李浩

山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院（250102）

全封閉燃?xì)庾詣?dòng)加熱爐條件下單片防火玻璃的不合格現(xiàn)象研究

李浩

山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院（250102）

這里簡(jiǎn)要介紹了防火玻璃的分類(lèi)以及加工方法，著重介紹了全封閉燃?xì)庾詣?dòng)加熱爐耐火試驗(yàn)方法以及對(duì)單片防火玻璃的兩種不合格現(xiàn)象分析。鋼化工藝以及玻璃選材不當(dāng)均會(huì)對(duì)防火玻璃的性能產(chǎn)生不利影響，應(yīng)選擇合適的原片玻璃以及更合理的鋼化工藝以提高防火玻璃的安全性和耐火性。

防火玻璃；耐火性能；失效分析

0 引言

防火玻璃是建筑防火工程的重要材料之一,它除了具有防火、采光的功能,還有控制光線、調(diào)節(jié)能量、節(jié)約采暖和控制噪聲、降低建筑結(jié)構(gòu)自重以及防輻射、防爆等特殊用途[1]。隨著防火玻璃越來(lái)越多地應(yīng)用于現(xiàn)代復(fù)雜大型建筑中，如幕墻、防火隔墻、防火隔斷、防火窗、帶玻璃防火門(mén)等，工程中對(duì)防火玻璃耐火性能要求也越來(lái)越高。

建筑用防火玻璃可分為復(fù)合防火玻璃和單片防火玻璃。復(fù)合隔熱型防火玻璃通常由兩層或多層玻璃原片附之一層或多層無(wú)機(jī)防火膠夾層復(fù)合而成?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)復(fù)合防火玻璃向火面玻璃破碎，但其防火膠夾層發(fā)泡膨脹形成防火膠版，既可有效地阻隔高溫又可隔絕火焰、煙霧及有毒氣體。單片防火玻璃僅由一層防火玻璃構(gòu)成，通透性好，質(zhì)量輕，故廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中。雖然單片防火玻璃在一定耐火時(shí)間內(nèi)可阻斷火焰和煙氣的蔓延，但其受熱時(shí)具有高輻射照度，可能會(huì)影響背火面的環(huán)境溫度，進(jìn)而引燃可燃物[2]，所以單片防火玻璃的應(yīng)用也受到了一定限制。

為了更好的研究火災(zāi)條件下單片防火玻璃的破裂行為，本文依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)同一廠家生產(chǎn)的兩種不同厚度的單片防火玻璃進(jìn)行耐火試驗(yàn)，以為防火玻璃性能改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 防火玻璃耐火性能測(cè)試平臺(tái)

文章根據(jù)建筑材料防火試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[3-5]，對(duì)防火玻璃的耐熱性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)所用防火玻璃耐火性能測(cè)試平臺(tái)由燃燒加熱爐爐體、燃?xì)庀到y(tǒng)、送排風(fēng)系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)組成。整個(gè)爐體采用全封閉結(jié)構(gòu)，使用液化石油氣作燃料，明火加熱，燃?xì)夤┙o、送排風(fēng)、燃燒試驗(yàn)全過(guò)程可自動(dòng)控制也可手動(dòng)控制加熱爐工作系統(tǒng)各部分，如圖1所示。

測(cè)試平臺(tái)的燃燒系統(tǒng)由全封閉燃?xì)庾詣?dòng)加熱爐及其控制臺(tái)、燃?xì)夤?yīng)室和燃?xì)廨斔凸艿澜M成。試驗(yàn)中采用燃?xì)馊紵椒M實(shí)際火災(zāi)情況。在燃燒爐左、右、后三面爐墻上分別設(shè)燃?xì)膺M(jìn)氣口和點(diǎn)火器,由燃燒爐試驗(yàn)車(chē)間外燃?xì)夤?yīng)室提供燃?xì)?。爐內(nèi)溫度測(cè)試應(yīng)采用絲徑為0.75~2.30 mm的鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶，外罩耐熱不銹鋼管套或耐熱瓷套管，中間填裝耐熱材料，如圖2所示。所有熱電偶的熱端均勻分布在距試件受火面（100±10）mm的垂直平面內(nèi)。同時(shí)，燃燒爐一側(cè)爐墻上設(shè)有監(jiān)控裝置，用以觀察爐內(nèi)燃?xì)馊紵闆r。

