高溫下水平鋼化玻璃抗彎性能研究

南化祥，詹子娜，梁孟羽，端木祥玲，李 龍

(中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所，北京 100030)

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，各類建筑層出不窮，人們對環(huán)境的舒適度和通透性也有了越來越高的要求。玻璃因其具有透明性、耐久性和優(yōu)良的力學(xué)性能而被人們廣泛關(guān)注，在建筑中使用的頻率也越來越高，玻璃作為材料不但可以滿足功能上的使用要求，而且還具有輕盈性、通透性、虛幻性和多彩性等特點。

由于玻璃具有透明性等優(yōu)良的性能，玻璃從傳統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)材料(門窗、幕墻和采光頂)發(fā)展到最新的結(jié)構(gòu)材料(如玻璃地板、樓梯和墻體)。在水平方向上，采用玻璃樓板，可以增加垂直方向上的透明性，所以，越來越多的建筑內(nèi)部采用玻璃樓板作為建筑構(gòu)件。尤其是鋼化玻璃，因其強度高、熱穩(wěn)定性好和安全性高的特點日益廣泛地應(yīng)用于建筑工程中，鋼化玻璃作為水平建筑構(gòu)件，目前被大規(guī)模應(yīng)用到室外，尤其是在高空玻璃棧道中的使用，吸引了大量游客前去游覽、挑戰(zhàn)。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，玻璃樓板在工程內(nèi)部的應(yīng)用越來越廣泛，初始的使用，多是裝飾功能，如廣州電視塔的觀景臺、中央電視臺懸挑部分觀景樓板、上海東方明珠透明觀光層、北京奧運景觀塔觀光平臺、北京南站高架候車廳等，但隨著建筑師對建筑室內(nèi)效果的追求，鋼化玻璃樓板在一些工程中逐漸作為承重樓板構(gòu)件出現(xiàn)。

水平玻璃結(jié)構(gòu)對玻璃的強度、抗彎剛度以及使用安全性都有很高的要求。水平鋼化玻璃構(gòu)件，在常溫下既能滿足建筑使用功能的需求，又能滿足安全的要求，然而，玻璃的抗火性較差[1,2]，一旦發(fā)生火災(zāi)，這些構(gòu)件是否能夠滿足安全需要，對其進行研究的學(xué)者較少，國內(nèi)外學(xué)者主要對豎直方向的玻璃構(gòu)件研究較多。該文通過試驗，對水平鋼化玻璃高溫下的抗彎性能進行研究，為水平鋼化玻璃構(gòu)件在建筑中的使用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗方案

鋼化玻璃在高溫下其抗彎強度是否會發(fā)生變化，直接關(guān)系著水平鋼化玻璃構(gòu)件的安全，以研究不同厚度鋼化玻璃在不同溫度下，抗彎強度變化為目的，開展此次試驗。

1.1 試驗邊界條件

1.1.1 試驗溫度

由于鋼化玻璃可承受的溫度范圍為250～320 ℃，一旦火災(zāi)出現(xiàn)，周圍溫度急劇上升，一般在5～8 min時鋼化玻璃就會炸裂[3,4]。同時，常溫應(yīng)變片工作的溫度范圍為-30～60 ℃。因此，在試驗過程中選擇5個溫度：25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃，進行高溫下鋼化玻璃抗彎強度的試驗分析。

1.1.2 試驗溫度環(huán)境

在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能試驗分為穩(wěn)態(tài)試驗和瞬態(tài)試驗。穩(wěn)態(tài)試驗是指先將試驗的試件加熱到目標(biāo)溫度并維持不變，然后再進行加載試驗，直至試件發(fā)生破壞。瞬態(tài)試驗是指先對試件進行加載，維持荷載不變，然后對試件進行升溫，直至試件破壞。為了更好地模擬鋼化玻璃在實際應(yīng)用溫度環(huán)境下抗彎強度的變化以及確保鋼化玻璃內(nèi)部溫度應(yīng)力不發(fā)生大的變化，采用穩(wěn)態(tài)試驗進行。

1.2 試驗試件

此次試驗依據(jù)為《玻璃材料彎曲強度試驗方法》(JC/T676—1997)[5]，同時，結(jié)合試驗場地的試驗設(shè)備的尺寸及試驗開展的可行性，試驗場地試驗爐為柱形的立體對開式結(jié)構(gòu)，爐膛內(nèi)徑300 mm，高400 mm，爐體下部設(shè)置的直徑為160 mm的高強保溫爐體，因此，試驗的試件尺寸選擇為120 mm×20 mm。通過對鋼化玻璃使用情況的調(diào)研，試驗試樣的厚度選用8 mm和12 mm。根據(jù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，每組測試試件數(shù)量為15～20個，試驗每組選擇15個試件。

