火災混凝土損傷評估新技術
2005-08-12 00:00
[摘 要] 回顧火災混凝土傳統檢測方法，介紹了剛度損傷檢測、測磁法、溫度分布模擬、顏色分析、損傷深度檢測和紅外熱像法等近年發展起來的火災混凝土損傷檢測新技術，系統地介紹和評價了這些新技術的基本原理、優點和使用范圍，并對該領域的發展方向做了分析。
[關鍵詞] 火災，非破損檢測技術，混凝土，損傷
1. 引言
現代化城市里的各種鋼筋混凝土建筑物是人們生活和生產的場所。由于人們用火不慎，電器設備電線的老化，違反安全操作以及自燃起火，縱火等原因，常常會引起火災。特別是近年來，隨著經濟的發展，人口和建筑群的進一步密集，發生建筑火災的概率大大增加，損失也極為嚴重。火災之后，為了確保火災損傷混凝土修復工程的可靠性和經濟性，使之盡可能減輕損失，盡快恢復使用，快速科學地對遭受高溫損傷的建筑物進行檢測鑒定和評估，是工程實踐中迫切需要解決的問題。因此，混凝土結構火災損傷檢測評估的研究具有重大的經濟意義和現實的社會意義。
2 火災混凝土檢測傳統方法
傳統火災混凝土檢測方法，主要有表觀檢測、超聲波法、回彈法、鉆芯法、錘擊法和中性化深度檢測[.][2][3] 。
(1) 超聲波、回彈法
超聲波-回彈綜合法在無損檢測中已有廣泛應用，在火災混凝土檢測中也常常被采用。一般來說， 使用超聲波和回彈儀是用正常狀態混凝土和火災后混凝土對比，通過超聲波速比和回彈值比相對地推算混凝土受損情況。使用超聲-回彈綜合法可評估受火災后混凝土的強度[4] 、損傷層深度[5] 及受火溫度[6][7] 等，但由于火災損傷混凝土結構的特殊性和復雜性，這種方法在實際使用中還存在種種困難。到目前為止，超聲-回彈綜合法在火災損傷混凝土檢測中只作為定性評價的手段，還不能評估火災中混凝土的強度[2] 。
(2) 表觀檢測
表觀檢測主要根據火災損傷混凝土的顏色變化來判定火災后混凝土的受損等級。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， 其溫度約在300～600℃;混凝土表面呈灰白色時， 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， 當然也有例外情況，石灰巖和火成巖類骨料以及輕骨料混凝土較少出現這種情況[3] 。
(3) 鉆芯
取芯樣進行混凝土抗壓強度檢驗能直接判斷該區域的混凝土實際強度值。在可能情況下，可在芯樣截取不同灼傷深度尺寸試件進行抗壓對比實驗， 有時因為構件太小或破壞嚴重(強度低于1.0MPa)， 難于獲得完整的芯樣，還應和其他方法結合綜合評估整個構件的混凝土質量。
(4) 錘擊法
錘擊火災損傷的混凝土，所發出的聲音較普通混凝土來說比較沉悶，但這種方法過于依靠經驗，而且這與錘擊的部位有關系，其結果只能作為參考。
(5) 中性化深度檢測
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，當溫度達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中混凝土溫度分布曲線中547℃的分界線。但在實際當中，應注意區分混凝土一般正常碳化與火災引起的碳化，予以修正[2]。
3 火災混凝土檢測新技術
(1) 剛度損傷檢測[8]
英國倫敦大學的A.Y. Nassif 首先將剛度損傷檢測運用于火災混凝土檢測， 它借鑒于英國布里斯托爾大學和倫敦大學曾經研究的檢測堿-骨料反應損傷的方法。
剛度損傷檢測主要是對芯樣在低應力下重復荷載，進行單軸向應力應變響應實驗。實驗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出) 時，再將高溫試件在常溫下冷卻，隨后每個溫度等級試件鉆取3個芯樣(直徑75mm ，長.75mm) 。 整個實驗分六個溫度等級灼燒試件：2.7℃，240℃，287℃，320℃， 378℃和470℃。
為了能將損傷程度定量化，在實驗中運用了幾個參數，分別是：
(a) 弦向加載模量Ec(加載響應斜率)
(b) 卸載剛度Eu(卸載響應斜率)
(c) 損傷指數DI(磁滯回線與應力之比)
(d) 塑性應變PS(重復荷載完畢后的形變)
(e) 非線性指數NL I(加載響應中一半應力與Ec 之比——這個值可反映加載曲線的凹凸程度)
圖1是以上幾個參數在一個經受過570℃試件在一個加載-卸載循環中的應力-應變發展。
圖1. 剛度損傷檢測參數圖解
以上幾個參數對火災混凝土的破裂程度反映十分靈敏，可為火災損傷混凝土的塑性性質的改變提供極有價值的信息，并可用于評估火災后混凝土構件的永久變位。彈性模量的減少和塑性應變(PS) 的增加，在經受過火災的預應力混凝土構件中，可反映其預應力損失。損傷指數(DI) 表明在重復荷載中能量損失，這個參數與被測物的破碎程度有直接聯系。卸載剛度(Eu)可很容易的區別被測物的剛度損失是由高的水灰比還是其內部破裂引起的。非線性指數(NLI) 即曲線的凹凸程度，與被測物所經受過的高溫溫度有關聯。
