基于火灾损伤的钢筋混凝土结构材料性能研究

Research on Material Properties of Reinforced Concrete Structure Based on Damage After Fire

摘要

为了解火灾对钢筋混凝土结构实体材料性能的影响，本文选取经历火灾并喷水灭火后的典型工程实体，将钢筋混凝土结构火灾后的损伤状况分为四个等级，对不同损伤状况下3种直径的HRB400钢筋力学性能、混凝土抗压强度、混凝土表层强度及混凝土中性化情况进行了试验研究，得到不同损伤状况下钢筋和混凝土的材料性能。结果表明：在Ⅳ级损伤区域HRB400钢筋屈服强度和抗拉强度降低明显，其他等级损伤区域未见明显降低现象；Ⅱ级损伤区域表层强度及含受火影响层芯样混凝土抗压强度明显偏低；Ⅰ级损伤区域混凝土的中性化深度与非受火影响区域相比未见明显波动，其他损伤区域随着损伤等级的提高而逐渐增大。

Abstract

To understand the impact of fire on the material properties of reinforced concrete structural entities， this paper selects typical engineering entities that have undergone fire and subsequent water spray extinguishment. The damage conditions of reinforced concrete structures after fire are divided into four levels. Experimental studies are conducted on the mechanical properties of HRB400 steel rebars with three different diameters， the compressive strength of concrete， the surface strength of concrete， and the neutralization of concrete under different damage conditions. The changes in material properties of steel rebars and concrete under different damage conditions are obtained. The results show that in the Level Ⅳ damage area， the yield strength and tensile strength of HRB400 steel rebars decrease significantly， while no significant decrease is observed in other damage levels； in the Level Ⅱ damage area， the surface strength and compressive strength of core concrete samples with fire-affected layers are significantly lower； in the Level Ⅰ damage area， the neutralization depth of concrete does not show significant fluctuations compared to non-fire-affected areas， while it gradually increases with the increase in damage level in other damage areas.

Graphical abstract

关键词

火灾损伤 / 钢筋混凝土结构 / 钢筋力学性能 / 混凝土力学性能

Key words

fire damage / reinforced concrete structure / mechanical properties of reinforcement / mechanical properties of concrete

0 引 言

在现代生产、生活中，建筑火灾时有发生。火灾不但危害人类的生命财产安全，还会对建筑结构产生不利的影响。我国绝大多数的工业与民用建筑采用钢筋混凝土结构，发生火灾后原有结构的混凝土及钢筋材料可能会出现不同程度的损伤。

近年来，国内外专家学者对高温后混凝土及钢筋的性能进行了一定的研究。资伟^［1］完成了多组高温后混凝土试块试验，研究了高温后混凝土剩余抗压强度与受热温度、受热时间的耦合关系。陈海彬等^［2］制作了两种强度等级的试件进行模拟火灾试验，得到不同受火时间、不同冷却方式、不同静置时间和不同强度等级的高温后混凝土试件的抗压强度值。朱俊儒等^［3］制作了C35标准立方体混凝土试块并进行模拟火灾试验，分析了自然冷却和水冷却方式对高温后自密实混凝土试块的表观状态、抗压强度、峰值应力和破坏形态的影响。骆开静等^［4］进行了钢筋混凝土梁的高温试验，研究火灾中不同受火时间钢筋混凝土梁构件宏观方面的变化，总结出不同受火时间对钢筋混凝土梁构件损伤程度的影响。苗生龙、陈宗平、马倩敏、孙传武、吉龙华、郭银河、王连坤、Li等^［5-12］对不同种类混凝土进行了高温后试验，研究了不同冷却方式下混凝土力学性能及试件的损伤特征。公伟等^［13］对HTRB600级钢筋进行了高温后自然冷却拉伸试验，研究了经历高温后钢筋的力学性能。张茂林等^［14］通过试验测试了HRB400钢筋在不同受火温度及喷水、自然和炉内3种方式冷却后钢筋力学性能的变化情况，结果表明：高温后钢筋力学性能变化规律与钢筋的受火温度和冷却方式有关。

