全封閉燃氣自動加熱爐條件下單片防火玻璃的不合格現象研究

李浩

山東省產品質量檢驗研究院（250102）

全封閉燃氣自動加熱爐條件下單片防火玻璃的不合格現象研究

李浩

山東省產品質量檢驗研究院（250102）

這里簡要介紹了防火玻璃的分類以及加工方法，著重介紹了全封閉燃氣自動加熱爐耐火試驗方法以及對單片防火玻璃的兩種不合格現象分析。鋼化工藝以及玻璃選材不當均會對防火玻璃的性能產生不利影響，應選擇合適的原片玻璃以及更合理的鋼化工藝以提高防火玻璃的安全性和耐火性。

防火玻璃；耐火性能；失效分析

0 引言

防火玻璃是建筑防火工程的重要材料之一,它除了具有防火、采光的功能,還有控制光線、調節能量、節約采暖和控制噪聲、降低建筑結構自重以及防輻射、防爆等特殊用途[1]。隨著防火玻璃越來越多地應用于現代復雜大型建筑中，如幕墻、防火隔墻、防火隔斷、防火窗、帶玻璃防火門等，工程中對防火玻璃耐火性能要求也越來越高。

建筑用防火玻璃可分為復合防火玻璃和單片防火玻璃。復合隔熱型防火玻璃通常由兩層或多層玻璃原片附之一層或多層無機防火膠夾層復合而成?；馂陌l生時復合防火玻璃向火面玻璃破碎，但其防火膠夾層發泡膨脹形成防火膠版，既可有效地阻隔高溫又可隔絕火焰、煙霧及有毒氣體。單片防火玻璃僅由一層防火玻璃構成，通透性好，質量輕，故廣泛應用于現代建筑中。雖然單片防火玻璃在一定耐火時間內可阻斷火焰和煙氣的蔓延，但其受熱時具有高輻射照度，可能會影響背火面的環境溫度，進而引燃可燃物[2]，所以單片防火玻璃的應用也受到了一定限制。

為了更好的研究火災條件下單片防火玻璃的破裂行為，本文依據國家標準要求，對同一廠家生產的兩種不同厚度的單片防火玻璃進行耐火試驗，以為防火玻璃性能改進提供試驗依據。

1 防火玻璃耐火性能測試平臺

文章根據建筑材料防火試驗國家標準要求[3-5]，對防火玻璃的耐熱性能進行測試。試驗所用防火玻璃耐火性能測試平臺由燃燒加熱爐爐體、燃氣系統、送排風系統、燃燒控制系統組成。整個爐體采用全封閉結構，使用液化石油氣作燃料，明火加熱，燃氣供給、送排風、燃燒試驗全過程可自動控制也可手動控制加熱爐工作系統各部分，如圖1所示。

測試平臺的燃燒系統由全封閉燃氣自動加熱爐及其控制臺、燃氣供應室和燃氣輸送管道組成。試驗中采用燃氣燃燒方法模擬實際火災情況。在燃燒爐左、右、后三面爐墻上分別設燃氣進氣口和點火器,由燃燒爐試驗車間外燃氣供應室提供燃氣。爐內溫度測試應采用絲徑為0.75~2.30 mm的鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶，外罩耐熱不銹鋼管套或耐熱瓷套管，中間填裝耐熱材料，如圖2所示。所有熱電偶的熱端均勻分布在距試件受火面（100±10）mm的垂直平面內。同時，燃燒爐一側爐墻上設有監控裝置，用以觀察爐內燃氣燃燒情況。

圖1 防火玻璃耐火性能測試平臺實景圖

圖2 鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶結構示意圖

2 防火玻璃耐火性能試驗過程及結果分析

2.1 防火玻璃耐火性能試驗

進行耐火試驗前，防火玻璃安裝在加熱爐位于集煙罩正下方的爐墻上，爐墻以耐火磚填充，防火玻璃與耐火磚之間的縫隙由耐火棉封堵，如圖3所示。同時，接通控制臺等設備電源，打開監控系統對試驗全過程進行錄像。

圖3 防火玻璃耐火試驗實景

耐火性能測試開始時，打開燃氣、鼓風、引風開關，進行點火。試驗進行過程中，隨時注意爐內溫度及樣品試驗情況。爐內溫度點由控制臺電腦自動記錄，并在試驗結束后形成曲線。

文章中采用樣品為單片防火玻璃。由于試驗所用樣品為非隔熱型防火玻璃，故僅對樣品完整性進行觀測，不記錄樣品背火面溫度變化。

2.2 防火玻璃耐火性能試驗結果與分析

2.2.1 防火玻璃耐火性能試驗結果

耐火性能試驗中主要記錄了爐內溫度變化以及樣品隨時間和溫度變化所呈現的試驗現象。圖4為試驗剛開始時樣品的狀況:

