我国混凝土结构火灾_高温_后损伤机理与评估方法的研究进展和发展趋势

火灾后混凝土结构受火温度的试验研究的开题报告

一、选题背景：

近年来，城市建设工程规模不断扩大，防火安全问题越来越受到重视。火灾是造成城市建筑及其结构损坏的主要原因之一。同时，混凝土建筑及其结构在城市建设中占有重要地位，混凝土材料的防火性能也至关重要。因此，在火灾后混凝土结构受火温度的试验研究具有现实意义和社会价值。

二、选题意义：

1.对提高混凝土结构的防火能力和科学准确地评估火灾造成的损害具有重要意义。

2.能为混凝土建筑的设计、施工、验收和维修提供重要的技术指导。

3.为保障公共安全和提高城市建设工程的质量做出贡献。

三、选题内容：

本课题主要研究以下内容：

1. 火灾后不同受火温度下混凝土结构的力学性能变化规律。

2. 火灾前后混凝土结构的微观结构及其对力学性能的影响。

3. 火灾前后混凝土结构的耐久性变化规律。

四、研究方法：

本课题主要采用以下研究方法：

1. 文献综述法：梳理和总结国内外相关的研究现状和成果。

2. 试验研究法：选取不同受火温度下的混凝土结构进行试验研究并分析其力学性能、微观结构和耐久性变化规律。

3. 理论分析法：基于力学和物理学原理，探究混凝土受火温度变化过程中物理现象的基本规律。

五、预期成果：

本课题预期达到以下成果：

1. 火灾后不同受火温度下混凝土结构的力学性能变化规律。 2. 火灾前后混凝土结构的微观结构及其对力学性能的影响。

3. 火灾前后混凝土结构的耐久性变化规律。

4. 混凝土结构防火能力提高的技术指导。

5. 提高公共安全和保障城市建设工程的质量。

火灾后混凝土结构的损伤评估与修复加固技术

近年来，城市建筑的快速发展和人口密集化造成了火灾的高发。火灾不仅对人身安全造成极大威胁，对建筑物的损害也是十分严重的。因此，对于火灾后建筑损伤的评估和修复加固技术成为了一项非常重要的工作。

混凝土结构是建筑中最常见，也是最广泛使用的结构形式之一。在火灾中，混凝土结构受到较大的温度和压力影响，导致各种损伤和变形。损伤包括裂缝、爆破、脱落等，变形包括弯曲变形、扭转变形等。因此，对于火灾后混凝土结构的评估和修复加固技术非常重要。

火灾后混凝土结构的损伤评估包括两个方面：外观损伤和内部损伤。外观损伤主要包括混凝土表面的裂缝、烧损、吸湿等；而内部损伤主要包括混凝土的力学性能、弯曲扭转性能等。评估的主要目的是确定混凝土结构是否安全，以及需要采取何种措施进行修复加固。

修复加固技术也是火灾后混凝土结构的重要工作之一。其中，加固技术包括局部加固和整体加固两种。局部加固主要是针对混凝土中的某些部位或构件进行加固，包括表面切割加固、贴片加固、钢筋加固等。整体加固是对整个混凝土结构进行加固，包括张拉加固、喷涂混凝土加固、钢筋混凝土加固等。

在进行修复加固时，需要根据不同的损伤情况选择最合适的修复加固方法。例如，表面切割加固适用于混凝土表面裂缝较为严重的情况；贴片加固适用于混凝土表面烧损等轻微损伤情况；张拉加固适用于混凝土弯曲扭转变形严重的情况；钢筋混凝土加固适用于混凝土结构受到严重损伤的情况。

总之，火灾后混凝土结构的损伤评估和修复加固是一项重要的工作，需要对混凝土结构进行全面深入的了解，采用合适的技术进行修复加固，以确保混凝土结构的安全使用。

火灾后混凝土结构的损伤评估与修复加固技术

火灾对混凝土结构造成的损伤是非常严重的，会导致结构的强度和稳定性下降，甚至引发结构的倒塌。对于火灾后的混凝土结构，需要进行全面的损伤评估，并采取相应的修复加固技术，以恢复结构的安全性和可靠性。

