高溫窗玻璃遇水炸裂痕跡研究

摘 要:本文通過模擬火災現(xiàn)場中高溫條件下窗玻璃在滅火過程中遇水炸裂的情況，對普通窗玻璃遇水炸裂進行了實驗研究，歸納了窗玻璃遇水炸裂裂紋形成的特征和規(guī)律，系統(tǒng)地分析了窗玻璃遇水炸裂的機理及其對裂紋形成的主要影響因素，為火災調(diào)查中運用此類痕跡判斷火災過程提供了有力依據(jù)。

關鍵詞:窗玻璃遇水炸裂熱應力裂紋

中圖分類號:X932文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)7(b)-0002-02

1 引言

窗玻璃是最常用的建筑材料之一，在火災中，窗玻璃容易被破壞而產(chǎn)生玻璃破壞痕跡。火場中的玻璃破壞主要是由于外力沖擊、受熱不均的熱炸裂和滅火時遇水冷卻炸裂三種情況造成的。在火災調(diào)查中，玻璃破壞痕跡可以用來判斷玻璃破壞的原因、受力方向、破壞的時間、火勢的猛烈程度、火勢的蔓延方向、起火點的位置等。在已有的窗玻璃裂紋研究中，對于火災現(xiàn)場中機械破壞和熱炸裂痕跡的研究較多，而關于高溫窗玻璃遇水炸裂痕跡的研究則較少。因此，本文通過研究窗玻璃在各種實驗溫度下產(chǎn)生裂紋的情況，推導玻璃在各種實驗溫度下裂紋的產(chǎn)生及其規(guī)律。

2 試樣制備

采用了SRJX-4-9型箱式電阻爐模擬室內(nèi)火災的熱環(huán)境。該爐膛尺寸為200mm×125mm×325mm，膛內(nèi)溫度最高可達1100℃。以爐口為模擬窗口。將玻璃切割成5cm×5cm大小，實驗方法是分別將3mm、5mm厚的窗玻璃在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃幾個不同溫度下進行時間為10min和30min的受熱。當加熱結束之后，分別用充實水柱和噴霧水兩種射水方法對窗玻璃進行冷卻。觀察不同實驗條件作用下窗玻璃的炸裂痕跡。

3 試驗結果

3．1 不同冷卻方式情況下的炸裂痕跡

在相同受熱時間、相同受熱溫度、相同厚度玻璃情況下用充實水柱進行冷卻的窗玻璃，玻璃表面裂紋較多而且深，多為方格狀裂紋，從冷卻水接觸中心點向四周裂紋變稀疏，裂紋間隔變大，裂紋深度也逐漸變淺，裂紋多以經(jīng)緯線分布;用噴霧水進行冷卻過的窗玻璃，玻璃表面裂紋較少而且淺，多為淺圓片裂紋，在整個噴霧水接觸的玻璃表面裂紋的分布比較均勻，裂紋深淺基本相同，裂紋圖案無規(guī)律，且裂紋之間不連貫。

3．2 不同受熱溫度情況下的炸裂痕跡

在相同受熱時間、相同厚度玻璃、相同冷卻方式情況下在較高溫度下對窗玻璃進行冷卻時，玻璃表面裂紋較多而且深，受熱溫度越高，出現(xiàn)的貫穿性裂紋越多，與冷卻水接觸的較大面積范圍內(nèi)都形成裂紋，由冷卻水接觸中心點向玻璃表面四周裂紋出現(xiàn)幾率逐漸降低，裂紋深度逐漸變淺，但是變化過程緩慢;在相對較低的溫度下對窗玻璃進行冷卻時，玻璃表面裂紋稀疏而且淺，受熱溫度越低，出現(xiàn)貫穿的裂紋越少，只在與冷卻水接觸的較小范圍內(nèi)和冷卻水流過的位置上形成裂紋。在非接觸點形成較少的裂紋或者不形成裂紋，背水面基本沒有裂紋。

3．3 不同受熱時間情況下的炸裂痕跡

在相同冷卻方式、相同受熱溫度、相同厚度玻璃情況下窗玻璃在較短的受熱時間下冷卻，玻璃表面裂紋較少而且淺，多為單層裂紋，裂紋之間相互獨立不連貫，裂紋只在接觸冷卻水位置出現(xiàn)，不向四周延伸，射水停止后不再產(chǎn)生裂紋;窗玻璃在較長受熱時間下冷卻，玻璃表面裂紋較多而且深，在同一位置出現(xiàn)兩層或者三層的不同紋理的裂紋，在有些位置出現(xiàn)貫穿性裂紋，在接觸冷卻水的位置出現(xiàn)明顯裂紋，裂紋向四周延伸，射水停止后，玻璃表面殘留水繼續(xù)使玻璃產(chǎn)生裂紋。

3．4 不同厚度玻璃情況下的炸裂痕跡

在相同受熱時間、相同受熱溫度、相同冷卻方式情況下玻璃越厚，裂紋越多而密集，例如，在受熱500℃，3mm厚窗玻璃遇冷卻水炸裂時，裂紋比較規(guī)則，多為貫穿性條形裂紋。

