（材料学专业论文）火灾损伤钢筋混凝土修复技术研究.pdf

同济犬学申请硕士学位论文 摘要 摘要 随着现代文明的发展，火灾的发生越发频繁，其直接后果之一就是对混凝土 建筑物的损害。调查结果表明，钢筋混凝土结构遭受火灾后，大多表现为不同程 度的损伤和破坏，很少有倒塌的，一般经修复加固后仍可继续使用，但如何经济、 有效的修复火灾损伤钢筋混凝土建筑物，一直是工程技术领域研究的热点。因此， 本课题对火灾损伤钢筋混凝土建筑物的修复加固新方法的研究具有重大的经济 和社会意义。 火灾对钢筋混凝土的损伤表现为高温致使混凝土保护层中的c a ( o h ) 2 分解 而导致钢筋腐蚀加剧和混凝土构件的强度降低，因此本文的研究目的是通过火灾 后钢筋混凝土中性化和电化学参数的检测，分析出混凝土的损伤深度，然后采用 电化学再碱化法恢复混凝土保护层的碱度和压力浸渍灌浆法修复混凝土构件的 强度，并通过电化学再碱化的理论分析，建立电化学再碱化的控制模型，分别研 究电化学再碱化和压力浸渍灌浆对混凝土构件性能的影响。最后在试验的基础 上，通过对电化学再碱化法和压力浸渍灌浆法的关键参数的分析，建立完整的火 灾损伤钢筋混凝土的检测评估和修复加固方法。 本文的研究工作包括：预制普通强度等级和高强等级的钢筋混凝土试件，采 用高温炉煅烧模拟火灾损伤，然后分别用无水酒精酚酞检测中性化深度和恒流护 环仪仪检测电化学参数，综合分析钢筋混凝土的损伤深度；采用n a 2 c 0 3 、n a 2 s i 0 3 和m g c l 2 三种电解质、在外加0 5 a m 2 、1 o 刖m 2 和1 5 m m 2 的电流密度( 以与电解 质接触的混凝土表面积计) 和通电l 天、3 天和7 天的条件下对火灾损伤钢筋混凝 土实施电化学再碱化修复，然后比较修复效果，确定电化学再碱化法的关键参数 值，通过电化学理论的分析，建立再碱化的控制模型，最后在再碱化最佳效果条 件下研究电化学再碱化对钢筋混凝土性能的影响。经研究发现，随着高温温度的 升高和恒温时间的延长，混凝土的中性化深度逐步加深当中性化深度超过混凝 土保护层厚度时，钢筋混凝土的电化学参数发生变化，电势绝对值增加，电阻减 小：得到的电化学再碱化关键参数值为外加电流密度1 o m m 2 左右，通电时间7 d 左右，损伤试件在不同条件下再碱化效果比较发现，三种电解质再碱化效果差别 不大，以n a 2 c 0 3 最佳，m g c l 2 在再碱化的同时还可提高混凝t 的密实度，再碱 同济人学中请硕士学位论文摘要 化处理对钢筋混凝土的抗压强度影响不大，但钢筋和混凝土间的粘结强度降低了 5 ，建立的电化学再碱化控制模型为p h = 8 3 + l o g1 0 ( k i t ) + l o g 】o ( 讲l 一( 竺盟) 】) ，其中：p h ：再碱化后混凝土内部的p h 值：j ：外加电流 “ 密度( a m 2 ) ；t ：通电时间( 秒) ：d ：中性化深度( 咖) ；：混凝土实际强度( m p a ) ： q ：本征强度( m p a ) ；k - 与混凝土孔隙率有关的换算系数，通过试验确定的k 为6 3 x1 0 - 4 ( 普通强度混凝土) ， 2 5 x1 0 4 ( 高强混凝土) ： 本文还研究了在环氧树脂中掺入不同比例的固化剂和稀释剂，通过对此灌浆 料粘度和强度的检测，确定灌浆料的配比，然后在o , 0 6 m p a 、o 1 m p a 和0 1 2 m p a 压力水平和浸渍时间2 0 m i n 、4 0 m i n 和6 0 m i n 条件下，采用压力浸渍灌浆加固火 灾损伤混凝土，通过加固后混凝土强度的比较，确定压力浸渍灌浆法的关键参数 值。经研究发现，压力浸渍灌浆法可以加固火灾损伤混凝土，以环氧树脂作为灌 浆料时合理配比为环氧树脂：固化剂：稀释剂= 9 ：5 ：l ( 质量比) ，此时适宜的 压力水平为0 1 2 m p a ，适宜的恒压时间为6 0 m i n ，最大浸渍深度为2 0m m 。 关键词：火灾钢筋混凝土电化学再碱化压力浸渍灌浆 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mc i v i l i z a t i o n ，t h eo c c u r r e n c eo ff i r ei sm o r ea n d m o r ef r e q u e n t o n eo ft h ed i r e c tc o n s e q u e n c e si s t oc a u s ed a m a g e so fc o n c r e t e c o n s t r u c t i o n s s o m er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o n s t r u c t i o n sc a n c o n t i n u et ob eu s e da f t e rr e n o v a t i n ga n dr e i n f o r c i n g f o rm o s to ft h e mw e r ed a m a g e d b u ts e l