单片防火玻璃耐火机理分析之：玻璃热炸裂

       摘要：玻璃是人们日常生活中随处可见的一种材料,因其透明、美观、高强度等优点被广泛应用于现代建筑中,近年来我国玻璃相关行业持续繁荣发展,玻璃产量、加工量和使用量也逐年增长。玻璃在门窗、幕墙等领域的应用使其成为建筑最主要的外增材料之作为建筑物中构件的一部分,其力学、热学以及服役环境下的安全特性尤其受到关注,防火玻璃的概念和应用由此而生。在火灾发生时,玻璃虽不是可燃物,但是相比于混凝土和钢筋结构,其力学性能较为脆弱,在热载荷作用下非常容易发生破裂和落,因此有关防火玻璃的材料以性能和结构研究非常重要,也从未间断。防火玻璃的基础材料特性和耐火机理分析更是有助于指导防火玻璃的生产和使用,对提高建筑物防火安全设计的系统性具有特别的参考意义。

2、单片防火的概念和种类：国家标准GB15763.1《建筑用安全玻璃-防火玻璃》将防火玻璃按照结构分为单片防火玻璃(DFB)和复合防火玻璃(FFB),按照耐火性能分为隔热型防火玻璃(A类)和非隔热型防火玻璃(C类)。单片防火玻璃本质是用特殊材质或工艺进行强化的玻璃,其优点是透光性好、耐候性好、易于加工安装,在耐火性能上属于C类非隔热型防火玻璃,满足耐火完整性的要求。随着建筑安全及火灾防范意识的提高,我国建筑设计防火规范和消防验收检查制度也逐步完善,防火玻璃的产品体系和设计使用目前正在与发达国家同步接轨。近几年,国内防火玻璃标准不断修改完善,产品不断更新换代,市场对高品质、高稳定性的防火玻璃呼声越来越高,以硼硅酸盐单片玻璃和硅酸钾基复合防火玻璃为代表的技术和产品,有效降低了传统低端防火玻璃的不确定性,提升安全系数和耐火稳定性。国标中約定的防玻璃原片可以是镀膜或非饿膜的浮法玻璐、钢化玻璃,复合防火玻璃原片,还可选用单片防火玻璃。可见这个定义和范围是非常宽泛和笼统的,即原片玻璃和加工玻璃都可以作为防火玻璃的材料,理论上,任何达到耐火要求的玻璃材料或透明产品均可作为防火玻璃。实际上,直接从窑炉经成型退火得到的玻璃原片或玻璃材料是很少直接应用在生产生活中,所以单片防火玻璃作为加工玻璃产品,尤其是建筑用安全玻璃的一种,除了满足耐火性能要求外,还应满足建筑玻璃相应i国家标准和规范,例如外观质量、钢化安全性、冲击安全性等。本文为了更清晰的梳理和介绍目前市场上常见的单片防火玻璃产品,仍坚持以玻璃材料的成分体系进行划分,再结合加工工艺进行细分,这也是不同防火玻璃产品差异化的根本所在。(1)钠钙硅系统玻璃市场上俗称的“高强度防火玻璃”“高应力防火玻璃玻璃”、“铯钾防火玻璃”、“化学钢化玻璃”等等,均为钠钙硅原片玻璃(最常见的浮法玻璃)通过物理増强或化学增强引入表面压应力的强化玻璃( Temperedglass// Reinforced glass)。此类玻璃是通过在玻璃表面施加预应力层,进而提高其抵抗水灾境的热变形和热炸裂能但受到加程度、加工水平和尺寸厚度的影响,该类玻璃性能差异较大,具有很大性能离散度和耐火随机性。由于国标并未对此类玻璃作为火玻璃使用时的边界条件进行明确的定义和性能约定,更多是市场和企业行为进行产品指标和质量的把控,因此也成为目前国内应用最多、最为混乱的单片防火玻璃种类,给建筑设计和用户安全带来很多困2)硼硅酸盐系统玻璃硼硅酸盐玻璃是以碱硼硅系统经浮法或床延工艺生产出的原片玻璃,和普通的钠钙硅系统玻璃相比,其膨胀系数低(=4x106K(20-300℃C)、软化点高(800℃)、耐冷热冲击性能好,可应用于器川玻璃、仪器玻璃和防火玻璃。