1.3 試驗裝置

根據(jù)常溫下鋼化玻璃的抗彎強度測試的測試原理，并結(jié)合試驗場地內(nèi)現(xiàn)有的試驗設(shè)備，設(shè)計了此次高溫下水平鋼化玻璃的抗彎強度測試的試驗臺。設(shè)計時充分利用加熱爐內(nèi)部空間，將高溫環(huán)境和加載要求結(jié)合起來。設(shè)計利用中間錨桿的拉力使其作用于上部的不銹鋼壓頭，使玻璃試件的中間部位均勻受壓。在加載過程中利用中間的荷載傳感器采集荷載數(shù)據(jù)。為避免高溫對微型位移計儀器的損傷，在探頭接觸處用耐高溫的陶瓷棒加長，深入高溫爐內(nèi)壓頭下接觸面，用以間接采集玻璃的撓度變化。

1.4 測試指標(biāo)及記錄

1.4.1 溫度

溫度是該論文研究的前提，試驗時采用用K型熱電偶分別測量鋼化玻璃試件上、下表面的溫度和試件周圍的溫度。

1.4.2 位移

選擇微米專用位移計，精度0.005～0.01 mm。該位移計的工作環(huán)境溫度為-60～150 ℃。由于需要在高溫下測試，因此，將位移計的探頭改為耐高溫的陶瓷棒，伸進高溫空間測量玻璃試件的撓度。

位移計用支架架設(shè)在試驗爐下部，傳感器體放置在試驗爐外部，將陶瓷探頭伸進試驗爐高溫空間。調(diào)整探頭位置接觸壓頭下部，盡量保證位移計探針的垂直度。

1.4.3 荷載

國家檢測機構(gòu)在常溫下測試鋼化玻璃的性能時，采用電子自動加載，在高溫下的加載設(shè)備，尚未有成熟的產(chǎn)品，因此，試驗采用千斤頂進行試驗，并對加載過程進行檢測。待玻璃溫度與周圍溫度恒定后開始加載，根據(jù)常溫下有關(guān)鋼化玻璃的試驗數(shù)據(jù)，選用量程為7 kN荷載傳感器，測量荷載值。

1.4.4 應(yīng)變

實驗采用應(yīng)變片作為應(yīng)變測試裝置。試驗選擇高溫應(yīng)變片和普通應(yīng)變片兩種。普通應(yīng)變片，常溫和60 ℃溫度下使用。高溫應(yīng)變片，試驗過程中最高溫度為300 ℃左右。鋼化玻璃試件較小，根據(jù)選擇的應(yīng)變片尺寸將應(yīng)變片貼在玻璃試件的下部。應(yīng)變片的尺寸為10.2 mm×5.6 mm。

應(yīng)變片的安裝一般有焊接、膠接、嵌入。試驗選用膠接的方式。為了降低膠水固化溫度對玻璃試件的影響，通過對比不同膠水的效果，試驗選擇H-610膠水，工作溫度為-269～280 ℃。

1.4.5 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)采集板、顯示屏、數(shù)據(jù)導(dǎo)線等。數(shù)據(jù)采集儀記錄以上幾類數(shù)據(jù)，并實時儲存在電腦中。

1.5 試驗工況及過程

1.5.1 試驗試件準(zhǔn)備

試驗共在5個溫度(25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃)下對水平鋼化玻璃的抗彎性能進行研究，每個溫度下測試15個構(gòu)件。使用游標(biāo)卡尺測量每個試件的尺寸和厚度，并做好記錄。測試完成后，粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變片的粘貼是該試驗的難點也是關(guān)鍵點，應(yīng)變片粘貼的好壞，對試驗的結(jié)果也會產(chǎn)生一定影響。尤其是中高溫下應(yīng)變片膠水的固化。試驗選用的是H-610膠水，該膠水具有蠕變小、滯后低、重復(fù)性好、使用溫度寬、粘度低、不需上底膠等優(yōu)點。使用溫度范圍為-269～280 ℃。H-610膠水由A、B兩部分組成，在使用中粘貼好應(yīng)變片之后，在聚四氟乙烯薄膜上蓋上硅膠板加壓0.1～0.3 MPa并保持恒定，放進烘箱固化。以每分鐘2 ℃的速度由室溫升至135 ℃保持2 h，隨烘箱冷卻至室溫后卸壓。再以同樣的速度升溫至165 ℃，保溫2 h，降至室溫后電阻應(yīng)變片粘貼完畢。

1.5.2 試驗過程

1)試件固定

試驗時將試件放入電加熱爐內(nèi)，在不銹鋼支架上放好玻璃試件，確保試件的受力點在中間位置，檢查應(yīng)變片測量線路是否正常，然后調(diào)節(jié)位移測量裝置，使耐高溫的陶瓷探頭盡可能的垂直于不銹鋼壓頭的下部，固定好試件位置。