圖1 防火玻璃耐火性能測(cè)試平臺(tái)實(shí)景圖

圖2 鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

2 防火玻璃耐火性能試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 防火玻璃耐火性能試驗(yàn)

進(jìn)行耐火試驗(yàn)前，防火玻璃安裝在加熱爐位于集煙罩正下方的爐墻上，爐墻以耐火磚填充，防火玻璃與耐火磚之間的縫隙由耐火棉封堵，如圖3所示。同時(shí)，接通控制臺(tái)等設(shè)備電源，打開(kāi)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行錄像。

圖3 防火玻璃耐火試驗(yàn)實(shí)景

耐火性能測(cè)試開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)燃?xì)?、鼓風(fēng)、引風(fēng)開(kāi)關(guān)，進(jìn)行點(diǎn)火。試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，隨時(shí)注意爐內(nèi)溫度及樣品試驗(yàn)情況。爐內(nèi)溫度點(diǎn)由控制臺(tái)電腦自動(dòng)記錄，并在試驗(yàn)結(jié)束后形成曲線。

文章中采用樣品為單片防火玻璃。由于試驗(yàn)所用樣品為非隔熱型防火玻璃，故僅對(duì)樣品完整性進(jìn)行觀測(cè)，不記錄樣品背火面溫度變化。

2.2 防火玻璃耐火性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 防火玻璃耐火性能試驗(yàn)結(jié)果

耐火性能試驗(yàn)中主要記錄了爐內(nèi)溫度變化以及樣品隨時(shí)間和溫度變化所呈現(xiàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象。圖4為試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)樣品的狀況:

圖4耐火試驗(yàn)開(kāi)始前樣品狀況

圖4 中可以看出兩塊防火玻璃樣品分別以同樣鑲嵌方式嵌入防火墻體進(jìn)行耐火試驗(yàn)。由于兩塊玻璃的耐火時(shí)間期望值均為90 min，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為91 min。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，爐內(nèi)溫度曲線繪制開(kāi)始溫度點(diǎn)在329℃左右。試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，樣品一逐漸出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，直至最后玻璃上方軟化坍塌導(dǎo)致支撐框與玻璃間出現(xiàn)大面積脫落，火焰從軟化形成的開(kāi)口噴出，樣品一失去了耐火完整性，具體情況如圖5所示。

在試驗(yàn)過(guò)程中，樣品二并未出現(xiàn)明顯軟化坍塌。但在試驗(yàn)進(jìn)行到4 min時(shí)，樣品二突然發(fā)生破裂并伴隨較大聲響。圖6為耐火試驗(yàn)結(jié)束時(shí)防火玻璃樣品二的情況。圖中可以看出，破裂后的樣品出現(xiàn)巨大出火口，火焰可從中冒出，樣品二的碎片顆粒細(xì)小均勻，無(wú)大塊碎片和銳角。這種類(lèi)型的破裂形式為典型的鋼化玻璃破碎形式。

圖6 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)防火玻璃樣品二的失效情況

試驗(yàn)中的爐溫變化情況符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。12 mm厚防火玻璃在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)軟化坍塌，導(dǎo)致玻璃失效試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，爐溫曲線出現(xiàn)一定程度的下降。從圖7a中的爐溫曲線可以看出，防火玻璃樣品一在78 min失效時(shí)，爐溫從918℃降至903℃。這是因?yàn)椴ＡМa(chǎn)生的縫隙使?fàn)t內(nèi)熱空氣與爐外冷空氣產(chǎn)生對(duì)流所致。從圖5中也可以看出，玻璃軟化產(chǎn)生的間隙使?fàn)t內(nèi)火焰向外傳播，防火玻璃阻擋火焰及煙氣的功能喪失。樣品二在試驗(yàn)開(kāi)始4 min后破碎，此時(shí)溫度并未升到500℃，如圖7b所示。

