建筑材料和结构性能的检测方法
出处：按学科分类—政治、法律 中国商业出版社《最新单位消防工作实务全书第二卷》第706页（5091字）
(一)混凝土
传统的检测混凝土结构性能的方法是用凿子、取芯机和风钻将变成粉红色的或有缺陷的混凝土面层移掉来对火灾后的混凝土进行评定。在对老混凝土进行评定时，应注意到碳化也可能使混凝土变色。碳化深度可以通过新鲜酚酞溶液试剂来检测，如果混凝土变色深度超过了滴酚酞后的变色深度，则可以判定是由火造成的；如变色深度不超过酚酞变色深度，则说明是碳化造成的。粉红色区域的边界也是温度达到300℃时边界线，下面介绍几种常用的混凝土检测方法。
1．取芯试验
现场检测混凝土强度的直接方法是从结构中取芯，然后进行试验。但从所取的芯样中很难了解强度沿着芯样长度方向的变化情况，因为面层很可能已经被火灾损伤，因此在用取芯方法检测火灾后混凝土强度时应加以注意。各国均有自己的取芯试验方法标准，我国以直径和高均为100mm的试件为标准试件，有关试件的端面平整度、垂直度等要求可参见有关标准。这种方法在高度较高、构件截面呈斜面时很难实施，其主要用来检测重要构件的强度而非混凝土的表面强度。
2．回弹仪测试方法
回弹法主要是通过测定混凝土的表面硬度来确定混凝土的强度，基本原理是：采用一个具有标准质量的撞击锤，沿一导体杆滑动，当撞击杆顶压在混凝土表面上，撞击杆缩进回弹仪圆筒内，带动了撞击锤的控制弹簧，弹簧达到完全被拉伸的状态时，即自动释放，此时撞击锤的作用通过撞击杆来撞击混凝土表面；当撞击锤被弹回后，即带动一个滑标沿着槽孔上的标尺滑动，按压锁钮，即可把滑标固定在标尺上，从而显示出回弹值。回弹值与混凝土强度之间的关系由经验公式表示。回弹试验一般规定有最小的测点数，以减少测试结果的变异性。但回弹试验不适合于遭受火灾后出现剥落的混凝土，因为即使是对于火灾后混凝土的平整表面，也可能由于外壳硬度差异导致测试结果产生较大的变异性。
3．超声波试验
超声波是一种频率超过20kHz的机械波，它在介质中传播时，遇到不同情况，将产生反射、折射、绕射、衰减等现象，相应地超声波传播时的振幅、波形、频率将发生变化。若超声波在一个有限的均质的且各向同性的介质中传播时，则其传播速度v与介质某些性质有如下关系
式中，E是介质的弹性模量；ρ是介质的密度；μ是介质的泊松比。
根据上述公式已经建立了不少表示超声波速度与混凝土强度关系的经验公式，并有很好的相关性，但该方法要求表面有较好的平整性，所以这种方法比较适合于未剥落的混凝土表面，尤其适合于探测格栅形或槽形构件的局部火损伤。超声波脉冲速度法还可以测定混凝土变成粉红色区域的深度。
超声波发送和接收探头通常分别布置在构件的相对两侧，但这对实际使用的墙和楼板来说是相当困难的，因此现场探测中只能将探头放置在一侧，并尽量保持一定的距离，以减小由于实际路径长度变化带来的误差，并可为测定强度和损伤程度的比较提供方便。
4．射钉法
射钉法最早由美国提出，试验时将一枚钢钉射入到混凝土表面，然后测量一下钢钉未射入的长度，并找出它们与混凝土抗压强度的关系。
这种方法快捷、方便而且离散性较小，对水平和竖向构件均适合，而且适合于出现剥落的构件，当然对比较粗糙的表面也要略作处理。这种试验也适合于平整表面和凿开的表面，且适合于探测不同深度混凝土的强度，只要将试验完的混凝土表面凿掉即可。射钉法测定的强度较之其他方法要好一些，如果将试验结果与未损伤的混凝土相比较则可靠性更高。
5．拔出试验
拔出法是把一根螺栓或相类似的装置埋入混凝土试件中，然后从表面拔出，测定其拔出力的大小来评定混凝土的强度，一般分为预埋拔出法和后装拔出法。对火灾后的建筑主要采取后者，它又分为钻孔内裂法和扩孔拔出法。钻孔内裂法首先采用直径为6mm电钻，在混凝土表面上钻一个深度为30～35mm的孔，用吹风机清除孔内粉尘，把一个6mm的楔形胀管锚栓轻轻插入孔内，当胀管到达混凝土表面以下规定深度时停止。经过用开槽靠尺检查和调整锚栓与混凝土表面的垂直度后，再装上张拉千斤顶，进行拉拔试验；扩孔拔出法在丹麦称为Capo试验，意为“切割”和“拔出”试验，基本作法是采用一台便携式钻机，在混凝土表面钻一直径18mm、深45mm的孔，再在孔内25mm深处扩一个25mm直径的环形槽，插入带有胀环的胀管螺栓，即可用张拉设备作拔出试验，直到混凝土出现裂缝时为止。BRE的内裂法属于钻孔内裂法，该法试验结果变异性较大，通过与未损伤混凝土的试验结果相比较，可以改进试验结果的可靠性，但这种方法较射钉法要差。
6．热光试验
该方法主要用于探测受火损伤后的混凝土，是通过检测从混凝土钻取的砂子的残余受热发光量来实现的。在相同温度下，试件受热发光量降低较多，则说明混凝土的强度下降很多。这种方法的优点是制作试件时只需很小的一个洞，并且温度很快就可以确定，但这种方法需要专用设备和技术。
7．碳化试验