d o md e s t r o y e da f t e rs u f f e r e dt h ef i r e h o w e v e gh o wt or e s t o r et h ed a m a g e d r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o n s t r u c t i o n se c o n o m i c a l l ya n de f f e c t i v e l yi sa l w a y st h ef o c u si n t h ee n g i n e e r i n gf i e l d a sar e s u l t ，t h e r ea r eg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t so ft h i s s t u d yo ni n v e s t i g a t i n gn e w m e t h o d st or e p a i ra n dr e n o v a t et h ed a m a g e db u i l d i n g si n t h et h e s i s w h e nr e i n f o r c e dc o n c r e t e c o n s t r u c t i o n s s u f f e r i n g af i r e ，c a ( o h ) 2i nt h e p r o t e c t i v ec o a t i n gw i l ld e c o m p o s ed u et o t h ep r e t t yh i g ht e m p e r a t u r e ，w h i c hc a n c a u s et h ee r o s i o no fs t e e lb a r sm o r ea g g r a v a t i n ga n dt h es t r e n g t ho fc o n s t r u c t i o n a l e l e m e n t sd e c r e a s i n g s oi nt h i sp a p e r f i r s tt h ed a m a g ed e p t ho fc o n c r e t ei si d e n t i f i e d b yn e u t r a l i z i n g a n dt h eg a l v a n o 。c h e m i s t r yp a r a m e t e r so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ei s d e t e c t e da f t e rt h ef i r e t h e nu s i n gt h em e t h o do fe l e c t r o c h e m i c a lr e a l k a l i z a t i o nt o r e s t o r et h ec o a t i n ga l k a l i n i t ya n dp r e s s u r i z e di n s u c c a t i o ng r o u t i n gt om c o v e rt h e s t r e n g t ho fc o n c r e t ec o m p o n e n t s a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，ac o n t r o l l i n g m o d e lo fe l e c t r o c h e m i c a l r e a l k a l i z a t i o ni se s t a b l i s h e dt o s t u d yt h ee f f e c to f c o n s t r u c t i o n a lu n i tp e r f o r m a n c ef o r mt h er e a l k a l i z a t i o na n dp r e s s u r i z e di n s u c c a t i o n g r o u t i n gr e s p e c t i v e l y i nt h ee n d ，o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s ，ad e t e c t i n ge v a l u a t i o n o nd a m a g e ds t e e l c o n c r e t ec o n s t r u c t i o n sa n dam e t h o do fr e p a i ra n dr e i n f o r c e m e n ta r e e s t a b l i s h e dc o m p l e t e l yb ya n a l y z i n gt h