目前各学者对混凝土和钢筋二者分别经历高温后的损伤特征及材料性能的研究比较多，而对浇筑成一体的钢筋混凝土结构实体构件的破坏特征和材料性能的研究较少。由于混凝土和钢筋两种材料热膨胀系数不同，高温下会产生较大的界面应力，加速混凝土的破坏；而混凝土保护层会延缓钢筋温度的升高，对钢筋起到保护作用。故相同的火灾工况下，钢筋混凝土构件的破坏特征与纯混凝土构件的破坏特征不完全相同。已有的试验研究大多数是制作试件，设定好一定的工况，在试验室进行各种研究。而现场火灾的发生是偶然的，火灾过程、环境条件、燃烧物特性、灭火方式等影响因素很多，与试验室设定的工况差距很大。因此，有必要对钢筋混凝土结构实体进行深入研究。

虽然火灾过程中有各种各样不确定因素的影响，但最终结构的损伤是确定的，如何根据结构的损伤推断材料性能的变化有着非常重要的实际意义。因此本文从钢筋混凝土实体结构的最终损伤状况出发，对结构的损伤进行分类，对不同损伤状况下混凝土及钢筋材料性能进行研究，为后续的研究和工程应用提供依据。

基于此，本文针对工程中常用的普通混凝土浇筑的钢筋混凝土结构，对经历典型火灾高温并浇水冷却后，构件钢筋与混凝土材料性能的变化情况进行研究。

1 结构概况

本文选取某遭受火灾后具有典型破坏特征的建筑物进行研究。该建筑物主体结构形式为板柱结构，局部区域为框架结构，梁、板、柱构件的混凝土强度设计等级为C30，钢筋采用HRB400，板构件保护层厚度设计值为15 mm，梁、柱构件混凝土保护层厚度设计值为20 mm。该建筑物部分构件表面已抹灰，主体结构浇筑完工1年后局部区域发生火灾，燃烧时间约为3 h，燃烧物主要为木质品、涂料及胶黏剂等，使用了喷水进行灭火。进场采集数据为发生火灾8 d后。

2 外观损伤分级

普通混凝土的火灾损伤机理主要为以下三个方面：①高温下，混凝土表面受火处温度升高比内部快得多，内外温差引起混凝土开裂；高温后，混凝土遇水骤然冷却，混凝土表面温度降低比内部快得多，损伤加剧并产生大量裂缝。②高温下，混凝土中结合水和游离水等汽化逸出，破坏混凝土的微结构；水泥石中水化产物脱水分解，使水泥石内部裂纹增多，胶体的粘结力下降，结构变得疏松多孔，水泥石强度下降；水化产物和未水化矿物在高温下热变形不协调造成开裂增加。③混凝土是由多种材料组成的结构，常温时，水泥石结构密实、晶型完整，界面结构密实、连接结点多、孔隙较少；温度升高后，水化产物脱水、晶体严重变形，并出现孔隙，特别是由于水泥石与粗骨料的热变形不相容，且水泥石在升温及冷却过程中均为收缩变形，而硅质、钙质等骨料为膨胀变形，形成大量界面裂缝，严重削弱界面粘结力，这种状况随温度的升高而逐渐加剧。同时氢氧化钙脱水形成的CaO会吸收空气中的水分而产生体积膨胀，更加剧了混凝土内部结构的破坏，使混凝土强度显著下降。

混凝土结构遭受火灾时，混凝土表面温度迅速升高，火灾产生的热量由于热传导作用不断地向混凝土内部传递。混凝土的热惰性使结构内部形成不均匀的温度场，并随着火灾持续时间的延续而不断地发生变化，因而火灾中混凝土结构内部温度场是一个动态的温度场。混凝土在不同温度下表现出不同的烧损特征^［15］，火灾时温度越高、持续时间越长，构件内部的温度越高，其烧损层越厚，混凝土烧损越严重。因此，可根据火灾后现场混凝土构件的烧损特征、烧损层厚度等推断混凝土表面的最高温度及内部温度场的变化情况。

对于火灾后混凝土构件的外观损伤，不同国家和地区有着不同的损伤分级标准^［16］，但大多是针对整个构件进行评级。由于现场火灾都是在不可预料的情况下发生，不同构件或同一构件不同区域的火灾温度、燃烧时间、灭火条件等都不完全相同，因此火灾后同一构件不同位置的损伤及材料性能也不相同。但根据调查，火灾作用条件相同的同类构件，表面损伤状况也基本一致。本文对不同损伤状况下混凝土及钢筋的材料性能进行研究，首先将构件外观的损伤特征进行分类，主要划分为四个等级，见表1；各等级典型损伤实例如图1所示。

