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        單片防火玻璃耐火機理分析之:玻璃熱炸裂

        2021-04-14 101

            玻璃是人們日常生活中隨處可見的一種材料,因其透明、美觀、高強度等優點被廣泛應用于現代建筑中,近年來我國玻璃相關行業持續繁榮發展,玻璃產量、加工量和使用量也逐年增長。玻璃在門窗、幕墻等領域的應用使其成為建筑最主要的外墻材料之一,作為建筑物中構件的一部分,其力學、熱學以及服役環境下的安全特性尤其受到關注,防火玻璃的概念和應用由此而生。在火災發生時,玻璃雖不是可燃物,但是相比于混凝土和鋼筋結構,其力學性能較為脆弱,在熱載荷作用下非常容易發生破裂和脫落,因此有關防火玻璃的材料、性能和結構研究非常重要,也從未間斷。防火玻璃的基礎材料特性和耐火機理分析更是有助于指導防火玻璃的生產和使用,對提高建筑物防火安全設計的系統性具有特別的參考意義。

        單片防火的概念和種類

        國家標準 GB15763.1《 建筑用安全玻璃一防火玻璃 》將防火玻璃按照結構分為單片防火玻璃( DFB ) 和復合防火玻璃( 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)。單片防火玻璃木質是用特殊材質或工藝進行強化的玻璃,其優點是透光性好、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防范意識的提高,我國建筑設計防火規范和消防驗收檢查制度也逐步完善,防火玻璃的產品體系和設計使用目前正在與發達國家同步接軌。近幾年,國內防火玻璃標準不斷修改完善,產品不斷更新換代,市場對高品質、高穩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合防火玻璃為代表的技術和產品,有效降低了傳統低端防火玻璃的不確定性,提升安全系數和耐火穩定性。

        國標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,復合防火玻璃原片,還可選用單片防火玻璃??梢娺@個定義和范圍是非常寬泛和籠統的,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,任何達到耐火要求的玻璃材料或透明產品均可作為防火玻璃。實際上,直接從窯爐經成型退火得到的玻璃原片或玻璃材料是很少直接應用在生產生活中,所以單片防火玻璃作為加工玻璃產品,尤其是建筑用安全玻璃的一種,除了滿足耐火性能要求外,還應滿足建筑玻璃相應國家標準和規范,例如外觀質量、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品,仍堅持以玻璃材料的成分體系進行劃分,再結合加工工藝進行細分,這也是不同防火玻璃產品差異化的根本所在。

        防火玻璃

        (1)鈉鈣硅系統玻璃

            市場上俗稱的“高強度防火玻璃”、“高應力防火玻璃玻璃”、“銫鉀防火玻璃”、“化學鋼化玻璃”等等,均為鈉鈣硅原片玻璃(最常見的浮法玻璃)通過物理增強或化學增強引入表面壓應力的強化玻璃。此類玻璃是通過在玻璃表面施加預應力層,進而提高其抵抗火災環境下的熱變形和熱炸裂能力。

         

        (2)硼硅酸鹽系統玻璃

            硼硅酸鹽玻璃是以堿硼硅系統經浮法或壓延工藝生產出的原片玻璃,和普通的鈉鈣硅系統玻璃相比,其膨脹系數低、耐冷熱沖擊性能好,可應用于器皿玻璃、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鋼化加工而成,被公認為是一種理想的高穩定性的單片防火玻璃,在歐洲己經得到了多年的推廣應用。隨著防火玻璃需求旺盛,國內硼硅玻璃生產技術和產品突飛猛進。該類型單片防火玻璃應用于高層建筑、公共場所等的防火隔斷,具有透光率高和壽命長的優勢,且隨著國內產能的不斷擴充,當未來價格逐步達到市場普遍接受的程度時,有望成為國內單片防火玻璃的主流產品。

        單片防火玻璃的耐火機理

        玻璃的本征力學性能直接決定著其在火災受熱時的承受能力。理論上,玻璃的抗壓和抗彎強度均是較高的,但是由于實際生產和加工過程中玻璃表面及邊緣大量的細微裂紋,其實際測量值要低得多,在實際工程應用中,出于安全方面的考慮,一般會采用30~50MPa作為普通玻璃和鋼化玻璃的設計抗張強度,即玻璃強度受到尺寸效應尤其是裂紋尺寸效應的影響,且裂紋在持續外力作用下表現為快速擴展。在實際測試中,玻璃的抗彎強度很大程度上受到表面狀態、邊部加工質量、鋼化應力三者綜合因素的影響;進一步,建筑玻璃在使用過程中的持久應力作用、環境中水分及活性介質與玻璃表面反應也會引起疲勞破壞,玻璃表面磨傷和風沙對玻璃表面的磨損均會造成玻璃強度下降。