ek e yp a r a m e t e r so fr e a l k a l i z a t i o na n d p r e s s u r i z e di n s u c c a t i o ng r o u t i n g t h es t u d yp r o c e d u r e sa r ea sf o l l o w s ：f a b r i c a t er e g u l a rs t r e n g t ha n dh i g hs t r e n g t h s t e e l c o n c r e t es p e c i m e n s ，s i m u l a t i n gf i r eb yc a l c i n i n gt h e mi nh i g ht e m p e r a t u r e f u r n a c e ，t h e nm e a s u r en e u t r a l i z e dd e p t hw i t ha n h y d r o u sa l c o h o lp h e n o l p h t h a l e i na n d e x a m i n eg a l v a n o - c h e m i s t r yp a r a m e t e r s ，a n a l y s ec o m p r e h e n s i v e l yd a m a g ed e p t ho f s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c i m e n s u s i n gn a 2 c 0 3 ，n a 2 s i 0 3a n dm g c l 2 ，w i t ht h e i 司济人学申请硕士学位论文a b s t r a c t c u r r e n td e n s i t yo fo 5 a m ，1 0 a m ，1 5 a m ，a n de l e c t r i f y i n gf o rld ，3 da n d7 d ，w e r e n o v a t et h es p e c i m e n sb ye l e c t r o c h e m i c a lr e - a l k a l i z a t i o n ，c o m p a r et h er e s u l t s ， i d e n t i f yt h ek e yp a r a m e t e r s ，a n de s t a b l i s hc o n t r o l l i n gm o d e lo fr e a l k a l i z a t i o n ，f i n a l l y i n v e s t i g a t et h ec o n t r i b u t i o ne l e c t r o c h e m i c a lr e a l k a l i z a t i o nt ot h ep e r f o r m a n c eo fs t e e l r e i n f o r c e dc o n c r e t ea tt h eb e s tr e - a l k a l i z a t i o ne f f e c t t h es t u d ys h o w st h a tt h e n e u t r a l i z e dd e p t hb e c o m e sd e e p e ra sr i s i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n de x p a n d i n gt h e c o n s t a n tt e m p e r a t u r et i m e w h e nt h en e u t r a l i z e dd e p t hd e e p e rt h a nt h ec o a t i n gd e p t h ， t h eg a l v a n o - c h e m i s t r yp a r a m e t e r so fs t e e lc o n c r e t ew i l lc h a n g e ，t h ea b s o l u t ev a l u eo f e l e c t r i cp o t e n t i a li n c r e a s e sw h i l et h ee l e c t r i cr e s i s t a n c ed e c r e a s e s w ec o n c l u d et h a t t h ek e yp a r a m e t e r so fe l e c t r o c h e m i c a lr e a l k a l i z a t i o na r ea b o u t1 0 a mc u r r e n t d e n s i t ya n d7 dc u r r e n tt i m e t h er e - a l k a l i z a