高溫窗玻璃遇水炸裂痕跡研究

摘 要:本文通過(guò)模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中高溫條件下窗玻璃在滅火過(guò)程中遇水炸裂的情況，對(duì)普通窗玻璃遇水炸裂進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jī)理及其對(duì)裂紋形成的主要影響因素，為火災(zāi)調(diào)查中運(yùn)用此類痕跡判斷火災(zāi)過(guò)程提供了有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞:窗玻璃遇水炸裂熱應(yīng)力裂紋

中圖分類號(hào):X932文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(zāi)中，窗玻璃容易被破壞而產(chǎn)生玻璃破壞痕跡。火場(chǎng)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(shí)遇水冷卻炸裂三種情況造成的。在火災(zāi)調(diào)查中，玻璃破壞痕跡可以用來(lái)判斷玻璃破壞的原因、受力方向、破壞的時(shí)間、火勢(shì)的猛烈程度、火勢(shì)的蔓延方向、起火點(diǎn)的位置等。在已有的窗玻璃裂紋研究中，對(duì)于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中機(jī)械破壞和熱炸裂痕跡的研究較多，而關(guān)于高溫窗玻璃遇水炸裂痕跡的研究則較少。因此，本文通過(guò)研究窗玻璃在各種實(shí)驗(yàn)溫度下產(chǎn)生裂紋的情況，推導(dǎo)玻璃在各種實(shí)驗(yàn)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(zāi)的熱環(huán)境。該爐膛尺寸為200mm×125mm×325mm，膛內(nèi)溫度最高可達(dá)1100℃。以爐口為模擬窗口。將玻璃切割成5cm×5cm大小，實(shí)驗(yàn)方法是分別將3mm、5mm厚的窗玻璃在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃幾個(gè)不同溫度下進(jìn)行時(shí)間為10min和30min的受熱。當(dāng)加熱結(jié)束之后，分別用充實(shí)水柱和噴霧水兩種射水方法對(duì)窗玻璃進(jìn)行冷卻。觀察不同實(shí)驗(yàn)條件作用下窗玻璃的炸裂痕跡。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3．1 不同冷卻方式情況下的炸裂痕跡

在相同受熱時(shí)間、相同受熱溫度、相同厚度玻璃情況下用充實(shí)水柱進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行冷卻過(guò)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(gè)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(wú)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(shí)間、相同厚度玻璃、相同冷卻方式情況下在較高溫度下對(duì)窗玻璃進(jìn)行冷卻時(shí)，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(diǎn)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(guò)程緩慢;在相對(duì)較低的溫度下對(duì)窗玻璃進(jìn)行冷卻時(shí)，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(guò)的位置上形成裂紋。在非接觸點(diǎn)形成較少的裂紋或者不形成裂紋，背水面基本沒(méi)有裂紋。

3．3 不同受熱時(shí)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(shí)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(dú)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(zhǎng)受熱時(shí)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(shí)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(shí)，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(jī)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(shí)為脆性破壞。玻璃脆性破壞形式?jīng)Q定于應(yīng)力的種類。張應(yīng)力引起的拉斷，其斷裂線與應(yīng)力方向幾乎成90度角;壓應(yīng)力引起的剪斷，起斷裂線與應(yīng)力方向幾乎成45度角。(圖9)玻璃的破壞通常是從表面開(kāi)始的。因?yàn)槠浔砻娲嬖诖罅课⒘鸭y，使得表面強(qiáng)度低于內(nèi)部強(qiáng)度。微裂紋的產(chǎn)生則是由于原板上存在局部應(yīng)力集中，造成原子、分子之間的鍵斷裂而形成的。研究結(jié)果表明，玻璃表面的張應(yīng)力是微裂紋產(chǎn)生與發(fā)展的原因。

微裂紋的擴(kuò)展取決于裂紋頂端所加的力和其端部的原子、分子熱運(yùn)動(dòng)。微裂紋受端部應(yīng)力作用擴(kuò)展成裂縫與裂縫剩余面積(未斷裂面積)上的單位負(fù)荷有關(guān)。此單位負(fù)荷超過(guò)某一臨界值時(shí)，微裂紋就會(huì)擴(kuò)展。然而，實(shí)驗(yàn)表明，裂紋端部應(yīng)力值低于應(yīng)力臨界值時(shí)，微裂紋也可能擴(kuò)展，這時(shí)的擴(kuò)展主要是由于其端部的原子和分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力所致。

玻璃的脆性破壞過(guò)程可認(rèn)為是:由于火場(chǎng)中氣流運(yùn)動(dòng)或其他原因所產(chǎn)生的張應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃表面產(chǎn)生微裂紋;當(dāng)玻璃表面受到滅火時(shí)水流沖擊或熱負(fù)荷作用時(shí)，微裂紋擴(kuò)展成裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。

4．1．2 玻璃的遇水炸裂破壞

玻璃是導(dǎo)熱性很差的材料，火場(chǎng)上窗玻璃受火焰和熱煙氣流作用，受火面溫度很高為火場(chǎng)溫度，背火面為室外溫度。如果火災(zāi)中玻璃升溫速度較慢，玻璃在升溫過(guò)程中未被破壞而均勻升溫，當(dāng)滅火時(shí)遇冷卻水流沖擊時(shí)，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(dǎo)致其產(chǎn)生不同程度的應(yīng)變。在玻璃彈性限度內(nèi)，應(yīng)變愈大，其伴生的應(yīng)力亦愈大。玻璃的熱破壞就決定于這一熱應(yīng)力的大小、種類以及最大熱應(yīng)力所處部位。