火灾对混凝土结构造成的损伤主要包括以下几个方面：

1. 表面脱落和裂缝：火灾会导致混凝土表面的脱落和裂缝，损坏结构的整体完整性。

2. 混凝土质量下降：火灾中高温会使混凝土中的水分蒸发，导致混凝土质量下降，失去原有的强度和稳定性。

3. 钢筋腐蚀：火灾中的高温和烟气中的酸性物质会导致混凝土中的钢筋发生腐蚀，使其失去原有的承载能力。

对于火灾后的混凝土结构，需要进行全面的损伤评估，以确定结构的安全性和修复加固的需求。损伤评估主要包括对混凝土质量、钢筋腐蚀情况、结构的整体稳定性和承载能力等方面的检测和评估。可以利用无损检测技术如超声波检测、电磁波检测等对混凝土结构进行全面的检测，评估结构的损伤情况。

修复加固技术是针对混凝土结构的损伤情况而采取的具体措施，主要包括以下几种：

1. 表面修复：对于表面的脱落和裂缝，可以采用填补剂、修补材料等手段进行修复。修复材料的选择应根据混凝土结构的类型和使用环境来确定，以保证修复后的结构具有良好的耐火性和耐久性。

2. 钢筋防腐：钢筋腐蚀会导致混凝土结构的强度和稳定性下降，因此需要对腐蚀的钢筋进行去锈和防腐处理。可以采用机械方法如喷砂、刷锈等进行去锈，然后对钢筋进行防腐处理，包括涂覆防腐剂、加装防腐膜等。

3. 结构加固：对于火灾损坏较严重的混凝土结构，需要进行结构加固以恢复其承载能力和稳定性。可以采用钢板加固、钢筋加固、碳纤维布加固等手段，根据结构的需要进行有针对性的加固。

火灾后的混凝土结构需要进行全面的损伤评估，并采取相应的修复加固技术，以保证结构的安全性和可靠性。修复加固技术应根据具体情况选择合适的方法和材料，以确保修复后的结构具有良好的耐火性和耐久性。