碳化深度可通过将新鲜酚酞溶液洒在混凝土上看其是否变色，从而可以确定混凝土的碳化深度。图3－2－62给出了三种不同受火损伤程度混凝土碳化深度与建筑物龄期的关系。
图3－2－62 建成后3～4年失火后混凝土的碳化深度
8．化学分析
化学分析主要是检测硬化水泥浆体中是否残留结合水或混凝土中是否残留氯化物。关于结合水的分析方法最早是由日本提出来的，至今仍在沿用，这种方法是用凿子将每层厚度为1～15cm的混凝土表层凿掉，并将粉末收集起来，在去掉试样中的砂子以后，将水泥粉末放在电炉上加热，从而测定残留结合水的含量，如图3－2－63。从图中的残留结合水含量与温度之间的关系，温度梯度和强度的损失也可以估计出来。
图3－2－63 残留含水量
在火灾过程中含有聚氯乙烯的塑料可能分解出许多氯化物离子，这些氯化物离子对火灾中和火灾后的混凝土均有侵蚀作用。这些氯化物最早存在于混凝土表层的5～10mm深处，但以后很有可能扩散到混凝土的更深部位，并使钢筋产生局部锈蚀。譬如电缆燃烧后，氯化物可能是主要产物。
9．其他试验方法
在各种专业实验室中，还有其他一些方法用于混凝土的试验，如物理分析方法、膨胀试验、重量变化和热反应。在处理这些试验结果时，火灾发展速率、达到高温时的时间等应一并考虑进来。较慢的火灾发展速率允许应力释放，特别是在高温的时候；过高的火灾发展速率将形成温度梯度，从而引起较高的热应力，并加快了面层剥落的现象。通常严重的面层剥落是由于火灾发展速率过高造成的，同时使结构损伤较为严重，但如果过火时间太短也可能给人造成误解。对于预应力混凝土结构，在进行结构检查时一定要仔细，如果发现预应力筋已经因面层剥落而暴露在外面，则说明该预应力筋的抗拉性能已受到严重损伤，此时应将该构件换掉。
(二)钢
1．钢筋试验
首先应根据冶金技术搞清钢的品种和火灾时的热循环，确定钢筋损伤的程度。对于要维修的结构或构件，应先从损伤的构件中取出试样在实验室进行试验，对其屈服强度、拉伸率和极限抗拉强度进行测试，并与未受损的钢进行比较，如果试验结果不能被接受，则应进一步采取措施。
2．硬度法
用于钢的表面硬度法有多种，各有其优缺点，这里介绍一种。通过直径为D的一个带刃丝口，在一定的约束下用力在钢构件的表面产生一个直径为d的印痕，所用力的大小为将标准的销钉剪断的力，显然材料越软产生的印痕的直径越大。通过量测印痕的平均直径，便可以得到Brinell硬度数，根据硬度数便得到了材料近似抗拉强度，硬度数与强度之间的关系见图3－2－64。
图3－2－64 Brinell硬度数与低碳钢抗拉强度之间的近似关系
硬度法还能给出钢的屈服强度的估计值，这对设计者来说是很重要的，特别是对于受火灾影响的钢构件。如果已经知道了钢的抗拉强度，便可以通过屈服强度与抗拉强度之间的比值得到屈服强度。
3．微结构分析
市场上已经有不少便携式的冶金设备可用于钢结构的检测。检测时一般是将约为1cm2的面积磨光成镜面，这可以用便携式设备来完成，并用砂粒粒径为6μm～1μm的金刚砂砂纸磨平，在每个磨光阶段，均要用酒精洗干净，并保证磨光区是平整的，然后用仪器进行检测。在磨光的最后阶段，不管环境如何变化，一定要保证试验面整洁，否则会出现不理想的试验结果。在微结构试验之前，用2%硝酸溶于普通酒精的溶液进行擦洗10s～15s之后让其干燥。
火灾后对钢构件进行微结构检测主要有两个原因：(1)可以辨别构件是锻铁还是钢以及是哪一个等级的；(2)可以通过微结构改变判断是否由于火灾时受热而产生冶金损伤。
4．钢构件试验
在某些情况下，要求检测火灾后钢构件的强度，但将构件取下进行受拉试验也是不切合实际的，除非构件截面因为受火后产生扭曲而必须将其换掉。一般是通过对某个部分进行非破损检测来确定其强度。如果只是钢框架的某个部分扭曲，在多数情况下可以按最小抗拉强度计算这部分截面，并通过减小荷载或补强而继续使用。
检测火灾后钢构件的非破损方法通常有两种，其一是硬度试验，可以确定钢构件在各种火灾后的抗拉强度；另一种方法就是冶金检验，通过对一个试验小区的检测，可以由冶金组分判定出是哪一级钢以及火灾是否对钢的组成产生影响。
(三)结构试验
火灾对整个建筑物的影响，有时不是很直接的，如由于膨胀产生的损伤、过大的扭曲变形等均应考虑进来。在探测前，最好对建筑物的原始情况作一些了解，这对于正确判定火灾持续时间大有益处。检测时要对结构的碳化情况、钢筋腐蚀情况进行量测，并应考虑建筑物的预期寿命以决定是否维修。
进一步的检测是测定建筑物的自振频率，当建筑物遭受较为严重的火灾后，测定自振频率时应对建筑物作补强设计。测量时应将拾震器放置在每层的楼板上，这样就可测定出整个建筑物的振型，在与未损伤建筑物的振型对比，便可以确定建筑物的损伤程度。图3－2－65为日本某建筑物的频率分布情况，这种方法也可以用来检验建筑物的加固效果。
图3－2－65 某建筑物振动频率的测定
(A 坚固；B 正常；C 损伤；D 严重损伤)