在A. Y. Nassif所進行的剛度損失檢測中，所選用的5個參數對火災混凝土的損傷程度的反映相當靈敏，而且數據離散性小。但在實驗中，最高溫度只有470℃，而所有的火災最高溫度都達到了900℃ 以上，作者沒有對更高溫度進一步研究。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重，則芯樣并非作者在實驗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大都含有Fe2 + 和 Fe3 + ，所以是一種順磁性礦物，莫斯科火災工程高等技術學院的N. N.Bruschlinsky 等專家，通過一系列實驗發現，試件的磁性性質在500℃以下不發生任何變化，400～500℃的溫度范圍正是混凝土在火災中是否受損的溫度分界線;而在500～.000℃之間，材料的磁化強度變化十分顯著，有的甚至會超過初始值的.00 倍之多，這是因為在升溫過程中始終伴隨著Fe2 + →Fe3 + 的轉化;在所有未加熱試件中的磁化強度的平均值與每個試件的磁化強度的差別均不超過5 % ， 即試件磁化強度的初始值穩定; 在N. N.Bruschlinsky五年的觀測中，試件只要不經歷高溫，材料內的磁性性質亦不會變化，不會隨著混凝土構筑物的使用時間延長而發生變化。
在N. N.Bruschlinsky的實驗中使用的是磁化強度儀，一種由前蘇聯生產的用于地球物理學探測的儀器。曾應用于.986 年切爾諾貝利核泄露事故的調查中，檢測β射線對建筑材料的磁化強度的影響。
圖2 中的△x=x-x0 ，x 是被測試件經加熱冷卻后的磁化強度值，x0 是初始值，CGSM 是磁化強度的單位。曲線1.、2 和3分別對應以不同的升溫速度加熱試件的△x。曲線1，在5 分鐘內將試件加熱到1.000℃; 曲線2， 在1.0 分鐘將試件加熱到1.000℃;曲線3，在40分鐘將試件加熱到1.000℃。
圖2 △x 與溫度關系
試件在經高溫后，磁化強度值急劇升高，為初始值的.00倍之多。而且高溫下保溫時間不同，磁化強度值也有差別，顯然，經受高溫的時間越長，損傷程度也是越嚴重的。
N. N.Bruschlinsky 所用的測磁法， 適用于大面積檢測， 在實驗中可以繪制出構件的溫度分布圖， 對材料的反應也相當靈敏。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，大都取于當地。而原材料的礦物成分常常因地域不同而有所差別。在文中，作者僅對俄羅斯及波羅的海各國和中亞地區的原材料進行過調查。
(3) 溫度分布模擬
在遭受火災的混凝土損傷程度評估中，很重要的一個衡量標準就是構件曾經經受過高溫的溫度。用數學方法和計算機來模擬火災過程和構件的在火災中的溫度分布，是火災混凝土檢測發展的趨勢之一。
英國蘭開夏(Lancashire) 中心大學建筑環境系的Zhaohui Huang ，在理論熱學和混凝土中物質傳遞等理論的基礎上，用非線性有限元模型來模擬火災過程中構件的溫度分布情況，并且根據他們的研究成果，設計出了一套專用于模擬火災混凝土溫度分布的程序[.0]。
浙江大學土木工程學系的金賢玉等在大量實驗基礎上，也實現了混凝土在受高溫時溫度分布模擬[7]。
火災混凝土溫度分布模擬具有一定的研究價值，這是火災混凝土檢測自動化的發展方向。同時，這種損傷檢測方法在實地檢測中，需要考慮很多因素，例如:尺寸效應，混凝土材料的導熱系數、熱容量，火災持續時間，構件的含水率等。尤其尺寸效應，它對構件溫度場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檢測中根據表面顏色判斷遭受高溫的方法，英國阿斯頓大學工程與應用科學系的N. R. Short在這種方法中結合巖相學， 引入了另一種分析顏色的色彩模式。
一般我們所說的色彩模式是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、飽和度和亮度。見圖3。
圖3 HSI 色彩模式
色調：色調表示光的顏色，它決定于光的波長。實際上，可見光的各色波長范圍之間的界限并不十分明顯，色調是由強度最大的彩色成分來決定的。例如自然界中的七色光就分別對應著不同的色調，而每種色調又分別對應著不同的波長。任何一種顏色都可以在HSI 色彩模式(圖3) 中找到相對應的位置，在水平面即色調面上的投影的角度就是它的色調值。在電腦分析軟件中，這個水平的0～360的圓上的點被定義為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， 如對白光來講，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上引起的明暗程度，它直接與光的強度有關。光的強度越大，景物就越亮；光的強度越小，景物就會越暗[..] [.2]。
