普通玻璃在明火源作用下的宏觀破壞痕跡研究

吉博成，張金專，楊守生

(武警學(xué)院 a.研究生隊(duì)；b.消防工程系，河北 廊坊 065000)

0 引言

玻璃廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。隨著玻璃的普及，研究人員對(duì)玻璃在火災(zāi)環(huán)境下的行為特征進(jìn)行了一些探索。劉義祥[1]研究了玻璃遇水炸裂的機(jī)理，提出玻璃的熱破壞決定于熱應(yīng)力的大小、種類以及最大熱應(yīng)力所處部位。王承遇[2]用Griffith理論解釋了玻璃發(fā)生熱炸裂時(shí)其表面出現(xiàn)樹枝狀裂紋以及裂成許多塊等現(xiàn)象的原因。王永清[3]對(duì)玻璃受熱和外力擊碎不同的破裂痕跡的區(qū)別進(jìn)行了對(duì)比。林松[4]研究了玻璃出現(xiàn)軟化、熔化流淌等破壞形式的特征及其與火場(chǎng)溫度的關(guān)系。劉忠偉[5]采用有限元法全面求解了建筑玻璃在日光照射下產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，研究了建筑玻璃熱炸裂機(jī)理及特性，提出熱炸裂的起始紋應(yīng)垂直或近于垂直玻璃板的邊部。張慶文[6]利用ISO 9705標(biāo)準(zhǔn)燃燒室，對(duì)4 mm、6 mm單層浮法玻璃和10 mm鋼化玻璃進(jìn)行了不同規(guī)模油池火全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)，得出了玻璃火災(zāi)響應(yīng)的相關(guān)規(guī)律。李建華[7]對(duì)普通玻璃熱炸裂的形成過(guò)程進(jìn)行了探討。胡建國(guó)[8]對(duì)玻璃破裂痕跡在火災(zāi)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用做了詳細(xì)描述。Hassani[9]研究了火災(zāi)中玻璃的性能。Emmons[10]在進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上認(rèn)為玻璃內(nèi)部熱應(yīng)力是造成其熱破壞的主要原因。Ni Z[11]研究了雙層玻璃外墻的著火性能。Yuse[12]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了直裂紋、震蕩裂紋和分叉裂紋三種不同的玻璃裂紋類型。本文就普通玻璃在明火源作用下的破壞痕跡特征及其在火災(zāi)中的證明作用進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期對(duì)火災(zāi)調(diào)查提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

平板玻璃40 cm×40 cm(厚度2,3,4,6 mm)，沙河市志河鏡業(yè)科技有限公司；火災(zāi)痕跡物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，武警學(xué)院研制；數(shù)據(jù)采集儀，F(xiàn)luke 2635a，美國(guó)福祿克電子儀器儀表公司。

1.2 樣品制備

每種工況進(jìn)行2次平行試驗(yàn)，對(duì)個(gè)別結(jié)果相差較大的工況進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取試驗(yàn)結(jié)果相近的兩次。

1.2.1 不同火源下的玻璃破壞痕跡制備

隨著玻璃制品的普及，玻璃破壞痕跡在火場(chǎng)中隨處可見。火場(chǎng)中存在各種形式的火源，玻璃在不同形式火源的作用下破壞痕跡也有區(qū)分?？刂苹鹪捶N類，制備不同火源下的玻璃破壞痕跡，以研究火源種類對(duì)玻璃破壞痕跡的影響。按圖1所示，將4 mm平板玻璃分別水平固定在酒精噴燈、灶臺(tái)火和油盤火火焰上方10 cm處，將熱電偶布置在玻璃受火面中心以采集玻璃受火中心溫度。其中，油盤r=15 cm，h=10 cm，柴油用量為油盤體積1/2。

1.數(shù)據(jù)采集儀；2.酒精噴燈；3.灶臺(tái)火；4.油盤火

1.2.2 與火源不同相對(duì)位置的玻璃破壞痕跡制備

窗戶、茶幾等是生活中常見的玻璃制品，因此在火場(chǎng)中存在玻璃與火源處于水平或垂直的相對(duì)位置。制備玻璃與火源不同相對(duì)位置的玻璃破壞痕跡，以研究玻璃與火源不同相對(duì)位置對(duì)玻璃破壞痕跡的影響。按圖2所示，將4 mm平板玻璃以水平和豎直狀態(tài)分別固定在灶臺(tái)火火焰上方和火焰一側(cè)10 cm處，在玻璃受火面中心布置熱電偶以采集玻璃受火中心溫度。

圖2 與火源不同相對(duì)位置的玻璃破壞痕跡制備示意圖

1.2.3 不同厚度的玻璃破壞痕跡制備

生活中不同用途的玻璃其厚度不同。如圖3所示，分別將2,3,4,6 mm平板玻璃水平固定在灶臺(tái)火火焰上方10 cm處制備不同厚度的玻璃破壞痕跡，以研究玻璃不同厚度對(duì)破壞痕跡的影響。

