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

(武警學院 a.研究生隊；b.消防工程系，河北 廊坊 065000)

0 引言

玻璃廣泛應用于人們的日常生活中。隨著玻璃的普及，研究人員對玻璃在火災環境下的行為特征進行了一些探索。劉義祥[1]研究了玻璃遇水炸裂的機理，提出玻璃的熱破壞決定于熱應力的大小、種類以及最大熱應力所處部位。王承遇[2]用Griffith理論解釋了玻璃發生熱炸裂時其表面出現樹枝狀裂紋以及裂成許多塊等現象的原因。王永清[3]對玻璃受熱和外力擊碎不同的破裂痕跡的區別進行了對比。林松[4]研究了玻璃出現軟化、熔化流淌等破壞形式的特征及其與火場溫度的關系。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生的溫度場和應力場，研究了建筑玻璃熱炸裂機理及特性，提出熱炸裂的起始紋應垂直或近于垂直玻璃板的邊部。張慶文[6]利用ISO 9705標準燃燒室，對4 mm、6 mm單層浮法玻璃和10 mm鋼化玻璃進行了不同規模油池火全尺寸火災試驗，得出了玻璃火災響應的相關規律。李建華[7]對普通玻璃熱炸裂的形成過程進行了探討。胡建國[8]對玻璃破裂痕跡在火災調查現場的應用做了詳細描述。Hassani[9]研究了火災中玻璃的性能。Emmons[10]在進行了大量試驗研究基礎上認為玻璃內部熱應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]通過試驗發現了直裂紋、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中的證明作用進行試驗研究，以期對火災調查提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與設備

平板玻璃40 cm×40 cm(厚度2,3,4,6 mm)，沙河市志河鏡業科技有限公司；火災痕跡物證綜合實驗臺，武警學院研制；數據采集儀，Fluke 2635a，美國福祿克電子儀器儀表公司。

1.2 樣品制備

每種工況進行2次平行試驗，對個別結果相差較大的工況進行3次平行試驗，取試驗結果相近的兩次。

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中隨處可見。火場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分。控制火源種類，制備不同火源下的玻璃破壞痕跡，以研究火源種類對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.數據采集儀；2.酒精噴燈；3.灶臺火；4.油盤火

1.2.2 與火源不同相對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，因此在火場中存在玻璃與火源處于水平或垂直的相對位置。制備玻璃與火源不同相對位置的玻璃破壞痕跡，以研究玻璃與火源不同相對位置對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分別固定在灶臺火火焰上方和火焰一側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 試驗結果與討論

2.1 火源種類對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間的增長而升高，在受熱10～40 s內玻璃升溫速率較快，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。玻璃在酒精噴燈作用下受熱84 s時發生熱炸裂，此時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，周圍形成一側以受熱點為中心向四周擴展的彎曲裂紋，另一側為包裹狀條形裂紋，碎塊形狀不規則，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，灶臺火作用下玻璃溫度隨時間的增長而升高，在整個受熱過程中，玻璃升溫速率都較為緩和。玻璃在灶臺火作用下受熱91 s時破裂，此時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，形成以受火點為中心向四周擴散的彎曲裂紋，且在一側整體形成相互交叉的樹枝狀裂紋，另一側為包裹狀條形裂紋。由圖4(c)、(d)可以看出，油盤火作用下玻璃溫度隨時間的增長而升高，受熱100 s后玻璃升溫速率明顯提高。整個受熱過程中，玻璃升溫速率都較為緩和，無較大浮動。玻璃在油盤火作用下受熱452 s時破裂，此時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，無包裹狀條形裂紋，碎片多為大曲度圓弧狀。玻璃為不良導體，溫度不會很快的傳遞到背火面，受火面和背火面的溫差不斷增大，當溫差產生的熱應力達到或超過玻璃的臨界應力時，玻璃會產生裂紋，一般受熱時不同點溫度超過70～80 ℃就會產生熱炸裂。酒精噴燈為點火源，熱量集中，溫度能在短時間內升高，在點火源作用下，玻璃小部分受熱并在短時間內受火面和背火面產生溫差，但因點火源只作用在玻璃的一點，小部分產生極大溫差也無法使玻璃大面積破裂，只有當點火源在玻璃受火點形成“燒洞”時，才會引起裂紋的不斷產生且失穩擴展，從而導致整塊玻璃破裂。灶臺火為面火源，其產生熱量大面積均勻分布，玻璃在灶臺火作用下大面積均勻穩定受熱，玻璃大部分面積的受火面和背火面可在短時間內產生超出玻璃臨界應力的溫差，從而使玻璃在短時間內發生破裂，但因面火源較點火源升溫速率慢，所以玻璃在灶臺火作用下較在酒精噴燈作用下發生破裂的時間長。油盤火同為面火源，但其火焰不穩定，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火作用下發生破裂的時間更長，溫度更高。