4 分析與討論

4．1 窗玻璃遇水炸裂機理

4．1．1 玻璃的脆性破壞

由于玻璃是典型的脆性材料，玻璃受力破壞時為脆性破壞。玻璃脆性破壞形式?jīng)Q定于應力的種類。張應力引起的拉斷，其斷裂線與應力方向幾乎成90度角;壓應力引起的剪斷，起斷裂線與應力方向幾乎成45度角。(圖9)玻璃的破壞通常是從表面開始的。因為其表面存在大量微裂紋，使得表面強度低于內(nèi)部強度。微裂紋的產(chǎn)生則是由于原板上存在局部應力集中，造成原子、分子之間的鍵斷裂而形成的。研究結果表明，玻璃表面的張應力是微裂紋產(chǎn)生與發(fā)展的原因。

微裂紋的擴展取決于裂紋頂端所加的力和其端部的原子、分子熱運動。微裂紋受端部應力作用擴展成裂縫與裂縫剩余面積(未斷裂面積)上的單位負荷有關。此單位負荷超過某一臨界值時，微裂紋就會擴展。然而，實驗表明，裂紋端部應力值低于應力臨界值時，微裂紋也可能擴展，這時的擴展主要是由于其端部的原子和分子熱運動產(chǎn)生的熱應力所致。

玻璃的脆性破壞過程可認為是:由于火場中氣流運動或其他原因所產(chǎn)生的張應力，導致玻璃表面產(chǎn)生微裂紋;當玻璃表面受到滅火時水流沖擊或熱負荷作用時，微裂紋擴展成裂紋，最終導致斷裂。

4．1．2 玻璃的遇水炸裂破壞

玻璃是導熱性很差的材料，火場上窗玻璃受火焰和熱煙氣流作用，受火面溫度很高為火場溫度，背火面為室外溫度。如果火災中玻璃升溫速度較慢，玻璃在升溫過程中未被破壞而均勻升溫，當滅火時遇冷卻水流沖擊時，高溫窗玻璃內(nèi)表面溫度基本不變化，而外表面溫度驟降，在接觸面出現(xiàn)溫度差，從而引起玻璃內(nèi)部膨脹不一致的現(xiàn)象，導致其產(chǎn)生不同程度的應變。在玻璃彈性限度內(nèi)，應變愈大，其伴生的應力亦愈大。玻璃的熱破壞就決定于這一熱應力的大小、種類以及最大熱應力所處部位。

理論計算表明，當玻璃中間與表面的溫差超過300℃時，玻璃就會因熱應力而產(chǎn)生明顯破壞。

4．2 遇水炸裂痕跡特征影響因素

火場中高溫窗玻璃遇水炸裂裂紋的形成是由滅火時的冷卻方式、玻璃的受熱溫度、受熱時間和玻璃厚度這四個主要影響因素共同作用的結果。裂紋的形成是一個復雜而綜合的作用過程，本文只研究在單一影響因素改變對玻璃裂紋形成的影響。

4．2．1 冷卻方式的影響

采用充實水柱冷卻方式，保證了在一段相對較長的時間里高溫窗玻璃與冷卻水之間的溫度差為恒定值，這樣窗玻璃內(nèi)的熱應力為一恒定值，所以玻璃的炸裂程度高;采用噴霧水冷卻方式，實際上是無數(shù)細小的水珠與高溫窗玻璃之間的間斷性的接觸，接觸玻璃的水珠遇熱蒸發(fā)，帶走玻璃內(nèi)一定量熱量，使玻璃接觸位置的溫度下降，導致窗玻璃與冷卻水之間的溫度差逐漸減小，玻璃內(nèi)由溫度差產(chǎn)生的熱應力為一逐漸減小的變量，所以采用噴霧水冷卻時窗玻璃的炸裂程度較低。

由于玻璃表面遇冷卻水出現(xiàn)較大溫度差產(chǎn)生的熱應力

(5)

——修正應力系數(shù)

——邊緣溫度系數(shù)

——玻璃冷卻面溫度

——冷卻水溫度

同時當水流以相同壓力從水槍口噴出時，落在單位面積玻璃上的冷卻水所產(chǎn)生的壓強，噴霧水產(chǎn)生的壓強相對充實水柱的壓強較小，因為噴霧水的沖擊力平均分布在整個接觸面，所以裂紋形成程度沒有充實水柱冷卻方式形成的明顯。充實水柱的落點比較集中，所以產(chǎn)生較大的沖擊力，更加快了微裂紋的擴展，使裂紋程度加深，所以采用充實水柱冷卻時窗玻璃的炸裂程度較高;用噴霧水冷卻時小水珠在高溫窗玻璃表面發(fā)生熱交換，達到沸點發(fā)生沸騰，這是形成淺的圓片裂紋的原因。

4．2．2 受熱溫度的影響

在較高溫度受熱情況下，整個玻璃在面積方向和厚度方向上的平均溫度都較高，窗玻璃內(nèi)所含的總熱能大，當與冷卻水接觸發(fā)生熱交換，有較多的能量轉化成熱應力使窗玻璃炸裂;在相對較低溫度受熱情況下，窗玻璃的平均溫度較低，含有的總熱能較小，能提供給窗玻璃發(fā)生熱炸裂的能量也少。