第26卷第1期2010年2月结　构　工　程　师StructuralEngineersVol.26,No.1Feb.2010

收稿日期:2009-09-09基金项目:国家自然科学基金(50778134);土木工程防灾国家重点实验室基金(SLDRCE09-D-02);高等学校博士学科点专项科研基金(200802471089)＊联系作者,Email:sulei0518@火灾后混凝土结构检测的方法与发展探讨陆洲导1　苏　磊1,＊　余江滔1　项　凯1,2(1.同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;2.公安部天津消防研究所,天津300381)摘　要　火灾后混凝土损伤具有随机性和非线性的特点,对其进行评估和加固修复具有极大的挑战性,关系重大且难度甚高,是近年来研究的热点。综合分析近年来火灾后钢筋混凝土结构损伤检测与加固修复方法的若干研究成果,包括各种火灾温度的检测和评定方法以及各种火灾后混凝土的材料强度与损伤深度检测方法等。在论述研究成果的同时,对若干成果的应用状况做了简要的评述。对火灾后钢筋混凝土结构损伤检测的未来发展趋势做出了一些预测和展望。关键词　火灾,受火混凝土,检测方法,发展趋势AdvanceandProgressinInspectionofFireDamagedConcreteStructuresLUZhoudao1　SULei1,＊　YUJiangtao1　XIANGKai12(1.ResearchInstituteofStructuralEngineeringandDisasterReduction,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.TianjinFireResearchInstituteoftheMinistryofPublicSecurity,Tianjin300381,China)Abstract　Thecharacteristicsofrandomnessandnonlinearityispossessedbyfiredamagedconcretestructures.Itisachallengingtaskandtoughmissiontodiagnoseandrepairthestructuraldamageincivilengineering.Manywaysofthediagnosisandrepairforconcretestructureswerediscussedindetails.Thereforeanoverviewwasgivenonseveralkeyissuesandrelatedresearchprogressmadeindetectionandrepairforfiredamagedconcretestructures.Theresearchtopicsincludethedetectionmethodsandtherepairtechnology.Thedetectionmethodscontainavarietyoffiredetectionandevaluationandavarietyoffiredamagedconcretestrengthandthedamageddepth.Inaddition,researchachievementsonthementionedtopicswerediscussedandseveralexampleswereincludedasthecasestudies.Finally,recommendationswereproposedforthefuturedevelopmentofdetectionandrepairforfiredamagedconcretestructures.Keywords　fire,firedamagedconcrete,detectionmethod,advanceandprogress1　引　言火灾是包括流动、传热、传质和化学反应及其相互作用的复杂燃烧过程,其造成直接损失仅次于干旱和洪涝,而发生的频率位列各种灾害之首[1]。火灾损失统计表明,发生次数最多、损失最严重者当属建筑火灾[2]。据统计,全世界火灾造成直接经济损失可达社会总产值的2‰,有些国家达到8‰以上,火灾引起的间接损失是直接损失的3～5倍[3]。同其他建筑材料相比,钢筋混凝土结构火灾后损伤有如下特点[4]:(1)混凝土损伤的双重随机性。首先混凝土材性本身存在初始随机损伤,在高温作用下混凝土中的微裂缝等损伤进一步发展,并体现出新的损伤特征。(2)混凝土损伤的空间随机性。建筑物的空DOI:10.15935/ki.jggcs.2010.01.028间形式、可燃物的数量和分布位置、门窗情况和起火点的位置等均对建筑物火灾有显著的影响。这些因素导致了损伤的空间随机性。(3)截面损伤沿受火深度方向变化。混凝土为热的不良导体,混凝土构件在火灾中一般表现出损伤从外而内变化的趋势。这就存在不同截面损伤不同、相同截面的不同深度受损程度不同等多种情况。(4)抵抗火灾能力较强。由于混凝土既不燃烧也不会在某一温度后完全失效,是一种热惰性材料,加之混凝土耐火时间远高于防火涂料以及内部钢筋的骨架作用,这些都优于其他建筑材料。大量火灾检测表明,由于羽化效应,火灾后受力构件的损伤程度由强到弱依次为板、梁、柱,这恰恰与构件的重要程度相反,这就使得钢筋混凝土结构灾后可修复性增强。近年来,混凝土结构抗火理论得到很大发展[5,6],既有建筑检测方法研究已经形成比较成熟的标准,但火灾损伤的独特性使这些方法不能直接应用于火灾检测中,随着先进检测仪器和设备的使用,一些新的火灾后钢筋混凝土结构检测方法层出不穷,这给火灾后结构加固修复技术提供了重要的依据。鉴于进行火灾后损伤评估具有重要的意义,本文将就火灾后检测方法研究现状和发展趋势进行探讨。2　火灾温度评定检测方法火灾发展经过引发期、旺盛期、衰竭期,具有一定的规律性。结构空间、可燃物的形式和千变万化实际火灾温度各不相同,直接影响到混凝土强度,因此火灾后混凝土温度检测是极为重要的[7]。处于火环境中构件的温度反应是从起火时就开始的,可燃物质燃烧释放的热量经对流、辐射作用于构件表面,再由热传导传向构件内部,从而在构件内部形成一个非均匀的温度场[8]。因此,现场检查主要包括:火灾后材料和构件外观变化以及火灾现场残留物和外观检测推断过火范围和过火温度[9]。