圖3 不同厚度的玻璃破壞痕跡制備示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火源種類對(duì)玻璃熱破壞痕跡的影響

圖4為4 mm平板玻璃在三種火源作用下形成的裂紋特征。由圖4(a)、(d)可以看出，玻璃在酒精噴燈作用下溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，在受熱10～40 s內(nèi)玻璃升溫速率較快，40 s后玻璃的升溫速率明顯趨于緩和，受熱70 s后玻璃溫度在230 ℃上下小幅度的浮動(dòng)。玻璃在酒精噴燈作用下受熱84 s時(shí)發(fā)生熱炸裂，此時(shí)玻璃受火面中心溫度為230 ℃，其受火中心形成與酒精噴燈火源直徑近似大小的炸裂痕跡，周圍形成一側(cè)以受熱點(diǎn)為中心向四周擴(kuò)展的彎曲裂紋，另一側(cè)為包裹狀條形裂紋，碎塊形狀不規(guī)則，玻璃破裂碎片多形成銳角，破裂面積占玻璃總面積2/3。由圖4(b)、(d)可以看出，灶臺(tái)火作用下玻璃溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，在整個(gè)受熱過(guò)程中，玻璃升溫速率都較為緩和。玻璃在灶臺(tái)火作用下受熱91 s時(shí)破裂，此時(shí)玻璃受火面中心的溫度為72 ℃，玻璃整體裂紋較少，邊角處有明顯裂紋，形成以受火點(diǎn)為中心向四周擴(kuò)散的彎曲裂紋，且在一側(cè)整體形成相互交叉的樹枝狀裂紋，另一側(cè)為包裹狀條形裂紋。由圖4(c)、(d)可以看出，油盤火作用下玻璃溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，受熱100 s后玻璃升溫速率明顯提高。整個(gè)受熱過(guò)程中，玻璃升溫速率都較為緩和，無(wú)較大浮動(dòng)。玻璃在油盤火作用下受熱452 s時(shí)破裂，此時(shí)玻璃受火面中心的溫度為228 ℃，整體裂紋較少，裂紋分布均勻，且整體形成相互交叉的樹枝狀裂紋，無(wú)包裹狀條形裂紋，碎片多為大曲度圓弧狀。玻璃為不良導(dǎo)體，溫度不會(huì)很快的傳遞到背火面，受火面和背火面的溫差不斷增大，當(dāng)溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)玻璃的臨界應(yīng)力時(shí)，玻璃會(huì)產(chǎn)生裂紋，一般受熱時(shí)不同點(diǎn)溫度超過(guò)70～80 ℃就會(huì)產(chǎn)生熱炸裂。酒精噴燈為點(diǎn)火源，熱量集中，溫度能在短時(shí)間內(nèi)升高，在點(diǎn)火源作用下，玻璃小部分受熱并在短時(shí)間內(nèi)受火面和背火面產(chǎn)生溫差，但因點(diǎn)火源只作用在玻璃的一點(diǎn)，小部分產(chǎn)生極大溫差也無(wú)法使玻璃大面積破裂，只有當(dāng)點(diǎn)火源在玻璃受火點(diǎn)形成“燒洞”時(shí)，才會(huì)引起裂紋的不斷產(chǎn)生且失穩(wěn)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致整塊玻璃破裂。灶臺(tái)火為面火源，其產(chǎn)生熱量大面積均勻分布，玻璃在灶臺(tái)火作用下大面積均勻穩(wěn)定受熱，玻璃大部分面積的受火面和背火面可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生超出玻璃臨界應(yīng)力的溫差，從而使玻璃在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破裂，但因面火源較點(diǎn)火源升溫速率慢，所以玻璃在灶臺(tái)火作用下較在酒精噴燈作用下發(fā)生破裂的時(shí)間長(zhǎng)。油盤火同為面火源，但其火焰不穩(wěn)定，玻璃在油盤火作用下受熱不均勻，所以玻璃在油盤火作用下較在灶臺(tái)火作用下發(fā)生破裂的時(shí)間更長(zhǎng)，溫度更高。

