高温窗玻璃遇水炸裂痕迹研究.docx

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高温窗玻璃遇水炸裂痕迹研究

　　1引言

　　窗玻璃是最常用的建筑材料之一,在火灾中,窗玻璃容易被破坏而产生玻璃破坏痕迹。

火场中的玻璃破坏主要是由于外力冲击、受热不均的热炸裂和灭火时遇水冷却炸裂三种情况造成的。

在火灾调查中,玻璃破坏痕迹可以用来判断玻璃破坏的原因、受力方向、破坏的时间、火势的猛烈程度、火势的蔓延方向、起火点的位置等。

在已有的窗玻璃裂纹研究中,对于火灾现场中机械破坏和热炸裂痕迹的研究较多,而关于高温窗玻璃遇水炸裂痕迹的研究则较少。

因此,本文通过研究窗玻璃在各种实验温度下产生裂纹的情况,推导玻璃在各种实验温度下裂纹的产生及其规律。

　　2试样制备

　　采用了SRJX-4-9型箱式电阻炉模拟室内火灾的热环境。

该炉膛尺寸为200mm×125mm×325mm,膛内温度最高可达1100℃。

以炉口为模拟窗口。

将玻璃切割成5cm×5cm大小,实验方法是分别将3mm、5mm厚的窗玻璃在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃几个不同温度下进行时间为10min和30min的受热。

当加热结束之后,分别用充实水柱和喷雾水两种射水方法对窗玻璃进行冷却。

观察不同实验条件作用下窗玻璃的炸裂痕迹。

　　3试验结果

　　3．1不同冷却方式情况下的炸裂痕迹

　　在相同受热时间、相同受热温度、相同厚度玻璃情况下用充实水柱进行冷却的窗玻璃,玻璃表面裂纹较多而且深,多为方格状裂纹,从冷却水接触中心点向四周裂纹变稀疏,裂纹间隔变大,裂纹深度也逐渐变浅,裂纹多以经纬线分布;用喷雾水进行冷却过的窗玻璃,玻璃表面裂纹较少而且浅,多为浅圆片裂纹,在整个喷雾水接触的玻璃表面裂纹的分布比较均匀,裂纹深浅基本相同,裂纹图案无规律,且裂纹之间不连贯。

　　3．2不同受热温度情况下的炸裂痕迹

　　在相同受热时间、相同厚度玻璃、相同冷却方式情况下在较高温度下对窗玻璃进行冷却时,玻璃表面裂纹较多而且深,受热温度越高,出现的贯穿性裂纹越多,与冷却水接触的较大面积范围内都形成裂纹,由冷却水接触中心点向玻璃表面四周裂纹出现几率逐渐降低,裂纹深度逐渐变浅,但是变化过程缓慢;在相对较低的温度下对窗玻璃进行冷却时,玻璃表面裂纹稀疏而且浅,受热温度越低,出现贯穿的裂纹越少,只在与冷却水接触的较小范围内和冷却水流过的位置上形成裂纹。

在非接触点形成较少的裂纹或者不形成裂纹,背水面基本没有裂纹。

　　3．3不同受热时间情况下的炸裂痕迹

　　在相同冷却方式、相同受热温度、相同厚度玻璃情况下窗玻璃在较短的受热时间下冷却,玻璃表面裂纹较少而且浅,多为单层裂纹,裂纹之间相互独立不连贯,裂纹只在接触冷却水位置出现,不向四周延伸,射水停止后不再产生裂纹;窗玻璃在较长受热时间下冷却,玻璃表面裂纹较多而且深,在同一位置出现两层或者三层的不同纹理的裂纹,在有些位置出现贯穿性裂纹,在接触冷却水的位置出现明显裂纹,裂纹向四周延伸,射水停止后,玻璃表面残留水继续使玻璃产生裂纹。

