单片防火玻璃耐火机理分析之：玻璃热炸裂

单片防火玻璃耐火机理分析之：玻璃热炸裂

    玻璃是人们日常生活中随处可见的一种材料，因其透明、美观、高强度等优点被广泛应用于现代建筑中，近年来我国玻璃相关行业持续繁荣发展，玻璃产量、加工量和使用量也逐年增长。玻璃在门窗、幕墙等领域的应用使其成为建筑最主要的外墙材料之一，作为建筑物中构件的一部分，其力学、热学以及服役环境下的安全特性尤其受到关注，防火玻璃的概念和应用由此而生。在火灾发生时，玻璃虽不是可燃物，但是相比于混凝土和钢筋结构，其力学性能较为脆弱，在热载荷作用下非常容易发生破裂和脱落，因此有关防火玻璃的材料、性能和结构研究非常重要，也从未间断。防火玻璃的基础材料特性和耐火机理分析更是有助于指导防火玻璃的生产和使用，对提高建筑物防火安全设计的系统性具有特别的参考意义。

单片防火的概念和种类

国家标准 GB15763.1《 建筑用安全玻璃一防火玻璃 》将防火玻璃按照结构分为单片防火玻璃（ DFB ) 和复合防火玻璃（ FFB ) ，按照耐火性能分为隔热型防火玻璃（A类）和非隔热型防火玻璃（C类）。单片防火玻璃木质是用特殊材质或工艺进行强化的玻璃，其优点是透光性好、耐候性好、易于加工安装，在耐火性能上属于C类非隔热型防火玻璃，满足耐火完整性的要求。随着建筑安全及火灾防范意识的提高，我国建筑设计防火规范和消防验收检查制度也逐步完善，防火玻璃的产品体系和设计使用目前正在与发达国家同步接轨。近几年，国内防火玻璃标准不断修改完善，产品不断更新换代，市场对高品质、高稳定性的防火玻璃呼声越来越高，以硼硅酸盐单片玻璃和硅酸钾基复合防火玻璃为代表的技术和产品，有效降低了传统低端防火玻璃的不确定性，提升安全系数和耐火稳定性。

国标中约定的防火玻璃原片可以是镀膜或非镀膜的浮法玻璃、钢化玻璃，复合防火玻璃原片，还可选用单片防火玻璃。可见这个定义和范围是非常宽泛和笼统的，即原片玻璃和加工玻璃都可以作为防火玻璃的材料，理论上，任何达到耐火要求的玻璃材料或透明产品均可作为防火玻璃。实际上，直接从窑炉经成型退火得到的玻璃原片或玻璃材料是很少直接应用在生产生活中，所以单片防火玻璃作为加工玻璃产品，尤其是建筑用安全玻璃的一种，除了满足耐火性能要求外，还应满足建筑玻璃相应国家标准和规范，例如外观质量、钢化安全性、冲山安全性等。

    本文为了更清晰的梳理和介绍目前市场上常见的单片防火玻璃产品，仍坚持以玻璃材料的成分体系进行划分，再结合加工工艺进行细分，这也是不同防火玻璃产品差异化的根本所在。

防火玻璃

(1）钠钙硅系统玻璃

    市场上俗称的“高强度防火玻璃”、“高应力防火玻璃玻璃”、“铯钾防火玻璃”、“化学钢化玻璃”等等，均为钠钙硅原片玻璃（最常见的浮法玻璃）通过物理增强或化学增强引入表面压应力的强化玻璃。此类玻璃是通过在玻璃表面施加预应力层，进而提高其抵抗火灾环境下的热变形和热炸裂能力。

(2）硼硅酸盐系统玻璃

    硼硅酸盐玻璃是以碱硼硅系统经浮法或压延工艺生产出的原片玻璃，和普通的钠钙硅系统玻璃相比，其膨胀系数低、耐冷热冲击性能好，可应用于器皿玻璃、仪器玻璃和防火玻璃。目前市场上的硼硅单片防火玻璃是采用硼硅酸盐原片玻璃经钢化加工而成，被公认为是一种理想的高稳定性的单片防火玻璃，在欧洲己经得到了多年的推广应用。随着防火玻璃需求旺盛，国内硼硅玻璃生产技术和产品突飞猛进。该类型单片防火玻璃应用于高层建筑、公共场所等的防火隔断，具有透光率高和寿命长的优势，且随着国内产能的不断扩充，当未来价格逐步达到市场普遍接受的程度时，有望成为国内单片防火玻璃的主流产品。

单片防火玻璃的耐火机理

玻璃的本征力学性能直接决定着其在火灾受热时的承受能力。理论上，玻璃的抗压和抗弯强度均是较高的，但是由于实际生产和加工过程中玻璃表面及边缘大量的细微裂纹，其实际测量值要低得多，在实际工程应用中，出于安全方面的考虑，一般会采用30~50MPa作为普通玻璃和钢化玻璃的设计抗张强度，即玻璃强度受到尺寸效应尤其是裂纹尺寸效应的影响，且裂纹在持续外力作用下表现为快速扩展。在实际测试中，玻璃的抗弯强度很大程度上受到表面状态、边部加工质量、钢化应力三者综合因素的影响；进一步，建筑玻璃在使用过程中的持久应力作用、环境中水分及活性介质与玻璃表面反应也会引起疲劳破坏，玻璃表面磨伤和风沙对玻璃表面的磨损均会造成玻璃强度下降。