(a)酒精噴燈

(b)灶臺(tái)火

(c)油盤火

(d)時(shí)間-溫度曲線圖

2.2 火源與玻璃的相對(duì)位置對(duì)熱破壞痕跡的影響

圖5為3 mm平板玻璃在灶臺(tái)火作用下相對(duì)位置不同時(shí)的受熱破壞情況。灶臺(tái)火垂直作用下玻璃溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，玻璃受熱117 s時(shí)破裂，其受火面中心溫度為145 ℃。由圖5(a)、(c)可以看出，玻璃在灶臺(tái)火垂直作用下發(fā)生熱炸裂的裂紋較多，形成以受火點(diǎn)為中心向四周發(fā)散的炸裂痕跡，且在受火點(diǎn)一側(cè)形成相互交叉的樹枝狀裂紋，另一側(cè)為包裹狀條形裂紋。由圖5(b)、(d)可以看出，灶臺(tái)火水平作用下玻璃溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，受熱600 s前，玻璃的溫升呈線性增長(zhǎng)，之后溫升變緩。玻璃在灶臺(tái)火水平作用下未發(fā)生熱炸裂，玻璃顏色無(wú)變化，該試驗(yàn)條件下玻璃溫度達(dá)到68 ℃后不再有明顯變化。玻璃在灶臺(tái)火垂直作用下大面積均勻受熱，受火面和背火面在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生超出玻璃臨界應(yīng)力的溫度差時(shí)，玻璃發(fā)生破裂。玻璃在距灶臺(tái)火10 cm水平作用下主要以熱輻射來(lái)升高溫度，而灶臺(tái)火火焰產(chǎn)生的熱能會(huì)加熱火焰周圍的空氣，進(jìn)而降低其密度，被加熱的空氣上升，周圍的冷空氣取代其位置，這樣會(huì)加速熱空氣的上升，導(dǎo)致火焰也是向上升，因此玻璃在火源水平作用下時(shí)，熱輻射、熱對(duì)流傳遞的熱量很少，且熱量在傳遞過(guò)程中有損耗，同時(shí)玻璃自身散熱，導(dǎo)致玻璃升溫速率慢，無(wú)法產(chǎn)生達(dá)到或超出玻璃臨界應(yīng)力的溫度差，所以玻璃在火源水平作用下時(shí)未發(fā)生破裂。

(a)火源垂直作用

(b)火源水平作用

(c)火源垂直作用下時(shí)間-溫度曲線

(d)火源水平作用下時(shí)間-溫度曲線

2.3 玻璃厚度對(duì)其熱破壞痕跡的影響

圖6為不同厚度平板玻璃在灶臺(tái)火上方10 cm處單面受熱破壞情況及溫度變化曲線。如圖6(a)所示，2 mm厚的玻璃在灶臺(tái)火作用下發(fā)生熱炸裂，受火面中心溫度為130 ℃，整體裂紋少，裂紋集中分布在受火點(diǎn)周圍，玻璃碎片大而少且碎片多為大曲度圓弧狀。如圖6(b)所示，3 mm玻璃在灶臺(tái)火作用下發(fā)生熱炸裂，此時(shí)受火面中心溫度為151 ℃，整體裂紋少，裂紋集中分布在受火點(diǎn)周圍，邊角處有明顯裂紋，且在一側(cè)整體形成相互交叉的樹枝狀裂紋，另一側(cè)為包裹狀條形裂紋。如圖6(c)所示，4 mm玻璃在灶臺(tái)火作用下發(fā)生熱炸裂，受火面中心溫度為160 ℃，整體裂紋較多，裂紋集中分布在受火點(diǎn)周圍，邊角處有明顯裂紋，且整體形成相互交叉的樹枝狀裂紋，玻璃碎片多為尖銳角。如圖6(d)所示，6 mm玻璃在灶臺(tái)火作用下發(fā)生熱炸裂，受火面中心溫度192 ℃，整體裂紋較多，裂紋集中分布在受火點(diǎn)周圍，邊角處有明顯裂紋，且整體形成相互交叉的樹枝狀裂紋，玻璃碎片多為尖銳角。局部熱應(yīng)力在玻璃表面和厚度方向上隨著玻璃溫差的不斷升高而超過(guò)其臨界應(yīng)力發(fā)生破裂，因此隨著玻璃厚度的增加，其受熱發(fā)生破裂所需的溫差越高，其對(duì)應(yīng)的受火面中心溫度也相應(yīng)越高。

(a)2 mm平板玻璃

(b)3 mm平板玻璃

(c)4 mm平板玻璃

(d)6 mm平板玻璃

(e)不同玻璃厚度下時(shí)間-溫度曲線

3 結(jié)論

3.1 點(diǎn)火源較面火源更易使玻璃受火發(fā)生熱炸裂，且玻璃在點(diǎn)火源作用下發(fā)生熱炸裂的溫度更高，時(shí)間更短。酒精噴燈和灶臺(tái)火致玻璃熱炸裂的痕跡均為由受火中心向四周發(fā)散的破裂痕跡；油盤火致玻璃破裂痕跡為樹枝狀裂紋，裂紋少且分布均勻。

3.2 玻璃在水平受熱下未發(fā)生熱炸裂，玻璃受火面中心溫度在達(dá)到一定值后不再發(fā)生變化。玻璃在灶臺(tái)火垂直作用下發(fā)生熱炸裂，形成樹枝狀裂紋，裂紋較多。

3.3 玻璃隨著厚度的增加，其受熱發(fā)生炸裂所需的溫差增大，相對(duì)應(yīng)的受火面中心溫度也增大，所以玻璃熱炸裂時(shí)受火面中心溫度隨著玻璃厚度的增加而升高。

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