目前市场上的硼硅单片防火玻璃是采用硼硅酸盐原片玻璃经钢化加工而成,被公认为是一种理想的高稳定性的单片防火玻璃,在欧洲已经得到了多年的推广应用。随着防火玻璃需求旺盛,国内硼硅玻璃生产技术和产品突飞猛进,逐渐打破国外技术壁垒,目前有四家企业实现批量化生产,部分产品的质量和规格也达到世界领先水平。该类型单片防火玻璃应用于高层建筑、公共场所等的防火隔断,具有透光率高和寿命长的优染,早两能的不断扩充,当来价逐达到市场普遍接受的程度时,有望成为国内单片防火玻璃的主流产品。(3)其他特种玻璃体系耐热微晶玻璃,主要是指锂铝硅系统透明微晶玻璃,通过控制玻璃成分和晶体析出,可以得到低膨胀或者零膨胀的玻璃材料,使其具有很高的耐热震性,目前主要用于特种光电材料和基板材料,民用领域用于制作明火上加热的炊具和餐具,例如生活中可见的电磁炉、电陶炉面板、建筑真火壁炉玻璃、耐火观察窗等。目前该类型玻璃主要采用压延、磨抛工艺生产成本高,用作建筑单片防火玻璃较少。石英玻璃是二氧化硅单一成分的玻璃,具有相当高的均匀性和透明度,机械强度高、耐热性好,膨胀系数很小,化学稳定性高,因价格昂贵和加工困难,只在一些特殊的耐火窗口中得到应用。其他特种耐火安全玻璃,根椐特殊需要采用其他体系的玻璃材料,通过交全化处理和应用场景匹配性设计,多为定制化应用。3、单片防火玻璃的耐火机理3.1玻璃的断裂力学特性玻璃的本征力学性能直接定着在大受热寸的承受能压,玻璃的抗压和抗弯强度均是较高的,但是由于实际生产和加工过程中玻璃表面及边缘大量的细微裂纹,其实际测量值要低得多,在实际工程应用中,出于安全方面的考虑,一般会采用0~50MPa作为普通玻璃和钢化玻璃的设计抗张强度。这种力学现象在众多研究中都可以由Griffith建立的传统的脆性材料裂纹扩展理论来解释,即玻璃强度受到尺寸效应尤其是裂纹尺寸效应的影响,且裂纹在持续外力作用下表现为快速扩展。在实际测试中,玻璃的抗弯强度很大程度上受到表面状态、边部加工质量、钢化应力三者综合因素的影响,实验结果显示,利用HF酸表面边缘腐蚀抛光、机械抛光、秒轮磨边等不同加工后,抗弯强度从98MPa、78MPa降低到56MPa。另外有研究指出,当裂纹尺寸大于500um时,玻璃断裂应力满足经典断裂力学,裂纹尺寸小于200um时,玻璃断裂特性介于经典力学向强度平稳状态的收敛阶段,但玻璃断裂强度与裂纹的数量和尺寸有密切关系,随着裂纹个数增加和裂纹尺寸加大,强度逐渐減小,衰减可达15%以上。进一步,建筑玻璃在使用过程中的持久应力作用、环境中水分及活性介质与玻璃表面反应也会引起疲劳破坏,玻璃表面磨伤和风沙对玻璃表面的摩均造成玻强度下降。在玻璃表面预加压应力是有效提高抗弯强度的方法,因此自前常用的钠钙硅单片防火玻璃均采用了高表面应力的设计,表面压应力甚至远大于目前钢化玻璃标准约定的表面应力大于90MPa。研究结果也显示,钢化应力与抗弯强度测试值有密切关系,在相同玻璃材质和加工条件下,玻璃抗弯强度与钢化应力符合一次线性方程关系,即随着钢化应力提高,抗弯强度增大,对于厚度6-15mm范围内玻璃大量离散型数据分析,可得到了极限抗弯强度的包络线公式。