理論計(jì)算表明，當(dāng)玻璃中間與表面的溫差超過(guò)300℃時(shí)，玻璃就會(huì)因熱應(yīng)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(chǎng)中高溫窗玻璃遇水炸裂裂紋的形成是由滅火時(shí)的冷卻方式、玻璃的受熱溫度、受熱時(shí)間和玻璃厚度這四個(gè)主要影響因素共同作用的結(jié)果。裂紋的形成是一個(gè)復(fù)雜而綜合的作用過(guò)程，本文只研究在單一影響因素改變對(duì)玻璃裂紋形成的影響。

4．2．1 冷卻方式的影響

采用充實(shí)水柱冷卻方式，保證了在一段相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)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(yīng)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(shí)際上是無(wú)數(shù)細(xì)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(dǎo)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(yīng)力為一逐漸減小的變量，所以采用噴霧水冷卻時(shí)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(yīng)力

(5)

——修正應(yīng)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(shí)當(dāng)水流以相同壓力從水槍口噴出時(shí)，落在單位面積玻璃上的冷卻水所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，噴霧水產(chǎn)生的壓強(qiáng)相對(duì)充實(shí)水柱的壓強(qiáng)較小，因?yàn)閲婌F水的沖擊力平均分布在整個(gè)接觸面，所以裂紋形成程度沒(méi)有充實(shí)水柱冷卻方式形成的明顯。充實(shí)水柱的落點(diǎn)比較集中，所以產(chǎn)生較大的沖擊力，更加快了微裂紋的擴(kuò)展，使裂紋程度加深，所以采用充實(shí)水柱冷卻時(shí)窗玻璃的炸裂程度較高;用噴霧水冷卻時(shí)小水珠在高溫窗玻璃表面發(fā)生熱交換，達(dá)到沸點(diǎn)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(gè)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(dāng)與冷卻水接觸發(fā)生熱交換，有較多的能量轉(zhuǎn)化成熱應(yīng)力使窗玻璃炸裂;在相對(duì)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(yīng)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(chǎng)中，為滅火用水的溫度是恒定值，為環(huán)境溫度。為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火焰和熱煙氣流對(duì)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(chǎng)中窗玻璃外表面的溫度越高，冷卻水溫度恒定時(shí)，數(shù)值越大，熱應(yīng)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(shí)間的影響

對(duì)于窗玻璃這種熱的不良導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，短時(shí)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(huì)在接觸位置出現(xiàn)較大的溫度差，不能產(chǎn)生足夠的熱應(yīng)力使窗玻璃炸裂;較長(zhǎng)的受熱時(shí)間是窗玻璃溫度提高和均勻分布的必要條件，當(dāng)受熱時(shí)間超過(guò)某一時(shí)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(shí)遇到冷卻水會(huì)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(yīng)力使窗玻璃產(chǎn)生熱炸裂。

火場(chǎng)中窗玻璃的受熱升溫過(guò)程中存在一個(gè)極限時(shí)間，它是玻璃溫度從不均勻分布向均勻分布的界限時(shí)間。窗玻璃從受到火焰和熱煙氣流作用起溫度開(kāi)始升高，當(dāng)時(shí)，窗玻璃各位置的溫度不均勻。這時(shí)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(dāng)時(shí)，玻璃的外表面溫度始終與火場(chǎng)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(guò)測(cè)量火場(chǎng)溫度來(lái)求得。這時(shí)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(dǎo)體，窗玻璃受熱時(shí)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(dāng)均勻受熱的窗玻璃表面接觸冷卻水的時(shí)候，也會(huì)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(huì)產(chǎn)生更大的熱應(yīng)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(diǎn)的溫度不同，玻璃截面各點(diǎn)溫度T與各點(diǎn)空間坐標(biāo)x、y、z成反比例關(guān)系，距離受熱位置越遠(yuǎn)，該點(diǎn)的溫度越低，這就是玻璃中溫度的梯度分布;而與時(shí)間t成正比例關(guān)系，受熱時(shí)間越長(zhǎng)，玻璃上任意一點(diǎn)的溫度越高。對(duì)于玻璃溫度的梯度分布存在一個(gè)極限時(shí)間，為梯度消失的時(shí)間。當(dāng)傳熱梯度差消失以后，窗玻璃各點(diǎn)溫度T的分布不再隨時(shí)間t的改變而存在梯度分布，而是始終為火場(chǎng)中火焰和熱煙氣流的溫度。

總之，在火災(zāi)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(shí)溫度差所造成的熱應(yīng)力。火場(chǎng)中射水時(shí)單位面積上的水壓越大，裂紋越多而且明顯;火場(chǎng)中火焰和熱煙氣流溫度越高、窗玻璃受熱時(shí)間越長(zhǎng)、窗玻璃越厚，當(dāng)遇冷卻水時(shí)，在接觸面產(chǎn)生的溫度差越大，熱應(yīng)力越大，裂紋越多越明顯。

5 總結(jié)

(1)滅火時(shí)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(diǎn)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(shí)由于溫度差在接觸面引起的熱應(yīng)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(shí)，充實(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，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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