單片防火玻璃耐火機(jī)理分析之：玻璃熱炸裂
玻璃是人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的一種材料，因其透明、美觀、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，近年來我國玻璃相關(guān)行業(yè)持續(xù)繁榮發(fā)展，玻璃產(chǎn)量、加工量和使用量也逐年增長。玻璃在門窗、幕墻等領(lǐng)域的應(yīng)用使其成為建筑最主要的外墻材料之一，作為建筑物中構(gòu)件的一部分，其力學(xué)、熱學(xué)以及服役環(huán)境下的安全特性尤其受到關(guān)注，防火玻璃的概念和應(yīng)用由此而生。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，玻璃雖不是可燃物，但是相比于混凝土和鋼筋結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能較為脆弱，在熱載荷作用下非常容易發(fā)生破裂和脫落，因此有關(guān)防火玻璃的材料、性能和結(jié)構(gòu)研究非常重要，也從未間斷。防火玻璃的基礎(chǔ)材料特性和耐火機(jī)理分析更是有助于指導(dǎo)防火玻璃的生產(chǎn)和使用，對提高建筑物防火安全設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性具有特別的參考意義。
單片防火的概念和種類
國家標(biāo)準(zhǔn) GB15763.1《 建筑用安全玻璃一防火玻璃 》將防火玻璃按照結(jié)構(gòu)分為單片防火玻璃（ DFB ) 和復(fù)合防火玻璃（ FFB ) ，按照耐火性能分為隔熱型防火玻璃（A類）和非隔熱型防火玻璃（C類）。單片防火玻璃木質(zhì)是用特殊材質(zhì)或工藝進(jìn)行強(qiáng)化的玻璃，其優(yōu)點(diǎn)是透光性好、耐候性好、易于加工安裝，在耐火性能上屬于C類非隔熱型防火玻璃，滿足耐火完整性的要求。隨著建筑安全及火災(zāi)防范意識(shí)的提高，我國建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范和消防驗(yàn)收檢查制度也逐步完善，防火玻璃的產(chǎn)品體系和設(shè)計(jì)使用目前正在與發(fā)達(dá)國家同步接軌。近幾年，國內(nèi)防火玻璃標(biāo)準(zhǔn)不斷修改完善，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，市場對高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的防火玻璃呼聲越來越高，以硼硅酸鹽單片玻璃和硅酸鉀基復(fù)合防火玻璃為代表的技術(shù)和產(chǎn)品，有效降低了傳統(tǒng)低端防火玻璃的不確定性，提升安全系數(shù)和耐火穩(wěn)定性。
國標(biāo)中約定的防火玻璃原片可以是鍍膜或非鍍膜的浮法玻璃、鋼化玻璃，復(fù)合防火玻璃原片，還可選用單片防火玻璃。可見這個(gè)定義和范圍是非常寬泛和籠統(tǒng)的，即原片玻璃和加工玻璃都可以作為防火玻璃的材料，理論上，任何達(dá)到耐火要求的玻璃材料或透明產(chǎn)品均可作為防火玻璃。實(shí)際上，直接從窯爐經(jīng)成型退火得到的玻璃原片或玻璃材料是很少直接應(yīng)用在生產(chǎn)生活中，所以單片防火玻璃作為加工玻璃產(chǎn)品，尤其是建筑用安全玻璃的一種，除了滿足耐火性能要求外，還應(yīng)滿足建筑玻璃相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，例如外觀質(zhì)量、鋼化安全性、沖山安全性等。
本文為了更清晰的梳理和介紹目前市場上常見的單片防火玻璃產(chǎn)品，仍堅(jiān)持以玻璃材料的成分體系進(jìn)行劃分，再結(jié)合加工工藝進(jìn)行細(xì)分，這也是不同防火玻璃產(chǎn)品差異化的根本所在。
(1）鈉鈣硅系統(tǒng)玻璃
市場上俗稱的“高強(qiáng)度防火玻璃”、“高應(yīng)力防火玻璃玻璃”、“銫鉀防火玻璃”、“化學(xué)鋼化玻璃”等等，均為鈉鈣硅原片玻璃（最常見的浮法玻璃）通過物理增強(qiáng)或化學(xué)增強(qiáng)引入表面壓應(yīng)力的強(qiáng)化玻璃。此類玻璃是通過在玻璃表面施加預(yù)應(yīng)力層，進(jìn)而提高其抵抗火災(zāi)環(huán)境下的熱變形和熱炸裂能力。
(2）硼硅酸鹽系統(tǒng)玻璃