　　3．4不同厚度玻璃情况下的炸裂痕迹

　　在相同受热时间、相同受热温度、相同冷却方式情况下玻璃越厚,裂纹越多而密集,例如,在受热500℃,3mm厚窗玻璃遇冷却水炸裂时,裂纹比较规则,多为贯穿性条形裂纹。

　　4分析与讨论

　　4．1窗玻璃遇水炸裂机理

　　4．1．1玻璃的脆性破坏

　　由于玻璃是典型的脆性材料,玻璃受力破坏时为脆性破坏。

玻璃脆性破坏形式决定于应力的种类。

张应力引起的拉断,其断裂线与应力方向几乎成90度角;压应力引起的剪断,起断裂线与应力方向几乎成45度角。

（图9）玻璃的破坏通常是从表面开始的。

因为其表面存在大量微裂纹,使得表面强度低于内部强度。

微裂纹的产生则是由于原板上存在局部应力集中,造成原子、分子之间的键断裂而形成的。

研究结果表明,玻璃表面的张应力是微裂纹产生与发展的原因。

　　微裂纹的扩展取决于裂纹顶端所加的力和其端部的原子、分子热运动。

微裂纹受端部应力作用扩展成裂缝与裂缝剩余面积（未断裂面积）上的单位负荷有关。

此单位负荷超过某一临界值时,微裂纹就会扩展。

然而,实验表明,裂纹端部应力值低于应力临界值时,微裂纹也可能扩展,这时的扩展主要是由于其端部的原子和分子热运动产生的热应力所致。

　　玻璃的脆性破坏过程可认为是:

由于火场中气流运动或其他原因所产生的张应力,导致玻璃表面产生微裂纹;当玻璃表面受到灭火时水流冲击或热负荷作用时,微裂纹扩展成裂纹,最终导致断裂。

　　4．1．2玻璃的遇水炸裂破坏

　　玻璃是导热性很差的材料,火场上窗玻璃受火焰和热烟气流作用,受火面温度很高为火场温度,背火面为室外温度。

如果火灾中玻璃升温速度较慢,玻璃在升温过程中未被破坏而均匀升温,当灭火时遇冷却水流冲击时,高温窗玻璃内表面温度基本不变化,而外表面温度骤降,在接触面出现温度差,从而引起玻璃内部膨胀不一致的现象,导致其产生不同程度的应变。

在玻璃弹性限度内,应变愈大,其伴生的应力亦愈大。

玻璃的热破坏就决定于这一热应力的大小、种类以及最大热应力所处部位。

　　理论计算表明,当玻璃中间与表面的温差超过300℃时,玻璃就会因热应力而产生明显破坏。

　　4．2遇水炸裂痕迹特征影响因素

　　火场中高温窗玻璃遇水炸裂裂纹的形成是由灭火时的冷却方式、玻璃的受热温度、受热时间和玻璃厚度这四个主要影响因素共同作用的结果。

裂纹的形成是一个复杂而综合的作用过程,本文只研究在单一影响因素改变对玻璃裂纹形成的影响。

　　4．2．1冷却方式的影响

　　采用充实水柱冷却方式,保证了在一段相对较长的时间里高温窗玻璃与冷却水之间的温度差为恒定值,这样窗玻璃内的热应力为一恒定值,所以玻璃的炸裂程度高;采用喷雾水冷却方式,实际上是无数细小的水珠与高温窗玻璃之间的间断性的接触,接触玻璃的水珠遇热蒸发,带走玻璃内一定量热量,使玻璃接触位置的温度下降,导致窗玻璃与冷却水之间的温度差逐渐减小,玻璃内由温度差产生的热应力为一逐渐减小的变量,所以采用喷雾水冷却时窗玻璃的炸裂程度较低。

　　由于玻璃表面遇冷却水出现较大温度差产生的热应力

　　（5）

　　——修正应力系数

　　——边缘温度系数

　　——玻璃冷却面温度

　　——冷却水温度

　　同时当水流以相同压力从水枪口喷出时,落在单位面积玻璃上的冷却水所产生的压强,喷雾水产生的压强相对充实水柱的压强较小,因为喷雾水的冲击力平均分布在整个接触面,所以裂纹形成程度没有充实水柱冷却方式形成的明显。

充实水柱的落点比较集中,所以产生较大的冲击力,更加快了微裂纹的扩展,使裂纹程度加深,所以采用充实水柱冷却时窗玻璃的炸裂程度较高;用喷雾水冷却时小水珠在高温窗玻璃表面发生热交换,达到沸点发生沸腾,这是形成浅的圆片裂纹的原因。

　　4．2．2受热温度的影响

　　在较高温度受热情况下,整个玻璃在面积方向和厚度方向上的平均温度都较高,窗玻璃内所含的总热能大,当与冷却水接触发生热交换,有较多的能量转化成热应力使窗玻璃炸裂;在相对较低温度受热情况下,窗玻璃的平均温度较低,含有的总热能较小,能提供给窗玻璃发生热炸裂的能量也少。