t i o ne f f e c t so fd a m a g es p e c i m e n sa t d i f f e r e n tc o n d i t i o n ss h o wt h a tt h e r ea r es m a l ld i f f e r e n c e so fr e a l k a l i z a t i o ne f f e c t so f t h et h r e ee l e c t r o l y t e s t h ee f f e c to fn a c 0 3i sb e s t ，b u tm g c l 2c a r l i m p r o v et h e c o m p a c t n e s so ft h ec o n c r e t eb e s i d e sr e a l k a l i z a t i o n t h o u g hr e - a l k a l i z a t i o nh a sl i t t l e e f f e c to nt h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，t h eb o n ds t r e n g t hb e t w e e nt h es t e e la n dt h e c o n c r e t er e d u c eb y5 t h ee l e c t r o c h e m i c a lr e a l k a l i z a t i o nc o n t r o lm o d e li sf o u n d e d a sf o l l o w s ：p h = 8 3 + 1 0 91 0 ( k j t ) + 魄1 0 ( d 1 一( o 7 6 厶 ) 3 】) ，p h ：t h ep ho f i n n e r c o n c r e t ea h e rr e a k a l i z a t i o n ；j ：c u r r e n td e n s i t y ( a m ) ；t ：c u r r e n tt i m e s ( s ) ；d ： n e u t r a l i z e dd e p t h ( m m ) ；f c u ：t h et r u es t r e n g t ho fc o n c r e t e ( m p a ) ；a ：i n t r i n s i cs t r e n g t h ( m p a ) ；k ：r e d u c t i o nc o e f f i c i e n tr e l a t i n gt oc o n c r e t ep o r o s i t y , d e t e r m i n e db y e x p e r i m e n t s ，k = 6 3 10 ( g e n e r a ls t r e n g t hc o n c r e t e ) ，k - 2 5 10 4 ( h i g hs t r e n g t h c o n c r e t e ) t h es t u d yp r o c e d u r e sa r ea sf o l l o w st o o ：m i xi n t oe p o x i d er e s i nd i f f e r e n t p r o p o r t i o n so fs o l i d i f i e da g e n t sa n dd i l u t i n ga g e n t s ，e x a m i n et h ev i s c o s i t ya n d i n t e n s i t yo fg r o u t i n gs t u f f , d e t e r m i n et h em i x t u r er a t i o t h e nw er e i n f o r c et h ed a m a g e c o n c r e t ew i t ht h ep r e s s u r eo f0 0 6 m p a ，0 1m p a ，0 12 m p aa n dt h ei n s u c c a t i o nt i m eo f 2 0 m i n ，4 0 m i n ，6 0 r a i nb yp r e s s u r i z e di n s u c c a t i o ng r o u t i n g c o m p a r i n gt h es t r e n g t ho f r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，w ec a nc o n f i r mt h ek e yp a r a m e t e ro fp r e s s u r i z e di n s u c c a t i o n g r o u t i n g t h es t u d ys h o w st h a tp r e s s u r i z e di n