所确定的过火温度为某区域内的最高温度,火灾温度区域划分原则为:低温区300℃以下;中温区300℃～600℃;高温区600℃以上[10]。2.1　表观检测方法试验研究表明:高温作用下构件不同截面内对应点以及同一截面内不同点的升温速率各不相同,而且尺寸效应、混凝土龄期、恒温时间、明火温度诸因素对混凝土内部温度场都有较大影响。离构件表面距离相同的点,在小尺寸截面内比在大尺寸截面内温度要高;其他条件相同时混凝土龄期长的构件比龄期短的构件加温时温度要高,因龄期长,失水多,密实性增大,有利于导温;恒温时间对混凝土构件内部温度影响很大,截面尺寸愈小,恒温时间影响愈大;若为明火加热,火焰方向与受热面垂直时比与受热面平行时影响要大[8]。鉴于上述依据,文献[7,8,10,11]通过表观检测混凝土表面龟裂、裂缝、挠度、爆裂、露筋、剥落疏松程度和混凝土表面颜色情况,其随温度的升高产生变化以及现场常见材料的变态温度,据此可以确定过火稳定范围。表观检测方法的特点是直观、迅速但准确性不够,通过现场观察可以对火场温度有一个较为近似的推断,为理论推断提供定性依据。2.2　碳化检测方法混凝土中性化检测[12],混凝土硬化后PH值一般在12～13,呈强碱性。当混凝土受火后,内部微观结构、外部宏观结构和材性发生不同程度变化,使硬化在混凝土表面的氢氧化钙高温脱水成氧化钙,导致混凝土呈中性,碳化速度增长,文献[7]根据试验研究受火后混凝土与正常混凝土所进行的碳化深度比较,给出混凝土碳化深度和受火温度的关系,如表1所示。　表1火灾作用下混凝土碳化深度比值与火灾温度关系　Table1 Relationshipoftheratioofcarbonationdepthofconcretestructureandtemperatureexposedtofire碳化深度比值1.001.602.504.009.00混凝土过火温度/℃正常温度2004006008002.3　改进的回弹法、超声法与超声回弹综合法检测过火温度无损检测技术在钢筋混凝土结构中广泛的应用引起学者的高度关注,许多学者试图将其加以改进引入到火灾检测中来。文献[13]对400℃～800℃下5个温度组18个试件进行测试,分别得出空气中自然冷却时过火温度同回弹比、超声比的关系,并最终回归出过火温度同回弹比、超声·132·StructuralEngineersVol.26,No.1StrengtheningandRetrofittingofStructures　比总的关系式如公式(1)所示。tf=993-506.5Vt/V0-303.5Rt/R0(1) 文献[13]通过试验结果,过火温度同回弹比关系式的剩余标准差为42.5℃,同超声比为23.2℃,超声法的精度要比回弹法高。过火温度同超声回弹综合比的回归系数为0.98,标准差为21.4℃。这是因为两者的影响刚好相反,将两者综合可以减少如硅的碳化和含水率等影响,改进的超声回弹综合法评估比只按超声或回弹评估法进行评估精度高。2.4　热分析法热分析法是根据混凝土受热时发生的一系列不可逆物理、化学变化,通过对灾后材料再受热的表现特征来判断混凝土在火灾中的温度范围,包括热重分析法(TGA)、差热分析法(DTA)、差示扫描法(DSC)。差热分析法与差示扫描法相似,都是在程序控制温度下测量输入到被测物和参比物的功率与温度的关系,其典型特征曲线亦相似[7]。热重分析法是在程序控制温度下,测量物质重量与温度关系的一种技术。韩继红、张雄运用DTA法检测混凝土的受火温度和损伤深度[14]。2.5　热释光法热释光是岩石、矿物受热而发光的现象。新加坡MichaelYLChew教授对运用热释光法进行了较详尽的研究,对受损构件取10mm直径芯样进行混凝土中矿物热释光强度测量,以确定矿物曾经的最高温度,通过逐步深入取样完成对构件深度方向温度变化的评估,建立了混凝土受火最高温度和持续时间的关系[15,16]。国内,裴静娴将其应用于工程检测之中,取得良好的效果[17]。刘宏奎也对其进行了研究[18]。该方法精度高,破坏性小,可以方便地进行深度层面上的探测,但在受火温度较高和持续时间较长时会有一定局限,温度超过500℃以上热释光的损失过快,受火时间估算误差较大。总的来说,该方法有一定局限性,与其他方法综合使用,可以起到校核作用。2.6　红外热像法红外检测是利用红外辐射对物体或材料表面层进行检验和测量的专门技术。任何温度高于绝对零度的物体都是红外辐射源,遭受火灾的混凝土材料因其发生了一系列相变,材料表面状态和结构随作用温度不同而各不相同,从而使红外辐射发生变化,利用红外热像仪可以把来自目标的红外辐射转变成可见的图像,可直观地分析构件表面的温度分布,进而推定结构受损状况[8]。对100mm×100mm×100mm的C30混凝土试件,采取从100℃～900℃分9个温度等级,恒温1.5h,在空气中自然冷却方式,得出了混凝土红外热像平均温升与实际受火温度的关系如公式(2)所示,混凝土红外热像平均温升与σt/σ的关系如公式(3)所示[19,20]。y1=7.7246x-9.0778400℃≤t≤900℃(2)y2=-1.074x+2.6235400℃≤t≤900℃(3)式中,x为混凝土热像平均温升(℃);y1为混凝土实际火烧温度t×10-2(℃);y2为混凝土受火后与未受火的抗压强度的比值σt/σ。该式(2)的平均标准偏差为38.5℃,式(3)为3.7%。式(2)相关系数0.980,式(3)为0.988。在此基础上,对20℃～900℃进行线性回归得到红外热像平均温升与混凝土受火温度及强度损失的关系如式(4)和式(5)所示[21]。T=(10.4753x-14.9641)×10-220℃≤T≤900℃(4)fcut/fcu=-1.1641x+2.822620℃≤T≤900℃(5)式中,x为混凝土红外热像平均温升(℃);T为混凝土受火温度(℃);fcut/fcu为混凝土强度损失(%)。式(4)相关系数0.954,式(5)为0.984。在实际检测中应用此方法,收到良好效果,为火灾建筑物的修复加固提供科学依据[22]。2.7　电化学分析法混凝土受到灼烧时,水泥水化产物会脱水分解,导致混凝土中性化。混凝土在高温过程中水泥水化产物发生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。基于此,通过检测受火后混凝土表面电势来判定其过火温度。对钢筋锈蚀电势Ecorr、钢筋锈蚀电流密度Jcorr和混凝土电阻率Rp·133··结构加固与改建·结构工程师第26卷第1期