　　根据胡克定律公式

（1）中:

　　（6）

　　——玻璃内部产生热应力处的温度差

　　——接触面处玻璃的温度

　　——冷却水温度

　　在普通火场中,为灭火用水的温度是恒定值,为环境温度。

为火灾现场的火焰和热烟气流对窗玻璃的热辐射后玻璃表面的温度。

所以受热温度越高,火场中窗玻璃外表面的温度越高,冷却水温度恒定时,数值越大,热应力也就越大,窗玻璃由于遇水炸裂形成的裂纹也就越多越明显。

　　4．2．3受热时间的影响

　　对于窗玻璃这种热的不良导体来说,短时间受热情况下,窗玻璃沿面积方向和厚度方向上温度分布不均匀,窗玻璃受火面温度升高快,而背火面温度升高较慢,温度分布不均匀,平均温度低,遇到冷却水也不会在接触位置出现较大的温度差,不能产生足够的热应力使窗玻璃炸裂;较长的受热时间是窗玻璃温度提高和均匀分布的必要条件,当受热时间超过某一时间后,窗玻璃沿面积方向和厚度方向上受热温度平均分布,这时遇到冷却水会在接触位置出现较大的温度差,使窗玻璃产生足够的热应力使窗玻璃产生热炸裂。

　　火场中窗玻璃的受热升温过程中存在一个极限时间,它是玻璃温度从不均匀分布向均匀分布的界限时间。

窗玻璃从受到火焰和热烟气流作用起温度开始升高,当时,窗玻璃各位置的温度不均匀。

这时窗玻璃如果遇水,由于接触面和冷却水温度差较小,所以不宜发生炸裂;当时,玻璃的外表面温度始终与火场中火焰和热烟气流的温度保持一致,温度均匀分布。

窗玻璃的外表面温度可以通过测量火场温度来求得。

这时如果遇到冷却水,在接触位置温差大,出现炸裂的几率要大。

　　4．2．4玻璃厚度的影响

　　玻璃是热的不良导体,窗玻璃受热时在面积方向和厚度方向上温度分布存在着梯度差,窗玻璃面积越大,厚度越厚这种梯度差异越明显。

同样,当均匀受热的窗玻璃表面接触冷却水的时候,也会产生温度梯度,这种梯度分布决定于接触面的温度和水温,温度差越大,温度梯度越大,会产生更大的热应力,这便决定了玻璃遇水炸裂裂纹的多少和深浅。

　　在同一瞬间,窗玻璃截面上各点的温度不同,玻璃截面各点温度T与各点空间坐标x、y、z成反比例关系,距离受热位置越远,该点的温度越低,这就是玻璃中温度的梯度分布;而与时间t成正比例关系,受热时间越长,玻璃上任意一点的温度越高。

对于玻璃温度的梯度分布存在一个极限时间,为梯度消失的时间。

当传热梯度差消失以后,窗玻璃各点温度T的分布不再随时间t的改变而存在梯度分布,而是始终为火场中火焰和热烟气流的温度。

　　总之,在火灾中,窗玻璃的遇水炸裂痕迹的产生,不仅取决与冷却用水的冲击力,而且取决与冷却水与接触面接触时温度差所造成的热应力。

火场中射水时单位面积上的水压越大,裂纹越多而且明显;火场中火焰和热烟气流温度越高、窗玻璃受热时间越长、窗玻璃越厚,当遇冷却水时,在接触面产生的温度差越大,热应力越大,裂纹越多越明显。

　　5总结

（1）灭火时冷却水冲击窗玻璃所产生的力,造成窗玻璃沿厚度方向上的裂纹,以相同压力从水枪口喷出的冷却水在窗玻璃上的落点越集中,沿厚度方向上裂纹产生数目越多,裂纹出现的概率也越大;灭火时由于温度差在接触面引起的热应力,造成窗玻璃沿面积方向上的裂纹,温度差越大,沿面积方向上裂纹产生数目越多,裂纹出现的概率也越大。

（2）高温窗玻璃遇水炸裂时,充实水柱比喷雾水形式产生的裂纹数目多;玻璃受热的温度越高,遇水后产生的裂纹数目越多;同一温度下,受热的时间越长,遇水后产生的裂纹数目越多;,玻璃越厚,遇水后产生的裂纹数目越多。

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