根據(jù)胡克定律公式(1)中:

(6)

——玻璃內(nèi)部產(chǎn)生熱應力處的溫度差

——接觸面處玻璃的溫度

——冷卻水溫度

在普通火場中，為滅火用水的溫度是恒定值，為環(huán)境溫度。為火災現(xiàn)場的火焰和熱煙氣流對窗玻璃的熱輻射后玻璃表面的溫度。所以受熱溫度越高，火場中窗玻璃外表面的溫度越高，冷卻水溫度恒定時，數(shù)值越大，熱應力也就越大，窗玻璃由于遇水炸裂形成的裂紋也就越多越明顯。

4．2．3 受熱時間的影響

對于窗玻璃這種熱的不良導體來說，短時間受熱情況下，窗玻璃沿面積方向和厚度方向上溫度分布不均勻，窗玻璃受火面溫度升高快，而背火面溫度升高較慢，溫度分布不均勻，平均溫度低，遇到冷卻水也不會在接觸位置出現(xiàn)較大的溫度差，不能產(chǎn)生足夠的熱應力使窗玻璃炸裂;較長的受熱時間是窗玻璃溫度提高和均勻分布的必要條件，當受熱時間超過某一時間后，窗玻璃沿面積方向和厚度方向上受熱溫度平均分布，這時遇到冷卻水會在接觸位置出現(xiàn)較大的溫度差，使窗玻璃產(chǎn)生足夠的熱應力使窗玻璃產(chǎn)生熱炸裂。

火場中窗玻璃的受熱升溫過程中存在一個極限時間，它是玻璃溫度從不均勻分布向均勻分布的界限時間。窗玻璃從受到火焰和熱煙氣流作用起溫度開始升高，當時，窗玻璃各位置的溫度不均勻。這時窗玻璃如果遇水，由于接觸面和冷卻水溫度差較小，所以不宜發(fā)生炸裂;當時，玻璃的外表面溫度始終與火場中火焰和熱煙氣流的溫度保持一致，溫度均勻分布。窗玻璃的外表面溫度可以通過測量火場溫度來求得。這時如果遇到冷卻水，在接觸位置溫差大，出現(xiàn)炸裂的幾率要大。

4．2．4 玻璃厚度的影響

玻璃是熱的不良導體，窗玻璃受熱時在面積方向和厚度方向上溫度分布存在著梯度差，窗玻璃面積越大，厚度越厚這種梯度差異越明顯。同樣，當均勻受熱的窗玻璃表面接觸冷卻水的時候，也會產(chǎn)生溫度梯度，這種梯度分布決定于接觸面的溫度和水溫，溫度差越大，溫度梯度越大，會產(chǎn)生更大的熱應力，這便決定了玻璃遇水炸裂裂紋的多少和深淺。

在同一瞬間，窗玻璃截面上各點的溫度不同，玻璃截面各點溫度T與各點空間坐標x、y、z成反比例關系，距離受熱位置越遠，該點的溫度越低，這就是玻璃中溫度的梯度分布;而與時間t成正比例關系，受熱時間越長，玻璃上任意一點的溫度越高。對于玻璃溫度的梯度分布存在一個極限時間，為梯度消失的時間。當傳熱梯度差消失以后，窗玻璃各點溫度T的分布不再隨時間t的改變而存在梯度分布，而是始終為火場中火焰和熱煙氣流的溫度。

總之，在火災中，窗玻璃的遇水炸裂痕跡的產(chǎn)生，不僅取決與冷卻用水的沖擊力，而且取決與冷卻水與接觸面接觸時溫度差所造成的熱應力。火場中射水時單位面積上的水壓越大，裂紋越多而且明顯;火場中火焰和熱煙氣流溫度越高、窗玻璃受熱時間越長、窗玻璃越厚，當遇冷卻水時，在接觸面產(chǎn)生的溫度差越大，熱應力越大，裂紋越多越明顯。

5 總結

(1)滅火時冷卻水沖擊窗玻璃所產(chǎn)生的力，造成窗玻璃沿厚度方向上的裂紋，以相同壓力從水槍口噴出的冷卻水在窗玻璃上的落點越集中，沿厚度方向上裂紋產(chǎn)生數(shù)目越多，裂紋出現(xiàn)的概率也越大;滅火時由于溫度差在接觸面引起的熱應力，造成窗玻璃沿面積方向上的裂紋，溫度差越大，沿面積方向上裂紋產(chǎn)生數(shù)目越多，裂紋出現(xiàn)的概率也越大。

(2)高溫窗玻璃遇水炸裂時，充實水柱比噴霧水形式產(chǎn)生的裂紋數(shù)目多;玻璃受熱的溫度越高，遇水后產(chǎn)生的裂紋數(shù)目越多;同一溫度下，受熱的時間越長，遇水后產(chǎn)生的裂紋數(shù)目越多;，玻璃越厚，遇水后產(chǎn)生的裂紋數(shù)目越多。

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