新型高强防火玻璃

新型高强防火玻璃

1．引言          
在现代建筑物中，各种形式结构的玻璃幕墙由于其美观、典雅和易于维护等特点被广泛应用，如北京的京广大厦、国贸中心等，但设计师们在设计中往往又被一个尖锐的问题所困扰，即玻璃幕墙的防火问题如何解决，国内是否有合适的适合于玻璃幕墙用的防火玻璃呢？现在答案有了！在广东金刚玻璃科技股份有限公司和国家玻璃深加工工程中心的共同努力下，已经成功地研制出了单层高强防火玻璃，这种玻璃通过物理化学增强后，其强度大大提高，同时又具有良好的耐火性能，可以象其它幕墙玻璃一样应用在现代幕墙建筑中，由于其具有优良的性能，可以与国外同类产品相媲美。         
本文将着重就这种玻璃的力学性能、防火功能进行分析、对比，从而从理论上给出其防火机理。         
2．试验过程          
（1）表面应力          
浮法玻璃由于表面有锡扩散层，使得表面层产生折射率梯度，当玻璃钢化后这层扩散层会因应力形成光弹双折射现象。表面应力的测量正是利用了这种原理。采用表面应力仪,我们分别对公称厚度为8mm、10mm的钢化玻璃和高强防火玻璃的表面应力进行了测定，其结果如下：         
序号 样品种类 表面应力平均值（MPa） 标准离差（MPa）          
1 8mm钢化玻璃 110.1 2.22          
2 8mm高强防火玻璃 213.6 4.95          
3 10mm钢化玻璃 106.0 2.60          
4 10mm高强防火玻璃 252.6 6.78          
从测试结果可以看出高强防火玻璃通过物理和化学增强后其表面压应力比传统工艺生产出来的钢化玻璃高出100～150MPa左右，这层表面压应力的特点同时具有物理钢化形成的足够的应力层厚度和化学钢化引入的高表面应力值，通过工艺控制可以使玻璃表面应力甚至可以达到400MPa左右，使得玻璃强度大大提高。         
3．弯曲强度测试          
我们对高强防火玻璃和普通钢化玻璃用三点弯曲方法分别进行了弯曲强度测试， 试样均加工成300mm长, 100mm宽，厚度分别为8mm、10mm两组, 边缘进行了研磨抛光处理，以尽量减少边缘缺陷对强度的影响，其结果如下：         
序号 样品种类 抗弯强度平均值（MPa） 标准离差（MPa）          
1 8mm钢化玻璃 206.4 10.7          
2 8mm高强防火玻璃 295.9 17.5          
3 10mm钢化玻璃 207.8 29.5          

4 10mm 高强防火玻璃 323.8 22.0

两种玻璃的原材料都是普通钠钙硅系统的浮法玻璃，其硬度和弹性模量基本上没有差别。计算弯曲强度时弹性模量取为72GPa。一般这种普通钠钙系统浮法玻璃的弯曲强度在80Mpa左右，它可以作为增强玻璃的原始强度，加上表面预应力的值后近似认为增强玻璃的最终强度。以8mm样品为例，我们在前面测定了防火玻璃的表面压应力为214Mpa 左右，它的最终强度预测应在214+80=294Mpa 附近，而我们实际试样测定的平均弯曲强度结果在296MPa；钢化玻璃表面压应力测定值为110Mpa 左右，它的最终强度预测值应在110+80=190MPa，实际试样测定的平均弯曲强度结果在200MPa 左右；对于10 mm高强防火玻璃，表面应力测试结果为253Mpa，则最终强度预测应在253+80=333Mpa 附近，实际试样测定的平均弯曲强度结果在324MPa 左右， 这些跟实验结果基本吻合。图1给出了其中10mm高强防火玻璃的弯曲强度实验计算结果。

（2）平均抗冲击强度          
为了能够科学地分析、评价高强防火玻璃动态力学性能，我们特地选定了同样厚度的钢化玻璃试样作比对。为了得出玻璃的平均冲击破坏强度，我们采用了“升降法”对冲击破坏强度结果进行统计分析。         
“升降法”的基本原理是这样的：把一定重量的钢球从某一高度自由落下冲击到样品上，根据观察玻璃样品是否破坏来推断下一个冲击高度是高还是低，这样就会得到一组数据，通过统计技术就可以计算出玻璃的平均破坏强度。这种方法的优点是数据会自动集中在数学期望附近，从而可以较准确地得出冲击强度。         
我们知道，钢化玻璃的落球高度h服从对数正态分布，取y=log h， 选定初始正态高度h0，对数间隔为d，则上面的高度分别有h0+d= h1、h0+2d= h2、···，下面的高度分别有h0-d= h-1、h0-2d= h-2·……；我们选用了227克钢球作为冲击体，尺寸为300mm×300mm、厚度8mm的样品，冲击面均为锡面，这样我们分别得到了两组升降图：         
对于钢化玻璃，我们取对数间隔d = log5.4-log5 = 0.03342,实际高度落差为0.4m；         

对于高强防火玻璃,我们取对数间隔d = log8.86-log8.05 = 0.0416,实际高度落差为0.8m

标准离差估计值用以下公式计算：         
σ=1.620 d[ (N B-A2)/N2+0.029]          
其中 (3)          
通过计算，结果汇总如下：         
序号 样品种类 抗227克钢球冲击高度平均值（m） 标准离差（m）          
1 8mm钢化玻璃 6.07 1.06          
2 8mm高强防火玻璃 9.16 1.08          
从以上结果可以看出高强防火玻璃的平均破坏冲击高度是普通钢化玻璃的1.5倍左右。         
我们假设破坏概率服从Weibull统计理论, 按此理论可求出不同冲击高度下的破坏概率, 图3给出了防火玻璃的冲击失效概率图。

