失檢測(cè)中，所選用的5個(gè)參數(shù)對(duì)火災(zāi)混凝土的損傷程度的反映相當(dāng)靈敏，而且數(shù)據(jù)離散性小。但在實(shí)驗(yàn)中，最高溫度只有470℃，而所有的火災(zāi)最高溫度都達(dá)到了900℃ 以上，作者沒(méi)有對(duì)更高溫度進(jìn)一步研究。另外，此方法的試樣是鉆取的芯樣，而正常情況下，由于溫度呈梯度分布，試樣的損傷程度亦由表及里損傷愈加嚴(yán)重，則芯樣并非作者在實(shí)驗(yàn)中所取得的整體溫度分布和損傷程度都比較均勻的芯樣。

(2) 測(cè)磁法^[9]

    在常用的不可燃建筑材料中，如:混凝土、砂漿中的骨料中由于其礦物內(nèi)大都含有Fe^{2 +} 和 Fe^{3 +} ，所以是一種順磁性礦物，莫斯科火災(zāi)工程高等技術(shù)學(xué)院的N. N.Bruschlinsky 等專(zhuān)家，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件的磁性性質(zhì)在500℃以下不發(fā)生任何變化，400～500℃的溫度范圍正是混凝土在火災(zāi)中是否受損的溫度分界線(xiàn);而在500～.000℃之間，材料的磁化強(qiáng)度變化十分顯著，有的甚至?xí)^(guò)初始值的.00 倍之多，這是因?yàn)樵谏郎剡^(guò)程中始終伴隨著Fe^{2 +} →Fe^{3 +} 的轉(zhuǎn)化;在所有未加熱試件中的磁化強(qiáng)度的平均值與每個(gè)試件的磁化強(qiáng)度的差別均不超過(guò)5 % ， 即試件磁化強(qiáng)度的初始值穩(wěn)定; 在N. N.Bruschlinsky五年的觀(guān)測(cè)中，試件只要不經(jīng)歷高溫，材料內(nèi)的磁性性質(zhì)亦不會(huì)變化，不會(huì)隨著混凝土構(gòu)筑物的使用時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生變化。

    在N. N.Bruschlinsky的實(shí)驗(yàn)中使用的是磁化強(qiáng)度儀，一種由前蘇聯(lián)生產(chǎn)的用于地球物理學(xué)探測(cè)的儀器。曾應(yīng)用于.986 年切爾諾貝利核泄露事故的調(diào)查中，檢測(cè)β射線(xiàn)對(duì)建筑材料的磁化強(qiáng)度的影響。

    圖2 中的△x=x-x₀ ，x 是被測(cè)試件經(jīng)加熱冷卻后的磁化強(qiáng)度值，x₀ 是初始值，CGSM 是磁化強(qiáng)度的單位。曲線(xiàn)1.、2 和3分別對(duì)應(yīng)以不同的升溫速度加熱試件的△x。曲線(xiàn)1，在5 分鐘內(nèi)將試件加熱到1.000℃; 曲線(xiàn)2， 在1.0 分鐘將試件加熱到1.000℃;曲線(xiàn)3，在40分鐘將試件加熱到1.000℃。

 

                    圖2 　△x 與溫度關(guān)系

 

    試件在經(jīng)高溫后，磁化強(qiáng)度值急劇升高，為初始值的.00倍之多。而且高溫下保溫時(shí)間不同，磁化強(qiáng)度值也有差別，顯然，經(jīng)受高溫的時(shí)間越長(zhǎng)，損傷程度也是越嚴(yán)重的。

    N. N.Bruschlinsky 所用的測(cè)磁法， 適用于大面積檢測(cè)， 在實(shí)驗(yàn)中可以繪制出構(gòu)件的溫度分布圖， 對(duì)材料的反應(yīng)也相當(dāng)靈敏。但此方法也在一些方面受到局限，建筑中用的混凝土及砂漿等不可燃材料的原材料，大都取于當(dāng)?shù)?。而原材料的礦物成分常常因地域不同而有所差別。在文中，作者僅對(duì)俄羅斯及波羅的海各國(guó)和中亞地區(qū)的原材料進(jìn)行過(guò)調(diào)查。

(3) 溫度分布模擬

    在遭受火災(zāi)的混凝土損傷程度評(píng)估中，很重要的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)就是構(gòu)件曾經(jīng)經(jīng)受過(guò)高溫的溫度。用數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)來(lái)模擬火災(zāi)過(guò)程和構(gòu)件的在火災(zāi)中的溫度分布，是火災(zāi)混凝土檢測(cè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