硼硅酸鹽玻璃是以堿硼硅系統(tǒng)經(jīng)浮法或壓延工藝生產(chǎn)出的原片玻璃，和普通的鈉鈣硅系統(tǒng)玻璃相比，其膨脹系數(shù)低、耐冷熱沖擊性能好，可應(yīng)用于器皿玻璃、儀器玻璃和防火玻璃。目前市場上的硼硅單片防火玻璃是采用硼硅酸鹽原片玻璃經(jīng)鋼化加工而成，被公認(rèn)為是一種理想的高穩(wěn)定性的單片防火玻璃，在歐洲己經(jīng)得到了多年的推廣應(yīng)用。隨著防火玻璃需求旺盛，國內(nèi)硼硅玻璃生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品突飛猛進(jìn)。該類型單片防火玻璃應(yīng)用于高層建筑、公共場所等的防火隔斷，具有透光率高和壽命長的優(yōu)勢，且隨著國內(nèi)產(chǎn)能的不斷擴(kuò)充，當(dāng)未來價(jià)格逐步達(dá)到市場普遍接受的程度時(shí)，有望成為國內(nèi)單片防火玻璃的主流產(chǎn)品。
單片防火玻璃的耐火機(jī)理
玻璃的本征力學(xué)性能直接決定著其在火災(zāi)受熱時(shí)的承受能力。理論上，玻璃的抗壓和抗彎強(qiáng)度均是較高的，但是由于實(shí)際生產(chǎn)和加工過程中玻璃表面及邊緣大量的細(xì)微裂紋，其實(shí)際測量值要低得多，在實(shí)際工程應(yīng)用中，出于安全方面的考慮，一般會(huì)采用30~50MPa作為普通玻璃和鋼化玻璃的設(shè)計(jì)抗張強(qiáng)度，即玻璃強(qiáng)度受到尺寸效應(yīng)尤其是裂紋尺寸效應(yīng)的影響，且裂紋在持續(xù)外力作用下表現(xiàn)為快速擴(kuò)展。在實(shí)際測試中，玻璃的抗彎強(qiáng)度很大程度上受到表面狀態(tài)、邊部加工質(zhì)量、鋼化應(yīng)力三者綜合因素的影響；進(jìn)一步，建筑玻璃在使用過程中的持久應(yīng)力作用、環(huán)境中水分及活性介質(zhì)與玻璃表面反應(yīng)也會(huì)引起疲勞破壞，玻璃表面磨傷和風(fēng)沙對玻璃表面的磨損均會(huì)造成玻璃強(qiáng)度下降。
在玻璃表面預(yù)加壓應(yīng)力是有效提高抗彎強(qiáng)度的方法，因此目前常用的鈉鈣硅單片防火玻璃均采用了高表面應(yīng)力的設(shè)計(jì)，表面壓應(yīng)力甚至遠(yuǎn)大于目前鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)約定的表面應(yīng)力大于90MPa 。研究結(jié)果也顯示，鋼化應(yīng)力與抗彎強(qiáng)度測試值有密切關(guān)系，在相同玻璃材質(zhì)和加工條件下，玻璃抗彎強(qiáng)度與鋼化應(yīng)力符合一次線性方程關(guān)系，即隨著鋼化應(yīng)力提高，抗彎強(qiáng)度增大，對于厚度6~15mm 范圍內(nèi)玻璃大量離散型數(shù)據(jù)分析，可得到了極限抗彎強(qiáng)度的包絡(luò)線公式：
σ - 0.826σ鋼化 + 37.826
但是玻璃的斷裂強(qiáng)度離散性大，抗彎強(qiáng)度的測定與測試條件如加載方式、加載速率、持續(xù)時(shí)間等密切相關(guān)。很多國家往往采用統(tǒng)計(jì)分析方法推斷出玻璃的實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)度，通常大量玻璃破壞的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，給出設(shè)計(jì)安全系數(shù)與玻璃失效關(guān)系規(guī)律。玻璃作為建筑安全玻璃尤其作為防火玻璃應(yīng)用時(shí)，必須考慮綜合載荷影響因素下玻璃強(qiáng)度的安全系數(shù)，除應(yīng)考慮玻璃強(qiáng)度木身離散安全系數(shù)K1外，還應(yīng)考慮在火災(zāi)受熱情況下各種環(huán)境載荷作用下的安全系數(shù)K2, 在玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范中約定了玻璃幕墻失效概率為0.1% ，其強(qiáng)度離散安全系數(shù)K1為2.5。防火玻璃在火災(zāi)環(huán)境受熱失效考核時(shí)著火后氣壓變化、燃燒熱點(diǎn)隨機(jī)性等因素，如果簡單按照風(fēng)壓載荷安全系數(shù)考慮，防火玻璃的臨界強(qiáng)度設(shè)計(jì)可參照下表設(shè)計(jì)。
表1 綜合載荷作用下玻璃臨界強(qiáng)度的安全系數(shù)設(shè)計(jì)
綜上可知，玻璃的斷裂力學(xué)特性已經(jīng)有較為成熟的研究和共同的認(rèn)知結(jié)論，玻璃材料的組成結(jié)構(gòu)加工決定了其固有的力學(xué)特性和力學(xué)參數(shù)。因此，不同類型、不同厚度的單片防火玻璃所承受的耐火臨界破裂應(yīng)力是確定的，在鈉鈣硅玻璃基礎(chǔ)上，通過借用物理、化學(xué)強(qiáng)化手段提高玻璃的表面壓應(yīng)力，通過精細(xì)加工改善玻璃表面和邊緣微觀裂紋，提高其在一定尺度范圍和耐火條件下的臨界破壞強(qiáng)度，是可行的。
玻璃受熱破裂分析