s u c c a t i o ng r o u t i n gc a nr e i n f o r c e dt h e i v d a m a g ec o n c r e t e ，w h e nu s i n ge p o x i d er e s i na sg r o u t i n gs t a f f , t h es u i t a b l em i x t u r e r a t i oi se p o x i d er e s i n ：s o l i d i f i e da g e n t s ：d i l u t i n ga g e n t s = 9 ：5 ：l ( b yw e i g h t ) ，t h ep r e s s u r e i s0 12 m p a ，t h et i m eo fc o n s t a n tp r e s s u r ei s6 0 m i n ，a n dt h ed e e p e s ti n s u c c a t i o nd e p t h i s2 0 r a m k e yw o r d s ：f i r e ，s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e ，g a l v a n o - c h e m i s t r yr e a l k a l i z a t i o n ， p r e s s u r i z e di n s u c c a t i o ng r o u t i n g v 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成硕士学位论文：么塞塑笾铟筮暹超堡复这盔硒 究 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未 加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：拜豸牟 少汐怍铲月坦日 同济大学申请硕士学位论文 第一章火灾损伤铡筋混凝土检测修复技术综述 第一章火灾损伤钢筋混凝土检测修复技术综述 在人类进化和生产力发展的过程中，火产生过巨大的推动作用，然而，火在 燃烧的过程中，离开了为生产和生活服务，就走向了反面，火灾给人类的生命财 产带来了巨大的危害。在现代建筑中大量采用钢筋混凝土结构和钢结构，材料本 身不燃烧，但由于火灾的高温作用，对结构将产生不利影响【l 】：混凝土强度和弹 性模量随温度升高而降低：由于构件内温度梯度作用，可能造成构建开裂，弯曲 变形：钢筋混凝土结构中的钢筋虽然有混凝土保护，但在高温作用下的屈服强度 降低，以致于在初应力下屈服而引起截面破坏：由于混凝土保护层的中性化，钢 筋失去碱性环境的保护，腐蚀速度加快；由于构件热膨胀，可能使相邻构件产生 过大位移，钢材在高温下其温度和弹性模量降低，造成截面破坏或变形过大而失 效、倒塌。即使在火灾中，建筑结构没有失效、倒塌，但肯定要受到损伤，承载 力有不同程度的降低。为了继续使用，需进行修复加固补强。所以，火灾后混凝 土构筑物的修复加固研究具有重大的经济意义和积极的社会意义。 1 1 火灾对钢筋混凝土建筑性能的危害与损伤 1 i i 火灾后混凝土损伤状况 ( 1 ) 表观损伤 火灾混凝土损伤是混凝土缺陷的一种，而与通常的混凝土缺陷不同。一般的 混凝一 ：缺陷是指技术管理不善和施工疏忽，造成结构混凝土内部存在空洞、疏松、 旋工缝，或由于工艺违章、配料错误造成的低强度区；严重的分层离析造成组织 构造的不均匀性1 2 1 0 而火灾造成的混凝土缺陷与以上几种情况有很大不同。呈现 以下特点： a 受损部位疏松，且疏松程度由表及罩。在火灾过程中，混凝土结构表面遭 受高温灼烧，温度梯度从外向内呈递减。混凝土中的砂浆和骨料在一定温度下会 产生不同的物理化学变化。1 0 0 。c 时混凝土内的自由水会以水蒸气形式溢出：2 0 0 3 0 0 c 时c s h 凝胶的层间水和硫铝酸钙酏钍，i ：i 厶l ：z l 水敞失：5 0 0 。c 左右c a ( o h ) 2 受热分解其结合水散失：而到了8 0 0 。c - 9 0 0 c i f j c s h 凝胶已经完全分解，原来 意义卜的砂浆已经不复存在。骨料的变化主要是物理变化，5 7 3 时硅质骨料体 同济大学申请硕士学位论文 f 第一章火火损伽钏筋混凝土检测修复技术综述 积膨胀o 8 5 ：7 0 0 c 时碳酸盐骨料和多孔骨料也有类似损坏，甚至突然爆裂 33 。 b 有纵、横向裂缝产生。裂缝产生有两个原因：在升温和降温过程中膨胀或 收缩不均匀引起：受弯构件在受损后受弯部分变形过大。裂缝的数量和宽度与受 损程度呈正比。其大致状况为：4 0 0 c 5 0 0 c ，表面有裂缝，纵向裂缝少；6 0 0 - - - 7 0 0 ，裂缝多，纵横向裂缝均有，并有斜裂缝产生；大于7 0 0 ，纵、横 向及斜裂缝多且密，受弯构件混凝土裂缝深度可达1 - 5 m m 。 c 表面有爆裂。造成火灾混凝土的爆裂，主要有两个原因：热应力机理和蒸 汽压机理。混凝土在升温和降温过程中或灭火时的急速冷却，都可以使混凝土形 变不均，局部受压或受拉引起爆裂，这就是热应力机理。