（3）防火性能          
单层防火玻璃的耐火性能试验按照国家现行标准GB/T12513-1990 进行，试验安排在天津消防所，样品规格为2000mm×1200mm，样品厚度分别为10mm、12mm、15mm、19mm。我们仅对耐火完整性进行试验，根据试验大纲要求升温曲线按照T-TC=345log10(8t+1) 关系进行，耐火试验完整性的判别是以a)样品背火面出现火焰，且持续时间≥10s；b)样品垮塌，并记录从距样品表面100 mm处的热电偶温度达到50℃时作为开始时间到发生上述两者情况之一时作为终止时间，来计算丧失耐火完整性的时间。从结果判断上可以看出玻璃的耐火完整性的丧失有两种情况 ：即样品垮塌或背火面出现火焰，耐火时间从76min到109min不等，从目前防火玻璃现行国家标准来看完全可以满足72min的耐火完整性要求。需要指出的是玻璃的耐火时间与安装质量、镶玻璃构件质量有很大关系，这些因素都会影响结果。         
（4）耐火机理研究          
通常玻璃材料是否经得住温度冲击和其材料的物理性能—膨胀系数有很大的关系，如石英玻璃由于膨胀系数极低，可以承受1200℃温差，硼硅酸盐系列的玻璃也是较好的耐热玻璃；而钠钙硅系列的玻璃由于膨胀系数大，耐热性能很差。通常在幕墙玻璃防热炸裂设计中，当普通浮法玻璃在中央区与周边区产生40℃左右的温差时，就认为玻璃有破坏的可能；因此从普通钠钙硅玻璃的抗温度冲击性能角度来说，提高玻璃强度是抗衡热应力唯一的途径的。         
通过将玻璃经过钢化处理可以大大提高玻璃的热冲击性能，我们对钢化玻璃和半钢化玻璃进行了简单的比较实验：将300mm×300mm的钢化玻璃加热到一定温度然后投入到0℃的冰、水混合水中，观察玻璃是否炸裂，结果表明钢化玻璃可以承受200℃的温差，半钢化玻璃可以承受大约150℃的温差；如果局部受热，钢化玻璃则可以承受320℃的温差（浇铅试验）。但这样的耐热性远远不能满足建筑物防火规范要求，因此需要强度更高的玻璃；高强防火玻璃由于表面残余压应力在200Mpa以上，我们可以通过热应力计算来说明其耐热性能：设温度从板的中央到边缘的变化服从以下规律：         
（4）          
但厚度方向温度均匀。式中T0为最大温差值，L为板的半长，x是板中央沿轴线任意一点的位置。根据热弹性力学可以导出热应力在面内的变化为          
（5）          
式中a是膨胀系数， E是弹性模量， 这里假设这两个物理量不随温度而变化以简化计算过程，实际上它们是温度的函数。设玻璃板的边长为2L, 中央温度最高，边缘温度最低，温度分布按4次曲线衰减，板厚度方向的温度均匀，则从中央到边缘单位温差变化引起的热应力。

设强度分布服从Weibull分布，不同应力水平下的破坏概率可表示为：         
（6）          
其中，P是破坏概率，s是应力水平，so是特征强度，m是Weibull模数。由于温度与应力是线性对应关系，因此，不同温度对应的破坏概率可通过公式（5）和（6）得到，计算结果如图7所示。理论计算表明当玻璃中间与边缘温差超过1000℃时高强防火玻璃才会因热应力而破坏，实际上玻璃在高于600度的温度下由于软化过程而应力完全松弛，不会发生破裂。防火测试也验证了这种玻璃不会因热应力而破坏，而是由于玻璃在高温下软化、坍塌而失去防火作用。         
4．结论          
高强防火玻璃比普通钢化玻璃有更大的预应力，因此使静态强度和动态强度都大大提高。实验表明，防火玻璃的弯曲强度是普通玻璃的4倍以上，是钢化玻璃的1.5倍左右。防火玻璃的抗冲击性能远高于普通玻璃和钢化玻璃，其断裂冲击能正好也是钢化玻璃的1.5倍左右。可适用于幕墙玻璃的防火要求，在保证强度的条件下，与钢化玻璃相比，还可减少玻璃重量。         
高强防火玻璃具有突出的耐温性能和抗热炸裂性，由于其表面的高预应力，理论计算表明玻璃不会因热应力而破坏。在耐火实验中的失效不是热炸裂破坏，而是最后软化塌陷或边框漏火失效造成的；耐火时限可达72分钟以上，可以满足建筑幕墙的防火要求，是一种独特的建筑防火玻璃。         
         
论文发表：2001年5月在北京高新技术“国际周”上发表，并获2002年3月13日汕头市科协首届学术年会优秀学术论文二等奖。         
推荐单位：汕头市装饰协会          
推 荐 人：陈 维 汕头市装饰协会常务副会长          
辛 忠 汕头市装饰协会秘书长          
评 语：论文根据防火测试结果和热应力理论计算，比较分析普通钢化玻璃和高强防火玻璃的力学性能，并初步探索分析了高强防火玻璃的防火机理。论文的发表为国家标准《建筑用安全玻璃 防火玻璃》（GB15763.1）的修订工作奠定了基础。

注：

内容及图片摘自网络；

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