2)升溫

關(guān)閉電加熱爐，加熱爐上部用防火棉封閉，調(diào)節(jié)控溫器開始升溫。待升溫爐達到設(shè)定溫度后恒定，試驗中試件的厚度分別為8 mm和12 mm，為避免受熱不均勻影響試驗結(jié)果，待升溫爐達到設(shè)定溫度后，分別在10 min和15 min后開始加載試驗。

3)加載破碎

根據(jù)理論分析得到兩種試件破壞的最大極限強度在200 MPa左右，則破壞的最大荷載為2 kN左右，實驗采用通過穿心千斤頂和上部的壓頭給試件施加均勻拉力的加載方案。根據(jù)常溫下試驗機的加載原理及加載部位的尺寸，制定了實驗的壓頭。壓頭下部與螺栓連接，螺栓從高溫爐中間的孔洞中穿過，同時穿過荷載傳感器和穿心千斤頂，穿過千斤頂后下部用螺母固定，整個裝置放置在方形鋼片支架上。

使用穿心千斤頂，手動緩慢加載，在加載過程中觀察整個裝置的工作狀態(tài)。試驗過程中數(shù)據(jù)采集儀采集試驗過程中的荷載數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)。鋼化玻璃試件破壞為脆性破壞，在達到破壞荷載時電加熱爐內(nèi)鋼化玻璃會突然碎裂，試件破壞。

一個試件試驗結(jié)束后，打開高溫爐使溫度降至室溫再進行下一個試件試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗溫度

溫度梯度是電加熱爐設(shè)定的溫度，在升溫試驗中，采集的鋼化玻璃試件表面的溫度會有波動。從試驗結(jié)果分析可知，溫度越高，玻璃表面上下的溫差越大，最大溫差為49.28 ℃。分析發(fā)現(xiàn)鋼化玻璃試件上下表面溫度差的產(chǎn)生是因為在電熱爐的下部留有洞口加載及位移測量裝置，形成了一定的空氣流動，使加熱不夠均勻，為后續(xù)試驗裝置的改進提供了依據(jù)。

2.2 荷載、位移、應(yīng)變

由試件破壞時的最大荷載作為破壞荷載來計算該試件的破壞強度，位移最大值為試件破壞時的位移。該文摘取了8 mm試件在200 ℃時，荷載、位移、應(yīng)變曲線一組數(shù)據(jù)，繪制成曲線，如圖1所示。摘取了兩種厚度試件應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖2所示。

由圖1可以看出，與電動加載曲線按比例直線上升相比，試驗手動加載曲線不光滑，但在手動情況下依次遞增，位移曲線也依次遞增升高，在試件破壞時位移達到最大。根據(jù)試驗可知，隨著荷載的增加，位移也不斷地增加，應(yīng)變也相繼增大。由圖2可以看出，兩種不同厚度構(gòu)件的應(yīng)變變化規(guī)律不同，8 mm試件應(yīng)變隨溫度升高而下降，12 mm試件應(yīng)變隨溫度升高先上升后下降。

2.3 強度、位移

8 mm、12 mm鋼化玻璃試件在25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃和300 ℃時的強度和位移結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗結(jié)果分析，隨著溫度升高，鋼化玻璃的強度降低，初步分析，應(yīng)該是由于隨著溫度升高，鋼化玻璃軟化，其強度降低。8 mm厚鋼化玻璃的強度降低7.17%，12 mm厚鋼化玻璃的強度降低12.19%。8 mm厚鋼化玻璃的位移增大3.87%，12 mm厚鋼化玻璃的位移增大2.99%。

表1 8 mm、12 mm厚鋼化玻璃不同溫度下強度與位移分析表

3 結(jié) 論

a.鋼化玻璃在溫度升高時，強度都有所降低，高溫對厚度較大的鋼化玻璃影響較大。

b.兩種厚度的鋼化玻璃隨溫度的升高，位移也有所增大，即鋼化玻璃的撓度稍微有所變大、軟化程度變大。厚度較厚的鋼化玻璃抵抗變形的能力較強。

c.兩種厚度的鋼化玻璃其應(yīng)變的變化沒有特定的規(guī)律，根據(jù)分析，因高溫爐內(nèi)鋼化玻璃破裂的位置無法觀察，可能每個試件初始裂紋的位置不同，而且玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著一定缺陷和微裂紋，在一定程度上增加了玻璃試件破裂的隨機性。

[1] Emmons H W.The Needed Fire Science [J].Fire Safety Science,1986(1):33-53.

[2] Pagni P.Fire Physics-promises,Problems,and Progress[J].Fire Safety Science,1989,2(2):49-66.

[3] 陳 佳.鋼化玻璃安全性能的理論分析與實驗研究[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

[4] 季 慧.建筑玻璃結(jié)構(gòu)的抗震性能研究現(xiàn)狀與進展[J].結(jié)構(gòu)工程師,2011,27(6):141-146.

[5] JC/T 676—1997，玻璃材料彎曲強度試驗方法[S].