蒸汽压机理为在混凝土 升温中不断的有自由水、层间水和结合水以水蒸气形式的释放，而混凝土本身是 一个致密的结构，这个特点使得水蒸气散逸出混凝土表面有一定困难，所以当水 蒸气的膨胀应力积累到一定程度后，引起混凝土表面爆裂。 ( 2 ) 火灾对混凝土热工性能的影响 泓凝土的热工性能主要表现为热传导系数、熟膨胀系数、热容以及质量密度 等四个参数1 4 j 。 热传导系数和热膨胀系数是影响混凝土力学性能的主要因素。 泓凝土的热传导系数主要受骨料种类、含水量、混凝土配合比等因素的影响。 随着珏i | l 度的提高，混凝土的热传导系数近似线性减小【5 1 。当温度小于1 0 0 c 时， 混凝：l ：的热传导系数主要受材料含水量的影响，而后随着温度的提高，自由水分 的不断蒸发，其影响越来越小。但在混凝土结构发生火灾后，由于结构变得疏松 多孔，混凝土的热传导系数随着火灾温度t 拘j ：l 高而不断降低。所以，在事故高温 下和承受较高温度辐射的钢筋混凝土结构中，混凝土的热传导系数一般不考虑水 分的拗i p 一阿t 。此外，当混凝土j j n 热到预定温度后降温时，传导系数不仅没有恢复( 增 大) 反而继续减小。 建筑火灾的温度一般都高于4 0 0 c ，在如此高温下，混凝土结构相继地因水 泥水化生成的的氢氧化钙脱水、未水化的水泥颗粒和粗细骨料中的石英成分形成 晶体而j 产生巨大的膨胀，导致混凝土的热膨胀系数急剧增加，同时，混凝土的热 膨胀系数还与试件尺寸、约束条件、含水量以及密封或不密封等环境因素和结构 的应夕j 史有关。 同济人学中请坝i ：学位论义第一章火灾损伤钢筋 g i k 土检测修复技术综述 热容和质量密度也是反应混凝土热工性能的重要因素。 虽然混凝土的热容受其骨料种类、配合比和水分的影响，但在火灾后，这些 因素的影响都都不大。欧洲规范推荐使用下式计算： c o = 9 0 0 0 + 8 0 0 o 一4 0 x ( 叩) 2 2 0 t 1 2 0 0 。c 在火灾过程中，由于水分的蒸发和水化产物的分解，混凝土的质量密度在受 热过程中有所降低。轻骨料混凝土质量密度的减少比一般混凝土的大些，但和混 凝土的总质量相比，还是很小的，因此，在实际计算时都把混凝土的质量密度看 作常数。 ( 2 ) 力学性能损伤 a 抗压强度 混凝土本身的强度、受火温度和火灾持续时间是影响火灾后钢筋混凝土结构 力学性能的三个主要因素6 1 ，而受火温度则是最主要的因素。混凝土结构在经受 火灾后，。首先水分蒸发形成空隙，然后水泥水化形成的氢氧化钙脱水，体积膨胀 足以使裂缝扩展，骨料和砂浆的膨胀系数不等产生较大的内应力，再加上未水化 的水泥颗粒和骨料中的石英成分形成晶体，内部骨料形成裂缝等原因使混凝土抗 压强度下降。混凝土强度在温度低于3 0 0 c 时，损失甚微，有时甚至会稍有提高， 在3 0 0 4 0 0 c 之间降低1 0 - 2 0 ，4 0 0 c 后强度下降很快，试件表面开始出现裂 缝，6 0 0 左右表面裂缝贯通，构件保护层混凝土的粘结力遭到破坏，强度大幅 度下降，8 0 0 9 0 0 强度几乎完全丧失。 下式是高温下混凝土立方体抗压强度与温度之间的回归关系参考式： _ r = 厶 1 + 1 7 ( t 一2 0 ) 6 1 0 卅7 】 2 0 t 1 0 0 0 。c 其中：正。丁：高温下混凝土的立方体抗压强度； l ：常温下( 2 0 c ) 混凝土的立方体抗压强度。 b 抗拉强度 抗拉强度是混凝土在正常使用阶段的重要性能指标之一，其值高低直接影响 构件的j 裂，变形和钢筋锈蚀等性能【7 1 。有试验结果表明，混凝土抗拉强度在6 0 0 之前随温度的提高而线性下降，b r e s l e r 等对能化竹料混凝土的试验结果表明， 在l o o 3 0 0 范围内混凝土的抗拉强度下降缓慢，超过4 0 0 后则剧烈下降， 同济大学申请硕士学位论文 第一章火灾j 员伤制筋混凝土检测修复技术综述 当温度达到6 0 0 。c 时，混凝土的抗拉强度为零。此外由于升温过程中水分的蒸发、 内部微裂缝的形成，高温下混凝土的抗拉强度比抗压强度损失要大l o 1 5 ， 这是混凝土中水泥石的微裂纹扩展的结果。这种情况对钢筋混凝土楼板受拉面的 损伤危害极大，必须引起高度重视。 一般高温下混凝土的抗拉强度可用下式表示： z r - - = ( 1 0 0 0 0 1 t ) x ， 2 0 t 1 0 0 0 c 其中：厶：高温下混凝土的抗拉强度； z ：常温下( 2 0 ) 混凝土的抗拉强度。 c 弹性模量 随着温度的升高，混凝土内凝胶与结晶体脱水，结构松驰、孔隙增多、变形 增加，导致混凝土弹性模量下降【8 1 。 1 1 2 火灾后钢筋损伤状况 钢筋的屈服应变随温度升高的影响不大，高于5 0 0 时，稍有降低，幅度很 小：其屈服强度随温度升高呈下降趋势，小于2 0 0 时不明显，高于2 0 0 时， 强度开始下降，非预应力钢筋在5 5 0 - - - 6 0 0 时，强度下降5 0 左右，预应力钢 筋在高温下，强度下降比非预应力钢筋要快，在4 0 0 左右时，其强度损失达5 0 。在高温冷却后，再加载的钢筋抗拉试验，其o 。