3 钢筋力学性能研究

根据相关研究^［13-16］可知，受火温度和冷却方式对高温后钢筋的力学性能有较大影响。混凝土构件内部距表面距离越大，温度越低。为保证钢筋受火条件的一致性，选取钢筋保护层厚度及冷却方式一致的构件作为一组，进行现场取样。本次试验所选取的构件均采用喷水灭火，冷却方式基本一致。试验中梁柱钢筋保护层厚度为20 mm，板构件钢筋保护层厚度为15 mm，因此将梁柱的钢筋划分为1组，板构件钢筋分为1组。

根据构件表面的损伤状况，在梁柱上截取公称直径为8 mm的钢筋，在板底截取公称直径为12 mm、14 mm的钢筋，钢筋的牌号均为HRB400。所截取钢筋数量见表2，试验结果如图2—图4所示。图中屈服强度降低百分率=（所测钢筋屈服强度/未受火影响区域钢筋屈服强度平均值-1）×100%，抗拉强度降低百分率=（所测钢筋抗拉强度/未受火影响区域钢筋抗拉强度平均值-1）×100%，图中空缺的钢筋表示屈服强度降低0。

根据图2的试验结果可知，Ⅳ级损伤区域直径8 mm钢筋屈服强度及抗拉强度明显降低，屈服强度最大降低29.8%，抗拉强度最大降低17.4%；Ⅲ级损伤区域钢筋抗拉强度略低于未受影响区域钢筋抗拉强度，屈服强度未见明显降低；其他损伤区域钢筋屈服强度及抗拉强度未见明显降低。

根据图3的试验结果可知，Ⅳ级损伤区域直径12 mm钢筋屈服强度及抗拉强度明显降低，屈服强度最大降低13.3%，抗拉强度最大降低10.7%；Ⅲ级损伤区域钢筋屈服强度略低于未受影响区域钢筋强度，抗拉强度未见明显降低；其他损伤区域钢筋屈服强度及抗拉强度未见明显降低。

根据图4的试验结果可知，Ⅳ级损伤区域直径14 mm钢筋屈服强度及抗拉强度明显降低，屈服强度最大降低11.4%，抗拉强度最大降低11.5%；其他损伤区域钢筋屈服强度及抗拉强度未见明显降低。

从以上结果可以看出，Ⅳ级损伤区域钢筋的屈服强度和抗拉强度明显降低，Ⅲ级损伤区域钢筋强度略低于未受影响区域钢筋强度，Ⅰ级、Ⅱ级损伤区域钢筋的屈服强度和抗拉强度未出现明显降低。这是因为只有当钢筋经受一定的高温后再冷却，钢筋内部的微观结构才会产生明显的变化，最终材料中将出现粗颗粒的铁素体——珠光体结构，钢筋的强度相较原来降低很多。本次试验所选取的样本中Ⅳ级区域温度最高，强度出现了明显的降低现象，其他区域温度相对较低，影响较小。从以上结果还可以看出，小直径的钢筋屈服强度和抗拉强度降低得更加明显，主要是由于小直径钢筋截面积较小，对材料微观结构的变化更敏感。

本次试验中，各损伤区域钢筋的断后伸长率均未出现明显降低的情况，对钢筋进行弯曲试验后表面均未产生裂纹。

4 混凝土力学性能研究

大量研究表明^［1-12］，混凝土在高温下及高温冷却后力学性能基本上随温度的升高而降低，混凝土的破坏特征也随着温度的升高逐渐明显。虽然各项研究的试验条件并不完全相同，但总体来说，随着温度升高，混凝土的力学性能及破坏特征的变化趋向一致。因此，本次研究从构件的损伤特征出发，对火灾后的混凝土抗压强度、表层强度以及中性化的情况进行探讨。

4.1　研究方法的选取

目前，各项研究给出了众多高温后混凝土抗压强度的检测方法，但是除了钻芯法是大家公认的方法外，并无其他统一标准。回弹法是一种通过表层硬度间接推定混凝土抗压强度的方法，但《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23—2011）明确规定，该规程不适用于表层与内部质量有明显差异或内部存在缺陷的混凝土抗压强度检测。火灾后的混凝土一般情况下表层和内部质量存在不同程度的差异，因此不能采用JGJ/T 23—2011检测这类混凝土的抗压强度。虽然目前许多研究推导了回弹法检测火灾后混凝土强度的曲线，但目前还未形成统一标准，有待深入研究，因此也不能作为检测的依据。目前回弹法虽然不能用来确定火灾后混凝土构件的抗压强度，但我们可以通过回弹值的大小定性推断不同混凝土表层的相对强度大小。火灾后混凝土的损伤，由表面向内部逐渐变小，损伤越大，强度越低，回弹值也越低。因此可以通过构件表层回弹值大小间接反映构件内部的强度情况。因此本文采用钻芯法对混凝土抗压强度进行研究，采用回弹法对构件表层的相对强度进行研究。