火災(zāi)中玻璃的破裂主要分為兩個(gè)階段，第一個(gè)是火源和熱煙氣向玻璃的傳熱過程，另一個(gè)是玻璃溫度不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致其破裂和脫落的過程。
第一個(gè)階段的玻璃傳熱是非常復(fù)雜的過程，涉及到一維、二維和厚度方向上三維的溫度分布，主要是輻射造成的分布和對流傳到的雙重影響，還有玻璃材質(zhì)、玻璃結(jié)構(gòu)的影響。張毅等人論文指出，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，玻璃暴露表面受到火源和煙氣的熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對流作用，到達(dá)較高溫度。而玻璃被邊框遮蔽的表面不能直接受到火源和煙氣的熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對流作用，導(dǎo)致遮蔽表面溫度較暴露表面溫度低。由于玻璃是熱的不良導(dǎo)體，暴露表面的溫度并不會(huì)很快傳遞到遮蔽表面和玻璃背火面。隨著火源熱釋放速率的不斷提高，玻璃暴露表面與遮蔽表面、玻璃向火面與背火面之間的溫度差不斷增大，當(dāng)溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力達(dá)到玻璃表面所能承受的臨界應(yīng)力時(shí)，玻璃表面就會(huì)產(chǎn)生裂紋。
目前所有研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都統(tǒng)一地認(rèn)為玻璃表面溫差是玻璃破裂的內(nèi)在機(jī)理，即當(dāng)溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力應(yīng)力大于玻璃的極限抗拉應(yīng)力時(shí)，玻璃就會(huì)發(fā)生破裂。因此實(shí)際應(yīng)用中分析研究玻璃的熱炸裂問題，主要是分析玻璃溫度分布的規(guī)律和影響因素，對于防火玻璃的應(yīng)用場景而言，需要考慮火源特征、熱傳導(dǎo)模式、四周遮蔽框式安裝、環(huán)境風(fēng)壓等綜合因素的影響。
綜上，如此之多的玻璃破裂影響因素，針對單片防火玻璃的使用，就要求設(shè)計(jì)單位到產(chǎn)品生產(chǎn)、工程應(yīng)用企業(yè)，必須充分考慮應(yīng)用場景風(fēng)險(xiǎn)和玻璃性能安全系數(shù)，提出可靠的安全設(shè)計(jì)使用范圍。
結(jié)論
綜上所述，玻璃在遇火災(zāi)時(shí)的破裂失效機(jī)理也是非常清晰的。由于受到玻璃本身破裂隨機(jī)性的影響，不同的玻璃種類、加工方式、應(yīng)用場景的綜合條件下，使得目前單片防火玻璃臨界破裂的可預(yù)測性難度大大增加，單片防火玻璃火災(zāi)破裂失效的隨機(jī)性風(fēng)險(xiǎn)不可避免。
從工程應(yīng)用角度，在滿足建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范和消防驗(yàn)收的前提下，單片防火玻璃也不能被一般性的對待，僅僅依靠單次試驗(yàn)或者有限范圍的測試報(bào)告是不夠的，應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)和安全等級需要進(jìn)行著重考慮。當(dāng)出現(xiàn)例如超大尺寸、超長耐火時(shí)間需求時(shí)，工程各方應(yīng)開展多種形式的技術(shù)論證，使用更加穩(wěn)健的技術(shù)產(chǎn)品，使得設(shè)計(jì)具有本質(zhì)上的可靠性和重復(fù)性，徹底解決風(fēng)險(xiǎn)的可能性和火災(zāi)中存在的不確定性。
恒保單片防火玻璃
選用優(yōu)質(zhì)的原片、經(jīng)特殊的工藝加工后，具有浮法玻璃數(shù)倍的強(qiáng)度可以抵擋火焰的沖擊。具有防火、重量輕、強(qiáng)度高、耐候性好、易于加工等特點(diǎn)。因沒有中間發(fā)泡層，僅防火沒有隔熱功能。
恒保單片防火玻璃有5、6、8、10、12、15、19mm等厚度；同一厚度產(chǎn)品分：普通型、SV1233、SV1333、SV2133、SV2136、SV2233、SV2236、SV2333、SV2336、SV3133、SV3136等系列；防火時(shí)間有30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘；產(chǎn)品通過了國家標(biāo)準(zhǔn)GB15763.1-2009、英標(biāo)BS476 PART22以及BS EN 1364-1:1999， BS EN1634-1:2008等標(biāo)準(zhǔn)的測試。
文章源自： 防火玻璃
鶴山市恒保防火玻璃廠有限公司 http://m.anpinghuaan.com.cn