，a b 与常温下基本相同【1 。 钢筋经高温作用，由于内部发生了相变，其o 。，g b ，e ，g 曲线均发生了 一定的变化，且加热与冷却方式也影响其相变与物理力学性能。一般热轧钢筋的 a ；，o b 均在6 0 0 以后下降幅度加快，原因为，一方面6 0 0 后，珠光体中的渗 碳体被球化，随温度升高，球化加速，得到的球化组织越粗越软，强度就越低； 另一方面在6 0 0 以上的高温作用下，钢筋表面脱碳形成脱碳层，含碳量下降， 珠光体减少，使强度降低，而冷拨钢丝的g 。，c f b 均在4 0 0 以后下降迅降，原因 主要是在4 0 0 c 以上的高温作用下，产生了回复和再结晶作用，逐渐恢复到冷加 工f j ，j 的状态，导致强度降低。此外，随温度继续升高，也同样存在渗碳体的球化 及表面的脱碳现象【9 l ，使强度进一步降低。 当钢筋埋入混凝土中加热时，受混凝土保护层( 2 0 r a m 厚) 的包裹和约束，表 4 尉济大学申请硕士学位论文 笙二童丝灾损伤钢筋混凝土检测修复技术综述 面氧化脱碳的程度远比裸露钢筋少得多，加之钢筋的热膨胀比混凝土大1 5 倍 【m 】，高温作用下，钢筋将受到混凝土保护层较大的压应力作用，钢筋内部金相 组织与晶体结构的变化将受到一定的抑制，因而，减慢了强度的变化。而冷却方 式对热轧钢筋的强度影响较大，空冷和水冷下的强度都比炉冷下高【1 0 】，这是由 于7 0 0 。c 以上的空冷相当于一个正火过程，钢筋中出现索氏体，故强度有所提高。 对冷拔高强钢丝，空冷与水冷下的强度与炉冷下相比，变化不大，可能是经过拨 制与回火处理过，又加上含碳量较高( 1 0 1 ) ，性能过脆之故。因此，若以裸露 加热和炉冷条件评估钢筋高温作用后的性能，则是偏安全的。 1 1 3 火灾对钢筋混凝土粘结力的影响 火灾后钢筋与混凝土 的粘结力变化取决于温 度、钢筋种类等【l l j 。螺纹 钢筋在3 5 0 左右时与混 凝土的粘结力几乎没有降 低，到4 5 0 左右时约降 低2 5 ，7 0 0 时降低 8 0 ；光圆钢筋与混凝土 譬 - 一 暮 c 丑 蜊 娟 想 勰 温度 的粘结力在高温下比螺纹钢筋 图l l 粘结强度比与温度关系 要降低得多，在1 0 0 c 左右时光圆钢筋与混凝土的粘结力降低约2 5 ，到4 5 0 。c 时则完全丧失粘结力【12 1 ，实验研究还表明【1 3 】，加载火烧后的钢筋混凝土梁火烧 温度达6 0 0 c 以上时，混凝土保护层与钢筋之间的粘结力遭到破坏，纵向钢筋的 梢栓作用亦减少，从而导致梁斜截面破坏。粱总挠度大大增加，不能满足使用要 求。文献 1 1 】中曾做了大量试验并统计出了相应的公式。 另外，火灾对混凝土结构构件耐火时间的损失也是较大的，耐火时间即耐火 极限，是指建筑构件在标准耐火试验中，从受到火的作用时起，到失去稳定性或 完整性或绝热性止，这段抵抗火作用的时间，一般以小时计。它是决定构件再使 用性能的一个因素，尤其对那些构造上依然完好，而其结构构件的耐火时间可能 已降低到了建筑物准则所要求的等级的火灾建筑物。当一个混凝土厚平板 同济人学申请硕士学位论文 箜二兰丝壅塑垡钢筋混凝土检测修复技术综述 ( 1 0 2 r a m 厚，不加筋不加载) 遭受了一个多于3 0 分钟的标准建筑火灾后，板的耐 火时间降低至少2 0 【1 2 1 。 1 1 4 火灾后混凝土结构的损伤分级 综合分析钢筋混凝土结构在火灾中的损伤情况，钢筋混凝土结构火灾后的损 伤程度可以分为以下四个等级： ( 1 ) 一级：属轻度损伤。混凝土经受火烧温度低于4 0 0 c ，表观颜色基本不变， 无爆裂，表层不疏松，无显著裂缝，不需加固，重新装修即可。 ( 2 ) - 级：属中度损伤。混凝土经受火烧温度4 0 0 。c - 5 0 0 c ，混凝土颜色变 为浅红色，基本无爆裂，表层疏松，有可见的裂缝，混凝土强度损失2 0 3 0 ，需一般的加固补强。 ( 3 ) - - - 级：属较严重损伤。混凝土经受温度6 0 0 ( 2 - - 7 0 0 c ，混凝土颜色变为 浅黄色，有明显爆裂，表层疏松脱落，钢筋部分外露，混凝土强度损失5 0 ， 应根据剩余承载力计算结果，进行重点加固补强。 ( 4 ) 四级：属严重损伤。混凝土经受温度大于7 0 0 。c ，混凝土强度损失大于 6 0 ，无修复价值，应予以更换新的构件。 具体到结构的不同部位，可以给出不同损伤等级的详细状况： 表1 1 火灾损伤鉴定分级基准表 襄 状 态 喜霎位 。 等级 变色 爆裂裂纹 拱起、剥落 变形其他 柱 划熏黑 板 烟熏黑 梁 烟熏黑 柱 粉红色 无无 部絮怩 无相当 于一 少许无 无 无 级 少许无 无 无 少许细微的裂缝 粉訾质 无 相当 于二 级 板 黑褐色 钢筋蓄份露 无 无无 ，_ _ 一。一_ 一_ _ l _ 6 同济大学申请硕士学位论文 第二芝! 坚壅i ! ! 堑碉筋混凝土检测修复技术综述 。 熏黑未呈粉端部多数爆表面细微的下端混凝土 不 红色 裂、钢筋可见裂缝浮起、剥落 无 柱淡黄色黼表嚣鬻全钢筋无屈曲 钢筋与混凝 土的握裹力 无衰退 板缵臻慧乒表鬻的粉鬻燃攀 戬未呈粉红色筋l o 外露 裂缝剥落 度 外竺二_ 芝凳袭1 7 梁黼器乒表嚣的粉嚣全癸 柱阍表嚣鬻全繁 板粉红色 表嚣蚴鬻蛐鏊窘凝着荸 梁黼遥嚣弃表鬻的 梁淡黄色 部分主筋外二。