4.2　混凝土抗压强度

根据构件的损伤特征，在Ⅰ级、Ⅱ级损伤区域的板、梁、柱、墙构件上分别钻取长度大于250 mm、直径100 mm的芯样，在试验室制作成100 mm（直径）×100 mm（高度）的芯样，分为含受火影响层芯样和不含受火影响层芯样。为真实了解火灾对混凝土抗压强度的影响，芯样制作时，含受火影响层芯样应进行局部修整，不得整个切除。板、梁、柱、墙构件混凝土抗压强度的检测结果见表3—表6。

根据表3—表6可知，Ⅱ级损伤区域含受火影响层芯样与该区域不含受火影响层芯样及Ⅰ级损伤区域芯样混凝土抗压强度相比，明显偏低。主要原因是火灾时温度较高，较高的温度容易引起混凝土内部水化物发生脱水分解，从而导致强度大幅度下降，混凝土内部骨料和水泥浆体之间由于温差而产生的应力和变形，同样导致混凝土抗压强度降低，温度越高反应越充分，强度越低。Ⅰ级损伤区域含受火影响层芯样与Ⅰ级损伤区域不含受火影响层芯样的混凝土抗压强度基本一致，说明Ⅰ级损伤区域混凝土受火影响不明显。同时也说明，火灾影响的主要是表层的混凝土。

4.3　混凝土表层强度

对构件表层混凝土强度的研究采用如下方法：

参考JGJ/T 23—2011采用回弹仪对构件表面进行回弹，每个构件回弹10个测区，共160个数，每个测区中剔除3个最大值和3个最小值后取平均值。对比各构件回弹平均值，确定构件表层强度的相对大小，研究构件表层强度的变化规律。

（1） 柱构件表层强度

选取Ⅰ级、Ⅱ级及非受影响区域的柱构件，将柱构件由上到下每1/3段划分为1层，共分为3层，对每层混凝土分别进行回弹。

经过对比可知，Ⅰ级损伤区域及非受火影响区域柱构件表层平均回弹值沿竖向未见明显波动，Ⅱ级损伤区域柱构件的表层平均回弹值普遍由下到上逐渐降低。Ⅱ级损伤区域柱构件的表层平均回弹值明显低于Ⅰ级损伤区域，Ⅰ级损伤区域与非受火影响区域柱构件表层平均回弹值未见明显波动。以上表明，在空间上越向上温度越高，混凝土表层的损伤越严重，损伤级别越高，表层的损伤越大。

（2） 板底表层强度

选取Ⅰ级、Ⅱ级及非受影响区域的板构件，对板底表层进行回弹。经过对比可知，与非受火影响区域相比，Ⅰ级损伤区域混凝土的表层平均回弹值未见明显波动，Ⅱ级损伤区域表层平均回弹值明显低于Ⅰ级损伤区域及非受火影响区域。

（3） 板构件混凝土剥落边缘表层强度

在实际工程中，板构件混凝土剥落边缘的混凝土情况，也是我们比较关心的问题。本次试验在板底表层垂直于混凝土剥落边缘布置4条测线，在测线上距剥落边缘由近及远每0.6 m宽度算作一个构件。测线示意图如图5所示，板底表层回弹结果如图6所示。

根据图6可知，板底混凝土剥落边缘外侧混凝土表层的回弹平均值没有明显波动，并未出现随着距混凝土剥落边缘距离变大而逐渐增大的趋势；与非受火影响区域相比，也未出现明显降低的现象，与非受火影响区域相比上下波动一般不超过10%。主要原因是高温下混凝土胶体的破坏以及钢筋与混凝土的热膨胀系数不一致造成较大界面应力，致使钢筋的混凝土保护层的剥落温度比纯混凝土低；随着温度的升高，暴露的钢筋由荷载引起的变形不断加大，会连带钢筋端部受火影响较小的混凝土一起剥落。因此板底混凝土剥落边缘的混凝土受火影响程度已明显变小，表层强度未见明显降低。