圖4耐火試驗開始前樣品狀況

圖4 中可以看出兩塊防火玻璃樣品分別以同樣鑲嵌方式嵌入防火墻體進行耐火試驗。由于兩塊玻璃的耐火時間期望值均為90 min，試驗時間設定為91 min。根據標準要求，爐內溫度曲線繪制開始溫度點在329℃左右。試驗進行過程中，樣品一逐漸出現軟化現象，直至最后玻璃上方軟化坍塌導致支撐框與玻璃間出現大面積脫落，火焰從軟化形成的開口噴出，樣品一失去了耐火完整性，具體情況如圖5所示。

在試驗過程中，樣品二并未出現明顯軟化坍塌。但在試驗進行到4 min時，樣品二突然發生破裂并伴隨較大聲響。圖6為耐火試驗結束時防火玻璃樣品二的情況。圖中可以看出，破裂后的樣品出現巨大出火口，火焰可從中冒出，樣品二的碎片顆粒細小均勻，無大塊碎片和銳角。這種類型的破裂形式為典型的鋼化玻璃破碎形式。

圖6 試驗結束時防火玻璃樣品二的失效情況

試驗中的爐溫變化情況符合國家標準要求。12 mm厚防火玻璃在試驗過程中出現軟化坍塌，導致玻璃失效試驗結束時，爐溫曲線出現一定程度的下降。從圖7a中的爐溫曲線可以看出，防火玻璃樣品一在78 min失效時，爐溫從918℃降至903℃。這是因為玻璃失效產生的縫隙使爐內熱空氣與爐外冷空氣產生對流所致。從圖5中也可以看出，玻璃軟化產生的間隙使爐內火焰向外傳播，防火玻璃阻擋火焰及煙氣的功能喪失。樣品二在試驗開始4 min后破碎，此時溫度并未升到500℃，如圖7b所示。

2.2.2 防火玻璃耐火性能試驗結果分析

樣品一和樣品二的試驗情況呈現了兩種典型的防火玻璃失效形式:軟化坍塌和破碎。試驗所用單片防火玻璃為浮法玻璃鋼化而成。無論是物理鋼化還是化學鋼化,其目的都是在玻璃表面形成壓應力，以提高玻璃的抗沖擊強度和抗彎強度，通常鋼化玻璃的抗沖擊強度是普通退火玻璃的3~5倍，抗彎強度是普通退火玻璃的2~3倍[6]，因而鋼化玻璃的安全性與耐火性比普通玻璃要強得多。

圖7 防火玻璃耐火試驗爐溫平均值曲線

樣品一在試驗開始78 min時發生軟化坍塌，導致失去耐火完整性。普通浮法玻璃的軟化溫度在650℃左右，由于經過處理，鋼化玻璃的軟化溫度比普通浮法玻璃有很大提高。理論計算表明，對于高強鋼化玻璃，當邊緣與中心的溫度差達到1 000℃時玻璃才會軟化坍塌[7]。而在溫度僅達到918℃時樣品一已出現大范圍軟化坍塌，火焰從開口處噴出，玻璃失去耐火完整性。理論上說，高強鋼化玻璃在因熱沖擊而破裂之前會因溫度過高而軟化。樣品一即為此情況。雖然表面壓應力能抵御熱沖擊，但是78 min時的溫度已超過樣品一的軟化溫度，所以樣品一出現大面積軟化坍塌而失效。

樣品二的鋼化防火玻璃在試驗開始4 min時，受到內部張力作用，應力瞬時釋放，導致玻璃碎成細小碎片，原防火玻璃上形成很大出火口。合格的防火玻璃應當能抵御一定高溫而不破碎，樣品二的破碎原因可能是鋼化時選擇的鋼化工藝不恰當，使得形成的表面壓應力不足，影響玻璃的耐熱性。

3 結論與展望

單片防火玻璃因其重量輕，在高溫下能保持透明，便于觀察火情和煙氣狀況，因而得到越來越多的應用。但是在本文火災模擬試驗中，兩個樣品均出現失效狀況。兩種失效的原因一是由于選材不當，二是由于鋼化工藝不完善，導致生產出的防火玻璃沒有達到預期的性能。然而單片玻璃在建筑中的應用會越來越廣泛，這就要求進一步改進鋼化防火玻璃處理工藝，以得到安全性更高、耐火性更強的單片防火玻璃。

[1]吳穎捷,卓萍.凝膠型防火玻璃穩定性研究[J].消防科學與技術,2006,25(2)2:250-252.

[2]疏學明,邵荃,等.水噴淋保護下單片防火玻璃耐熱性能實驗研究[J].中國工程科學,2006,8(6):64-68.

[3]GB/T 9978.1-2008,建筑構件耐火試驗方法第一部分:通用要求[S].

[4]GB 15763.1-2009,建筑用安全玻璃第一部分:防火玻璃[S].

[5]GB 12513-2006,鑲玻璃耐火構件試驗方法[S].

[6]張慶文.受限空間火災環境下玻璃破裂行為研究[D].安徽合肥:中國科學技術大學,2006.

[7]蘭彬.建筑用防火玻璃的表面處理技術[J].消防技術與產品信息,2004(6):56-58.