一 j 露 实质的挠度 破坏且有数 枝主筋屈曲 1 2 钢筋混凝土结构火灾损伤评估方法进展 火灾混凝土检测已经有近半个世纪的发展历史，随着城市的飞速发展，混凝 土建筑物的迅速增多、日益拥挤，火灾发生的概率大为增加，灾害后的评估检测 工作也显得越来越重要。 1 2 1 传统火灾混凝土检测方法 传统的火灾混凝土检测方法主要包括表观检测、超声波法、回弹法、钻芯法、 锤击法、中性化深度检测4 川5 1 等。 表观检测主要根据火灾混凝土的颜色6 1 、裂缝以及剥落束判定火灾混凝土 的受损等级1 7 1 。一般说来，混凝土表面有黑烟，说明混凝二t 表面温度小于3 0 0 ，混凝土表面呈粉红色，其温度约在3 0 0 - - 6 0 0 c ，表面呈灰白色，其温度为 7 同济大学申请硕士学位论文一第- i 火灾损伤钢筋混凝土检测修复技术综述 6 0 0 - - 9 0 0 c ，混凝土呈淡黄色，其温度大于9 5 0 c 。裂缝一般出现在3 0 0 。c ( 2 小 时) 和4 0 0 c ( 1 小时) 以后，但表面裂缝的出现与混凝土含水率有较大关联，因此 不能作为主要判别依据。剥落一般出现于温度均已在6 0 0 0 以上时，可把剥落出 现作为一个重要评估依据，但剥落的严重程度和混凝土含水率有关，含水率越大， 则遭受同样高温的混凝土的剥落越严重。 超声波回弹综合法在无损检测中得到广泛应用，在火灾混凝土检测中也常 常被采用。使用超声回弹综合法可评估火灾混凝土的强度t 1 8 1 损伤层深度1 9 及受火温度2 2 等，由于火灾混凝土损伤的特殊性和复杂性：表层成为疏松层 并且有裂缝，使得超生和回弹法的检测都失去了根本基础，因此这两种种方法在 实际使用中还存在种种困难。 钻芯法是检测未受损混凝土强度较直接和较精确的方法，但对于火灾混凝 土，有时因为构件太小或破坏严重( 强度低于1 0 m p a ) ，难于获得完整的芯样， 其次，由于火灾混凝土损伤有表及里呈层状分布，所获的芯样很难说具有代表性： 锤击火灾混凝土，发出的声音较普通混凝土来说比较沉闷，但这种方法过于依靠 经验，而且这与锤击的部位有关系，其结果只能作为参考。 中性化深度，即碳化深度。水泥水化后的水泥石p h 值一般为1 2 1 3 ，呈碱 性，当温度达5 0 0 - 6 0 0 c ，混凝土c a ( o h ) 2 分解，混凝土呈中性，故用l 2 无 水酒精酚酞试剂可检查混凝土的碳化深度，根据中性化深度和钢筋混凝土保护层 厚度的比较，可以判断火灾是否对钢筋造成了损伤。 1 2 2 火灾混凝土检测新技术 随着火灾混凝土研究的不断深入，近几年火灾混凝土的检测出现了一些新技 术，主要有刚度损伤检测2 2 3 测磁法3 、温度分布模拟【2 4 1t 2 5 1 、颜色分析 2 6 2 8 、 损伤深度检测2 引、红外热像法3 们c 3 13 、热发光法3 23 和电化学分析法3 5 c 3 6 。 英国伦敦大学的a y n a s s i f 借鉴英国稚里斯托尔大学和伦敦大学曾经研究 的检测碱骨料反应损伤的方法，首先将刚度损伤检测运用于火灾混凝土检测。 刚度损伤检测主要是对芯样在低应力下重复荷找，进行单轴向应力一应变响 应实验。选用的试验参数主要有弦向加载模与 e 。、卸载 呵0 度e 。、损伤指数d i 、 塑性应变p s 、非线性指数n l i 。这些参数刘火灾池凝j ：的破裂程度反映十分灵 8 同济大学申请硕士学位论文 第一章火灾损伤钢筋混凝土检测修复技术综述 敏，弹性模量的减少和塑性应变( p s ) 的增加，在经受过火灾的预应力混凝土 构件中，可反映其预应力损失，损伤指数( d i ) 表明在重复荷载中能量损失，这 个参数与被测物的破碎程度有直接联系，卸载刚度( e u ) 可很容易的区别被测物 的刚度损失是由高的水灰比还是其内部破裂引起的，非线性指数( n l i ) 即曲线 的凹凸程度，与被测物所经受过的高温温度有关联。此法可为火灾混凝土的塑性 性质的改变提供极有价值的信息，并可用于评估火灾后混凝土构件的永久变位。 莫斯科火灾工程高等技术学院的n n b r u s c h l i n s k y 等专家，通过一系列实验 发现，试件的磁性性质在5 0 0 以下不发生任何变化，在5 0 0 1 0 0 0 之间， 材料的磁化强度变化十分显著，有的甚至会超过初始值的1 0 0 倍之多，而4 0 0 - - 5 0 0 的温度范围正是混凝土在火灾中是否受损的温度分界线，因此火灾后测 量混凝土结构的磁性性质的变化，可以很好的反应混凝土建筑的损伤程度。 在火灾混凝土损伤程度评估中，很重要的一个衡量标准就是构件曾经经受过 高温的温度。用数学方法和计算机来模拟火灾过程和构件的在火灾中的温度分 布，是火灾混凝土检测发展的趋势之一。英国兰开夏( l a n c a s h i r e ) 中心大学建 筑环境系的z h a o h u ih u a n g ，在理论热学和混凝土中物质传递等理论的基础上， 用非线性有限元模型来模拟火灾过程中构件的温度分布情况，并且根据他们的研 究成果，设计出了一套专用于模拟火灾混凝土温度分布的程序，浙江大