    英國(guó)蘭開(kāi)夏(Lancashire) 中心大學(xué)建筑環(huán)境系的Zhaohui Huang ，在理論熱學(xué)和混凝土中物質(zhì)傳遞等理論的基礎(chǔ)上，用非線(xiàn)性有限元模型來(lái)模擬火災(zāi)過(guò)程中構(gòu)件的溫度分布情況，并且根據(jù)他們的研究成果，設(shè)計(jì)出了一套專(zhuān)用于模擬火災(zāi)混凝土溫度分布的程序^[.0]。

    浙江大學(xué)土木工程學(xué)系的金賢玉等在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，也實(shí)現(xiàn)了混凝土在受高溫時(shí)溫度分布模擬^[7]。

    火災(zāi)混凝土溫度分布模擬具有一定的研究?jī)r(jià)值，這是火災(zāi)混凝土檢測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展方向。同時(shí)，這種損傷檢測(cè)方法在實(shí)地檢測(cè)中，需要考慮很多因素，例如:尺寸效應(yīng)，混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，構(gòu)件的含水率等。尤其尺寸效應(yīng)，它對(duì)構(gòu)件溫度場(chǎng)分布的影響尤為明顯。

(4) 顏色分析^[3]

    顏色分析法完全不同于表觀(guān)檢測(cè)中根據(jù)表面顏色判斷遭受高溫的方法，英國(guó)阿斯頓大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)系的N. R. Short在這種方法中結(jié)合巖相學(xué)， 引入了另一種分析顏色的色彩模式。

    一般我們所說(shuō)的色彩模式是RGB (red， green and black) 模式，即任何一種顏色都可被紅色、綠色和黑色以不同的比例搭配而成。而在顏色分析法中用到的色彩模式是HSI(hue，saturation and intensity) 模式即:色調(diào)、飽和度和亮度。見(jiàn)圖3。

                   圖3 　HSI 色彩模式

 

    色調(diào)：色調(diào)表示光的顏色，它決定于光的波長(zhǎng)。實(shí)際上，可見(jiàn)光的各色波長(zhǎng)范圍之間的界限并不十分明顯，色調(diào)是由強(qiáng)度最大的彩色成分來(lái)決定的。例如自然界中的七色光就分別對(duì)應(yīng)著不同的色調(diào)，而每種色調(diào)又分別對(duì)應(yīng)著不同的波長(zhǎng)。任何一種顏色都可以在HSI 色彩模式(圖3) 中找到相對(duì)應(yīng)的位置，在水平面即色調(diào)面上的投影的角度就是它的色調(diào)值。在電腦分析軟件中，這個(gè)水平的0～360的圓上的點(diǎn)被定義為0～225不同的值，從圖3可看出純紅色的值是0或225。色飽和度:色飽和度是指彩色的深淺或鮮艷程度，通常指彩色中白光含量多少， 如對(duì)白光來(lái)講，它的色飽和度為零，而.00%的色飽和度是指該種彩色中不含白光。亮度:亮度表示某種顏色在人眼視覺(jué)上引起的明暗程度，它直接與光的強(qiáng)度有關(guān)。光的強(qiáng)度越大，景物就越亮；光的強(qiáng)度越小，景物就會(huì)越暗^{[..] [.2]}。

    檢測(cè)中用的儀器是奧林帕斯的反射光偏振顯微鏡和相應(yīng)的顏色分析處理軟件。在實(shí)驗(yàn)中，需要將樣品截成50×80mm ，再裹以無(wú)色樹(shù)脂，并經(jīng)過(guò)磨光處理，以利于樣品在檢測(cè)中反射光線(xiàn)。

    顏色分析法在色調(diào)值和所遭受的溫度以及受損深度之間建立關(guān)系，這樣一來(lái)，只需要檢測(cè)構(gòu)件樣本的色調(diào)值即可推知經(jīng)歷高溫的溫度和受損深度。但是，在實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有排除骨料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，因?yàn)樵趯?shí)際檢測(cè)中，要截取一塊50×80mm 大小的樣本中通常都含有骨料，所以以取砂漿為宜。另外，顏色分析法所用到的儀器及相關(guān)配套的工具、軟件共需要￡50000 ，不菲的價(jià)格使之在我國(guó)應(yīng)用還有相當(dāng)難度。

(5) 損傷深度檢測(cè)^[.3]

    在運(yùn)用鉆芯法檢測(cè)火災(zāi)損傷混凝土?xí)r，需先把芯樣表層的疏松層鑿掉，然后再檢測(cè)其強(qiáng)度?？墒怯捎诨馂?zāi)損傷混凝土的特殊性，鉆芯法不能直接評(píng)估火災(zāi)混凝土殘余強(qiáng)度。原因在此不再贅述。