2.2.2 防火玻璃耐火性能試驗(yàn)結(jié)果分析

樣品一和樣品二的試驗(yàn)情況呈現(xiàn)了兩種典型的防火玻璃失效形式:軟化坍塌和破碎。試驗(yàn)所用單片防火玻璃為浮法玻璃鋼化而成。無(wú)論是物理鋼化還是化學(xué)鋼化,其目的都是在玻璃表面形成壓應(yīng)力，以提高玻璃的抗沖擊強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，通常鋼化玻璃的抗沖擊強(qiáng)度是普通退火玻璃的3~5倍，抗彎強(qiáng)度是普通退火玻璃的2~3倍[6]，因而鋼化玻璃的安全性與耐火性比普通玻璃要強(qiáng)得多。

圖7 防火玻璃耐火試驗(yàn)爐溫平均值曲線

樣品一在試驗(yàn)開(kāi)始78 min時(shí)發(fā)生軟化坍塌，導(dǎo)致失去耐火完整性。普通浮法玻璃的軟化溫度在650℃左右，由于經(jīng)過(guò)處理，鋼化玻璃的軟化溫度比普通浮法玻璃有很大提高。理論計(jì)算表明，對(duì)于高強(qiáng)鋼化玻璃，當(dāng)邊緣與中心的溫度差達(dá)到1 000℃時(shí)玻璃才會(huì)軟化坍塌[7]。而在溫度僅達(dá)到918℃時(shí)樣品一已出現(xiàn)大范圍軟化坍塌，火焰從開(kāi)口處噴出，玻璃失去耐火完整性。理論上說(shuō)，高強(qiáng)鋼化玻璃在因熱沖擊而破裂之前會(huì)因溫度過(guò)高而軟化。樣品一即為此情況。雖然表面壓應(yīng)力能抵御熱沖擊，但是78 min時(shí)的溫度已超過(guò)樣品一的軟化溫度，所以樣品一出現(xiàn)大面積軟化坍塌而失效。

樣品二的鋼化防火玻璃在試驗(yàn)開(kāi)始4 min時(shí)，受到內(nèi)部張力作用，應(yīng)力瞬時(shí)釋放，導(dǎo)致玻璃碎成細(xì)小碎片，原防火玻璃上形成很大出火口。合格的防火玻璃應(yīng)當(dāng)能抵御一定高溫而不破碎，樣品二的破碎原因可能是鋼化時(shí)選擇的鋼化工藝不恰當(dāng)，使得形成的表面壓應(yīng)力不足，影響玻璃的耐熱性。

3 結(jié)論與展望

單片防火玻璃因其重量輕，在高溫下能保持透明，便于觀察火情和煙氣狀況，因而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但是在本文火災(zāi)模擬試驗(yàn)中，兩個(gè)樣品均出現(xiàn)失效狀況。兩種失效的原因一是由于選材不當(dāng)，二是由于鋼化工藝不完善，導(dǎo)致生產(chǎn)出的防火玻璃沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的性能。然而單片玻璃在建筑中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，這就要求進(jìn)一步改進(jìn)鋼化防火玻璃處理工藝，以得到安全性更高、耐火性更強(qiáng)的單片防火玻璃。

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[2]疏學(xué)明,邵荃,等.水噴淋保護(hù)下單片防火玻璃耐熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2006,8(6):64-68.

[3]GB/T 9978.1-2008,建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法第一部分:通用要求[S].

[4]GB 15763.1-2009,建筑用安全玻璃第一部分:防火玻璃[S].

[5]GB 12513-2006,鑲玻璃耐火構(gòu)件試驗(yàn)方法[S].

[6]張慶文.受限空間火災(zāi)環(huán)境下玻璃破裂行為研究[D].安徽合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

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