檢測中用的儀器是奧林帕斯的反射光偏振顯微鏡和相應的顏色分析處理軟件。在實驗中，需要將樣品截成50×80mm ，再裹以無色樹脂，并經過磨光處理，以利于樣品在檢測中反射光線。
顏色分析法在色調值和所遭受的溫度以及受損深度之間建立關系，這樣一來，只需要檢測構件樣本的色調值即可推知經歷高溫的溫度和受損深度。但是，在實驗中并沒有排除骨料對實驗結果的影響，因為在實際檢測中，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配套的工具、軟件共需要￡50000 ，不菲的價格使之在我國應用還有相當難度。
(5) 損傷深度檢測[.3]
在運用鉆芯法檢測火災損傷混凝土時，需先把芯樣表層的疏松層鑿掉，然后再檢測其強度。可是由于火災損傷混凝土的特殊性，鉆芯法不能直接評估火災混凝土殘余強度。原因在此不再贅述。
葡萄牙里斯本Instituto Superior Tecnico 的J. R. dos Santo s 等在鉆芯法的基礎上發展了這種檢測方法。前面已經講過，火災混凝土芯樣的損傷程度呈層狀分布，根據這個情況，可把芯樣切為厚度為..5cm 的切片，這樣每個被切成扁圓柱體形的切片樣本本身可近似認為其損傷程度是均勻的。因為損傷程度越嚴重的混凝土，裂縫越多，也越疏松。孔隙率大，必然吸水率也隨之增長。分別稱得切片干燥時和吸水飽和時的重量，可得到吸水率。同時做張拉應力實驗。從而得到的每個切片樣本的吸水率和張拉應力損失，與遭受火災的混凝土損傷深度建立關系。
這種方法與鉆芯法相比有很大進步，更合理，能更精確地檢測火災混凝土的損傷深度和程度。但因為在檢測中仍然需要鉆取芯樣，所以無法克服某些鉆芯法本身的不足，比如說，某些損傷嚴重的混凝土無法獲得芯樣，而且如果在這樣的受火災構件上鉆取芯樣，無異于雪上加霜;另外，實際火災情況錯綜復雜，在構件上某點所獲得芯樣得到的結論也不能代表整個構件的其他部位損傷狀況。在工程檢測中，只能在部分構件上選取點檢測，而不能大面積全面檢測。
(6) 紅外熱像法[.4] [.5]
紅外輻射也被稱為紅外線。它是由原子或分子的振動或轉動引起的，是一種電磁輻射，即電磁波， 其波長介于0.75～.000μm之間。
自然界中，所有絕對零度( -273℃) 以上的物體都連續不斷地輻射紅外能，其數量與該物體的溫度密切相關，換句話說，紅外輻射數量的增加或減少隨溫度而變化。世界上任何溫度高于絕對零度的物體都是紅外輻射源，因此紅外檢測技術應用十分廣泛。尤其是導熱性差而表面發射率大的材料，大多數建筑材料(混凝土、磚、石材等) 屬于這類材料，采用紅外熱像檢測靈敏度較高。
同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室的張雄教授，將紅外熱像技術應用于火災損傷混凝土的檢測，建立了紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強度損失的檢測模型。
使用紅外熱像儀內置的微處理器可以計算火災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程中熱像平均溫升隨時間的變化曲線
從圖4 可知，經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度損失之間建立檢測模型：
T = .0.4753x –.4.964.
fcut/fcu = -...64.x + 2.8226
T——受火溫度; x——平均溫升; fcut/fcu ——強度損失
將紅外熱像技術應用于檢測火災混凝土，可相當精準地得到混凝土的受火溫度和殘余強度。但由于測平均溫升時必須給被測物提供一穩定熱源(實驗時用紅外燈的強光加熱)，而在實地檢測時，這一熱源在加熱中往往會受到環境中空氣流動的影響而影響到結果。所以，在實地檢測中最好能對現場做適當的封閉處理，以利于檢測工作。
4 結束語
本文列出的新技術，大都借鑒了其他學科的相關原理，或借助先進的檢測儀器，實現對火災混凝土的評估，這在火災混凝土評估發展中是一個突破，而且在檢測數據穩定、離散性小，自動化程度高等方面優于傳統檢測方法。但從上述對新技術的優缺點分析也可以看出，由于火災情況錯綜多變和混凝土結構復雜性與混凝土材料性能的特殊性，任何方法在檢測中總會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的方法，因此采用兩種或幾種方法，“以彼之長補己之短”，相互彌補以達到綜合評估，這是火災混凝土評估發展的方向。
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作者：苗 春 韓建軍 吳海勇 繆小星
(上海市建筑科學研究院，上海，200032)
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