    葡萄牙里斯本Instituto Superior Tecnico 的J. R. dos Santo s 等在鉆芯法的基礎(chǔ)上發(fā)展了這種檢測(cè)方法。前面已經(jīng)講過(guò)，火災(zāi)混凝土芯樣的損傷程度呈層狀分布，根據(jù)這個(gè)情況，可把芯樣切為厚度為..5cm 的切片，這樣每個(gè)被切成扁圓柱體形的切片樣本本身可近似認(rèn)為其損傷程度是均勻的。因?yàn)閾p傷程度越嚴(yán)重的混凝土，裂縫越多，也越疏松?？紫堵蚀螅厝晃室搽S之增長(zhǎng)。分別稱(chēng)得切片干燥時(shí)和吸水飽和時(shí)的重量，可得到吸水率。同時(shí)做張拉應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。從而得到的每個(gè)切片樣本的吸水率和張拉應(yīng)力損失，與遭受火災(zāi)的混凝土損傷深度建立關(guān)系。

    這種方法與鉆芯法相比有很大進(jìn)步，更合理，能更精確地檢測(cè)火災(zāi)混凝土的損傷深度和程度。但因?yàn)樵跈z測(cè)中仍然需要鉆取芯樣，所以無(wú)法克服某些鉆芯法本身的不足，比如說(shuō)，某些損傷嚴(yán)重的混凝土無(wú)法獲得芯樣，而且如果在這樣的受火災(zāi)構(gòu)件上鉆取芯樣，無(wú)異于雪上加霜;另外，實(shí)際火災(zāi)情況錯(cuò)綜復(fù)雜，在構(gòu)件上某點(diǎn)所獲得芯樣得到的結(jié)論也不能代表整個(gè)構(gòu)件的其他部位損傷狀況。在工程檢測(cè)中，只能在部分構(gòu)件上選取點(diǎn)檢測(cè)，而不能大面積全面檢測(cè)。

(6) 紅外熱像法^{[.4] [.5]}

    
    紅外輻射也被稱(chēng)為紅外線(xiàn)。它是由原子或分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)引起的，是一種電磁輻射，即電磁波， 其波長(zhǎng)介于0.75～.000μm之間。

    自然界中，所有絕對(duì)零度( -273℃) 以上的物體都連續(xù)不斷地輻射紅外能，其數(shù)量與該物體的溫度密切相關(guān)，換句話(huà)說(shuō)，紅外輻射數(shù)量的增加或減少隨溫度而變化。世界上任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都是紅外輻射源，因此紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。尤其是導(dǎo)熱性差而表面發(fā)射率大的材料，大多數(shù)建筑材料(混凝土、磚、石材等) 屬于這類(lèi)材料，采用紅外熱像檢測(cè)靈敏度較高。

    同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張雄教授，將紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)損傷混凝土的檢測(cè)，建立了紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強(qiáng)度損失的檢測(cè)模型。

    使用紅外熱像儀內(nèi)置的微處理器可以計(jì)算火災(zāi)混凝土試件表面的熱像平均溫升。

圖4 　混凝土加熱和散熱過(guò)程中熱像平均溫升隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

 

從圖4 可知，經(jīng)受不同高溫的混凝土的平均溫升亦不同，而且在500℃上下相差較大。最后可在紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強(qiáng)度損失之間建立檢測(cè)模型：

T = .0.4753x –.4.964.

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

T——受火溫度;       x——平均溫升;       f_cut/f_cu ——強(qiáng)度損失

    將紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)火災(zāi)混凝土，可相當(dāng)精準(zhǔn)地得到混凝土的受火溫度和殘余強(qiáng)度。但由于測(cè)平均溫升時(shí)必須給被測(cè)物提供一穩(wěn)定熱源(實(shí)驗(yàn)時(shí)用紅外燈的強(qiáng)光加熱)，而在實(shí)地檢測(cè)時(shí)，這一熱源在加熱中往往會(huì)受到環(huán)境中空氣流動(dòng)的影響而影響到結(jié)果。所以，在實(shí)地檢測(cè)中最好能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)做適當(dāng)?shù)姆忾]處理，以利于檢測(cè)工作。

 

    本文列出的新技術(shù)，大都借鑒了其他學(xué)科的相關(guān)原理，或借助先進(jìn)的檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)混凝土的評(píng)估，這在火災(zāi)混凝土評(píng)估發(fā)展中是一個(gè)突破，而且在檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、離散性小，自動(dòng)化程度高等方面優(yōu)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法。但從上述對(duì)新技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析也可以看出，由于火災(zāi)情況錯(cuò)綜多變和混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與混凝土材料性能的特殊性，任何方法在檢測(cè)中總會(huì)暴露出一定程度的不足。到目前為止還找不到一種能夠全面檢測(cè)的方法，因此采用兩種或幾種方法，“以彼之長(zhǎng)補(bǔ)己之短”，相互彌補(bǔ)以達(dá)到綜合評(píng)估，這是火災(zāi)混凝土評(píng)估發(fā)展的方向。

 

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作者：苗　春　韓建軍　吳海勇　繆小星
(上海市建筑科學(xué)研究院，上海，200032)