在玻璃表面预加压应力是有效提高抗弯强度的方法，因此目前常用的钠钙硅单片防火玻璃均采用了高表面应力的设计，表面压应力甚至远大于目前钢化玻璃标准约定的表面应力大于90MPa 。研究结果也显示，钢化应力与抗弯强度测试值有密切关系，在相同玻璃材质和加工条件下，玻璃抗弯强度与钢化应力符合一次线性方程关系，即随着钢化应力提高，抗弯强度增大，对于厚度6~15mm 范围内玻璃大量离散型数据分析，可得到了极限抗弯强度的包络线公式：

σ - 0.826σ钢化 + 37.826

但是玻璃的断裂强度离散性大，抗弯强度的测定与测试条件如加载方式、加载速率、持续时间等密切相关。很多国家往往采用统计分析方法推断出玻璃的实际应用强度，通常大量玻璃破坏的试验结果进行统计处理，给出设计安全系数与玻璃失效关系规律。玻璃作为建筑安全玻璃尤其作为防火玻璃应用时，必须考虑综合载荷影响因素下玻璃强度的安全系数，除应考虑玻璃强度木身离散安全系数K1外，还应考虑在火灾受热情况下各种环境载荷作用下的安全系数K2, 在玻璃幕墙工程技术规范中约定了玻璃幕墙失效概率为0.1% ，其强度离散安全系数K1为2.5。防火玻璃在火灾环境受热失效考核时着火后气压变化、燃烧热点随机性等因素，如果简单按照风压载荷安全系数考虑，防火玻璃的临界强度设计可参照下表设计。

表1 综合载荷作用下玻璃临界强度的安全系数设计

防火玻璃

综上可知，玻璃的断裂力学特性已经有较为成熟的研究和共同的认知结论，玻璃材料的组成结构加工决定了其固有的力学特性和力学参数。因此，不同类型、不同厚度的单片防火玻璃所承受的耐火临界破裂应力是确定的，在钠钙硅玻璃基础上，通过借用物理、化学强化手段提高玻璃的表面压应力，通过精细加工改善玻璃表面和边缘微观裂纹，提高其在一定尺度范围和耐火条件下的临界破坏强度，是可行的。

玻璃受热破裂分析

火灾中玻璃的破裂主要分为两个阶段，**个是火源和热烟气向玻璃的传热过程，另一个是玻璃温度不均匀产生热应力导致其破裂和脱落的过程。

**个阶段的玻璃传热是非常复杂的过程，涉及到一维、二维和厚度方向上三维的温度分布，主要是辐射造成的分布和对流传到的双重影响，还有玻璃材质、玻璃结构的影响。张毅等人论文指出，发生火灾时，玻璃暴露表面受到火源和烟气的热辐射、热传导和热对流作用，到达较高温度。而玻璃被边框遮蔽的表面不能直接受到火源和烟气的热辐射、热传导和热对流作用，导致遮蔽表面温度较暴露表面温度低。由于玻璃是热的不良导体，暴露表面的温度并不会很快传递到遮蔽表面和玻璃背火面。随着火源热释放速率的不断提高，玻璃暴露表面与遮蔽表面、玻璃向火面与背火面之间的温度差不断增大，当温度差产生的热应力达到玻璃表面所能承受的临界应力时，玻璃表面就会产生裂纹。

目前所有研究者的实验结果都统一地认为玻璃表面温差是玻璃破裂的内在机理，即当温差产生的热应力应力大于玻璃的极限抗拉应力时，玻璃就会发生破裂。因此实际应用中分析研究玻璃的热炸裂问题，主要是分析玻璃温度分布的规律和影响因素，对于防火玻璃的应用场景而言，需要考虑火源特征、热传导模式、四周遮蔽框式安装、环境风压等综合因素的影响。

综上，如此之多的玻璃破裂影响因素，针对单片防火玻璃的使用，就要求设计单位到产品生产、工程应用企业，必须充分考虑应用场景风险和玻璃性能安全系数，提出可靠的安全设计使用范围。

结论

综上所述，玻璃在遇火灾时的破裂失效机理也是非常清晰的。由于受到玻璃本身破裂随机性的影响，不同的玻璃种类、加工方式、应用场景的综合条件下，使得目前单片防火玻璃临界破裂的可预测性难度大大增加，单片防火玻璃火灾破裂失效的随机性风险不可避免。

    从工程应用角度，在满足建筑防火设计规范和消防验收的前提下，单片防火玻璃也不能被一般性的对待，仅仅依靠单次试验或者有限范围的测试报告是不够的，应根据工程性质和安全等级需要进行着重考虑。当出现例如超大尺寸、超长耐火时间需求时，工程各方应开展多种形式的技术论证，使用更加稳健的技术产品，使得设计具有本质上的可靠性和重复性，彻底解决风险的可能性和火灾中存在的不确定性。