(a)酒精噴燈

(b)灶臺火

(c)油盤火

(d)時間-溫度曲線圖

2.2 火源與玻璃的相對位置對熱破壞痕跡的影響

圖5為3 mm平板玻璃在灶臺火作用下相對位置不同時的受熱破壞情況。灶臺火垂直作用下玻璃溫度隨時間的增長而升高，玻璃受熱117 s時破裂，其受火面中心溫度為145 ℃。由圖5(a)、(c)可以看出，玻璃在灶臺火垂直作用下發生熱炸裂的裂紋較多，形成以受火點為中心向四周發散的炸裂痕跡，且在受火點一側形成相互交叉的樹枝狀裂紋，另一側為包裹狀條形裂紋。由圖5(b)、(d)可以看出，灶臺火水平作用下玻璃溫度隨時間的增長而升高，受熱600 s前，玻璃的溫升呈線性增長，之后溫升變緩。玻璃在灶臺火水平作用下未發生熱炸裂，玻璃顏色無變化，該試驗條件下玻璃溫度達到68 ℃后不再有明顯變化。玻璃在灶臺火垂直作用下大面積均勻受熱，受火面和背火面在一定時間內產生超出玻璃臨界應力的溫度差時，玻璃發生破裂。玻璃在距灶臺火10 cm水平作用下主要以熱輻射來升高溫度，而灶臺火火焰產生的熱能會加熱火焰周圍的空氣，進而降低其密度，被加熱的空氣上升，周圍的冷空氣取代其位置，這樣會加速熱空氣的上升，導致火焰也是向上升，因此玻璃在火源水平作用下時，熱輻射、熱對流傳遞的熱量很少，且熱量在傳遞過程中有損耗，同時玻璃自身散熱，導致玻璃升溫速率慢，無法產生達到或超出玻璃臨界應力的溫度差，所以玻璃在火源水平作用下時未發生破裂。

(a)火源垂直作用

(b)火源水平作用

(c)火源垂直作用下時間-溫度曲線

(d)火源水平作用下時間-溫度曲線

2.3 玻璃厚度對其熱破壞痕跡的影響

圖6為不同厚度平板玻璃在灶臺火上方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厚的玻璃在灶臺火作用下發生熱炸裂，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玻璃在灶臺火作用下發生熱炸裂，此時受火面中心溫度為151 ℃，整體裂紋少，裂紋集中分布在受火點周圍，邊角處有明顯裂紋，且在一側整體形成相互交叉的樹枝狀裂紋，另一側為包裹狀條形裂紋。如圖6(c)所示，4 mm玻璃在灶臺火作用下發生熱炸裂，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玻璃在灶臺火作用下發生熱炸裂，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其臨界應力發生破裂，因此隨著玻璃厚度的增加，其受熱發生破裂所需的溫差越高，其對應的受火面中心溫度也相應越高。

(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)不同玻璃厚度下時間-溫度曲線

3 結論

3.1 點火源較面火源更易使玻璃受火發生熱炸裂，且玻璃在點火源作用下發生熱炸裂的溫度更高，時間更短。酒精噴燈和灶臺火致玻璃熱炸裂的痕跡均為由受火中心向四周發散的破裂痕跡；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生熱炸裂，玻璃受火面中心溫度在達到一定值后不再發生變化。玻璃在灶臺火垂直作用下發生熱炸裂，形成樹枝狀裂紋，裂紋較多。

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

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