4.4　混凝土中性化

一般新浇筑的混凝土呈高碱性（pH12），能使钢筋表面形成致密的钝化膜，阻止钢筋发生锈蚀。正常环境中，由于混凝土中含有毛细孔和水，空气中的酸性气体CO₂不断向混凝土内部扩散，与混凝土中的Ca（OH）₂反应生成CaCO₃和水，混凝土由表及里地出现中性化。当混凝土遭受火灾高温时，Ca（OH）₂发生分解生成CaO和水，混凝土中性化加重。火灾高温过后，混凝土中剩余的Ca（OH）₂及火灾高温下生成的CaO遇水再碱化形成的Ca（OH）₂与CO₂进一步发生反应。当混凝土的中性化深度扩展到钢筋表面，pH9时，钢筋钝化膜开始被破坏，钢筋发生锈蚀^［17］。因此火灾后混凝土的中性化深度指标对混凝土的耐久性非常重要。

采用酚酞滴定的方法进行火灾后混凝土构件中性化深度的检测，检测结果为混凝土高温前的中性化、高温时的中性化及高温后的中性化的总和。但所检测的中性化深度并不能完全代表构件的火灾影响深度，因为在火灾影响深度范围内会残留一部分Ca（OH）₂以及火灾高温下生成的CaO遇水再碱化形成的Ca（OH）₂，火灾的影响深度会比中性化深度的测量结果更大一些。

本次研究选取不同损伤区域的柱、板构件，对其混凝土中性化深度进行检测，检测结果如图7所示。

根据图7可知，与非受火影响区域相比，Ⅰ级损伤区域混凝土中性化深度未见明显波动，Ⅱ级、Ⅲ级及Ⅳ级损伤区域混凝土的中性化深度逐渐增大，主要原因是Ⅰ级损伤区域温度较低，Ca（OH）₂未发生分解，其他损伤区域中Ca（OH）₂由于温度较高已经发生了分解，降低了混凝土的碱性。同时也可看出，损伤级别越高，中性化深度越大。一方面是由于损伤大的区域Ca（OH）₂分解得较充分；另一方面，损伤级别越高，混凝土的裂缝及毛细孔越大，深度也越大，更大程度上促进了火灾后混凝土的中性化进程。虽然在高温后混凝土中会残留一部分CaO，CaO与水结合生成Ca（OH）₂，但是在潮湿的环境下更容易被碳化，因此中性化深度有了进一步的增大。

通过对柱构件中性化深度检测可知，Ⅱ级、Ⅲ级损伤区域柱构件中性化深度上部比下部大，Ⅰ级损伤区域及非受火影响区域并未出现这种趋势，这也反映出Ⅱ级、Ⅲ级损伤区域柱构件上部损伤较下部严重。

5 结 论

本文选取普通混凝土浇筑的钢筋混凝土结构实体，在经历火灾高温并浇水冷却后，对其钢筋力学性能、混凝土抗压强度、混凝土表层强度及混凝土中性化情况进行了试验，研究了结构实体不同损伤状况下钢筋和混凝土材料性能的变化情况，得出的主要结论如下：

（1） 对于实际工程，通过本文确定的构件表面损伤分级，可以在火灾作用条件未知的情况下，较方便地对构件各个部位的损伤情况进行初步判别，为后期的鉴定及加固工作奠定基础。

（2） 对于HRB400钢筋，在Ⅳ级损伤下屈服强度和抗拉强度降低明显，在其他等级损伤的情况下未见明显降低现象；小直径钢筋屈服强度和抗拉强度比较大直径钢筋受火灾的影响更加明显；各级损伤钢筋的断后伸长率均未出现明显降低，进行弯曲试验后钢筋表面均未产生裂纹。

（3） Ⅰ级损伤区域混凝土强度受火影响不明显，Ⅱ级损伤区域含受火影响层芯样混凝土抗压强度与不含受火影响层芯样相比，明显偏低。与非受火影响区域相比，Ⅰ级损伤区域混凝土的表层强度未见明显波动，Ⅱ级损伤区域表层强度明显降低；对于Ⅱ级损伤区域的竖向构件，从下到上表层强度逐渐降低；板底混凝土剥落边缘外侧的混凝土表层强度波动不明显。

（4） 与非受火影响区域相比，Ⅰ级损伤区域混凝土的中性化深度未见明显波动，其他损伤区域随着损伤等级的提高而逐渐增大。

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