        在玻璃表面預加壓應力是有效提高抗彎強度的方法,因此目前常用的鈉鈣硅單片防火玻璃均采用了高表面應力的設計,表面壓應力甚至遠大于目前鋼化玻璃標準約定的表面應力大于90MPa 。研究結果也顯示,鋼化應力與抗彎強度測試值有密切關系,在相同玻璃材質和加工條件下,玻璃抗彎強度與鋼化應力符合一次線性方程關系,即隨著鋼化應力提高,抗彎強度增大,對于厚度6~15mm 范圍內玻璃大量離散型數據分析,可得到了極限抗彎強度的包絡線公式:

        σ - 0.826σ鋼化 + 37.826

        但是玻璃的斷裂強度離散性大,抗彎強度的測定與測試條件如加載方式、加載速率、持續時間等密切相關。很多國家往往采用統計分析方法推斷出玻璃的實際應用強度,通常大量玻璃破壞的試驗結果進行統計處理,給出設計安全系數與玻璃失效關系規律。玻璃作為建筑安全玻璃尤其作為防火玻璃應用時,必須考慮綜合載荷影響因素下玻璃強度的安全系數,除應考慮玻璃強度木身離散安全系數K1外,還應考慮在火災受熱情況下各種環境載荷作用下的安全系數K2, 在玻璃幕墻工程技術規范中約定了玻璃幕墻失效概率為0.1% ,其強度離散安全系數K1為2.5。防火玻璃在火災環境受熱失效考核時著火后氣壓變化、燃燒熱點隨機性等因素,如果簡單按照風壓載荷安全系數考慮,防火玻璃的臨界強度設計可參照下表設計。

        表1 綜合載荷作用下玻璃臨界強度的安全系數設計

        防火玻璃

        綜上可知,玻璃的斷裂力學特性已經有較為成熟的研究和共同的認知結論,玻璃材料的組成結構加工決定了其固有的力學特性和力學參數。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力是確定的,在鈉鈣硅玻璃基礎上,通過借用物理、化學強化手段提高玻璃的表面壓應力,通過精細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度,是可行的。

        玻璃受熱破裂分析

        火災中玻璃的破裂主要分為兩個階段,第一個是火源和熱煙氣向玻璃的傳熱過程,另一個是玻璃溫度不均勻產生熱應力導致其破裂和脫落的過程。

        第一個階段的玻璃傳熱是非常復雜的過程,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、玻璃結構的影響。張毅等人論文指出,發生火災時,玻璃暴露表面受到火源和煙氣的熱輻射、熱傳導和熱對流作用,到達較高溫度。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、熱傳導和熱對流作用,導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體,暴露表面的溫度并不會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,當溫度差產生的熱應力達到玻璃表面所能承受的臨界應力時,玻璃表面就會產生裂紋。

        目前所有研究者的實驗結果都統一地認為玻璃表面溫差是玻璃破裂的內在機理,即當溫差產生的熱應力應力大于玻璃的極限抗拉應力時,玻璃就會發生破裂。因此實際應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律和影響因素,對于防火玻璃的應用場景而言,需要考慮火源特征、熱傳導模式、四周遮蔽框式安裝、環境風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,就要求設計單位到產品生產、工程應用企業,必須充分考慮應用場景風險和玻璃性能安全系數,提出可靠的安全設計使用范圍。

        結論

        綜上所述,玻璃在遇火災時的破裂失效機理也是非常清晰的。由于受到玻璃本身破裂隨機性的影響,不同的玻璃種類、加工方式、應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測性難度大大增加,單片防火玻璃火災破裂失效的隨機性風險不可避免。

            從工程應用角度,在滿足建筑防火設計規范和消防驗收的前提下,單片防火玻璃也不能被一般性的對待,僅僅依靠單次試驗或者有限范圍的測試報告是不夠的,應根據工程性質和安全等級需要進行著重考慮。當出現例如超大尺寸、超長耐火時間需求時,工程各方應開展多種形式的技術論證,使用更加穩健的技術產品,使得設計具有本質上的可靠性和重復性,徹底解決風險的可能性和火災中存在的不確定性。

        恒保單片防火玻璃

            選用優質的原片、經特殊的工藝加工后,具有浮法玻璃數倍的強度可以抵擋火焰的沖擊。具有防火、重量輕、強度高、耐候性好、易于加工等特點。因沒有中間發泡層,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;同一厚度產品分:普通型、SV1233、SV1333、SV2133、SV2136、SV2233、SV2236、SV2333、SV2336、SV3133、SV3136等系列;防火時間有30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘;產品通過了國家標準GB15763.1-2009、英標BS476 PART22以及BS EN 1364-1:1999, BS EN1634-1:2008等標準的測試。

        防火玻璃

        文章源自:  防火玻璃

        鶴山市恒保防火玻璃廠有限公司      http://www.stonemillstationapts.com

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