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單片防火玻璃耐火機理分析之:玻璃熱炸裂

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       摘要: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增材料之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落,因此有關防火玻璃的材料以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。

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2、單片防火的概念和種類:國家標準GB15763.1《建筑用安全玻璃-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)。單片防火玻璃本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。國標中約定的防玻璃原片可以是鍍膜或非餓膜的浮法玻璐、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i國家標準和規范,例如外觀質量、鋼化安全性、沖擊安全性等。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。(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)通過物理増強或化學增強引入表面壓應力的強化玻璃( Temperedglass// Reinforced glass)。此類玻璃是通過在玻璃表面施加預應力層,進而提高其抵抗水災境的熱變形和熱炸裂能但受到加程度、加工水平和尺寸厚度的影響,該類玻璃性能差異較大,具有很大性能離散度和耐火隨機性。由于國標并未對此類玻璃作為火玻璃使用時的邊界條件進行明確的定義和性能約定,更多是市場和企業行為進行產品指標和質量的把控,因此也成為目前國內應用最多、最為混亂的單片防火玻璃種類,給建筑設計和用戶安全帶來很多困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床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(=4x106K(20-300℃C)、軟化點高(800℃)、耐冷熱沖擊性能好,可應用于器川玻璃、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,在歐洲已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,逐漸打破國外技術壁壘,目前有四家企業實現批量化生產,部分產品的質量和規格也達到世界領先水平。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染,早兩能的不斷擴充,當來價逐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。(3)其他特種玻璃體系耐熱微晶玻璃,主要是指鋰鋁硅系統透明微晶玻璃,通過控制玻璃成分和晶體析出,可以得到低膨脹或者零膨脹的玻璃材料,使其具有很高的耐熱震性,目前主要用于特種光電材料和基板材料,民用領域用于制作明火上加熱的炊具和餐具,例如生活中可見的電磁爐、電陶爐面板、建筑真火壁爐玻璃、耐火觀察窗等。目前該類型玻璃主要采用壓延、磨拋工藝生產成本高,用作建筑單片防火玻璃較少。石英玻璃是二氧化硅單一成分的玻璃,具有相當高的均勻性和透明度,機械強度高、耐熱性好,膨脹系數很小,化學穩定性高,因價格昂貴和加工困難,只在一些特殊的耐火窗口中得到應用。其他特種耐火安全玻璃,根椐特殊需要采用其他體系的玻璃材料,通過交全化處理和應用場景匹配性設計,多為定制化應用。3、單片防火玻璃的耐火機理3.1玻璃的斷裂力學特性玻璃的本征力學性能直接定著在大受熱寸的承受能壓,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0~50MPa作為普通玻璃和鋼化玻璃的設計抗張強度。這種力學現象在眾多研究中都可以由Griffith建立的傳統的脆性材料裂紋擴展理論來解釋,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,實驗結果顯示,利用HF酸表面邊緣腐蝕拋光、機械拋光、秒輪磨邊等不同加工后,抗彎強度從98MPa、78MPa降低到56MPa。另外有研究指出,當裂紋尺寸大于500um時,玻璃斷裂應力滿足經典斷裂力學,裂紋尺寸小于200um時,玻璃斷裂特性介于經典力學向強度平穩狀態的收斂階段,但玻璃斷裂強度與裂紋的數量和尺寸有密切關系,隨著裂紋個數增加和裂紋尺寸加大,強度逐漸減小,衰減可達15%以上。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摩均造成玻強度下降。在玻璃表面預加壓應力是有效提高抗彎強度的方法,因此自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。

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