建筑消防给水高峰论坛：水幕作用下受热玻璃破裂脱落行为的实验研究
水幕作用下受热玻璃破裂脱落行为的实验研究
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水幕作用下受热玻璃破裂脱落行为的实验研究
邵光正，王青松*，王禹
（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026）
( Email: pinew@ustc.edu.cn)
摘要：火灾中水喷淋或水幕系统的启动有加速玻璃破裂甚至脱落的风险。为研究水幕对受热玻璃破裂行为的影响，以钢化玻璃和非钢化Low-E玻璃（低辐射玻璃）为对象，在玻璃温度达到设计值时开启水幕，观测玻璃的响应特性。结果表明，无水幕作用时6 mm钢化玻璃可以承受400°C以上高温而不破裂，但是当玻璃温度超过250°C时施加水幕，玻璃就会发生破裂。无水幕作用时6 mmLow-E玻璃的平均破裂温度为93.6°C，在温度超过70°C时施加水幕会加速玻璃的破裂脱落。这是因为高温玻璃遇到低温的水会瞬间产生巨大的热应力，超过玻璃的抗拉极限，从而导致破裂。当玻璃温度低于该临界温度时，水幕可以起到很好的降温冷却效果。
关键词：水幕 火灾 钢化玻璃 Low-E玻璃 破裂脱落
The Fracture and Fallout Behavior of the Heated Glass under the Effect ofthe Water Film
Guangzheng Shao,Qingsong Wang*, Yu Wang
(State Key Laboratory ofFire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026,China)
Abstract：Improper activation of the sprinkler or the coldwater spraying from the fire-fighting lance may accelerate the crack evenfallout of the heated glass when encountering a fire. In order to investigatethe effect of the water film on the fracture behavior of heated glass, temperedand non-tempered Low-E glass were studied in the present work. The glassspecimens were heated to the designed temperatures before the water film wasinitiated manually. The results show that without the water film, the 6 mm tempered glass can endure 400 °C without breaking, but crazed when itstemperature outnumbers 250 °Cunder the effect of the water film, which indicates that the water film accelerates the crack andfallout process of the glass. Similar phenomenon was found in Low-E glass. Thefracture temperatures for 6 mmLow-E glass with and without the water film are 70 °C and 93.6 °C, respectively. The thermal shock caused by thesudden cooling can account for this phenomenon. The water film can protect theglass very well as long as it is initiated before their critical temperature.
Key words water film; temperedglass; Low-E glass; fracture and fallout behavior; fire
1 引言
出于美观、经济、透光性好等原因，玻璃在现代建筑中的应用越来越广泛。但是一旦发生火灾，玻璃幕墙往往是建筑中最薄弱的部分，很容易破裂脱落形成通风口。国内外众多学者对此进行了深入研究[1-6]，研究表明玻璃一旦达到某一临界温差就会破裂继而脱落，温差造成的热应力是火灾中玻璃破裂的主要原因。其中本课题组[1]开发的有限元程序（EASY）可用于研究玻璃的动态热应力分布并预测热载荷作用下玻璃的破裂。玻璃内部温差和热应力之间的关系可以用下式表示[7]：
其中，σb是断裂应力；E是杨氏模量；β是线膨胀系数；∆T是玻璃内部温差。
为解决火灾中玻璃容易破裂脱落形成通风口的问题，现代建筑尤其是高层建筑中大多配备水喷淋设施，但我国绝大多数建筑中安装的并不是专门的窗玻璃喷头，而是顶置式的普通喷头。国内外众多学者对水喷淋或水幕对玻璃的保护作用进行了大量实验和理论研究[8-14]。研究表明，这些喷淋设施如果能在火灾初期及时启动，会对玻璃幕墙或窗玻璃形成一定的保护作用。然而，如果水喷淋开启时玻璃温度已经超过了能够承受水幕保护的最高温度，此时水幕不仅不会对玻璃起保护作用，反而会加速玻璃的破裂脱落。为了使喷淋装置绝对可靠，对不同种类玻璃能够承受水幕保护的临界温度的研究就显得非常必要。Kim等人[15, 16]对钢化玻璃和强化玻璃能够承受水幕保护的临界温度进行了研究。结果表明，当钢化玻璃温度超过200°C以后水幕就会对玻璃起到破坏作用，加速钢化玻璃的破裂脱落。因此火灾发展到一定阶段后不宜用喷淋或水枪的方式使玻璃幕墙等直接降温，而应该寻求能保证玻璃缓慢降温的新方法，例如将水幕装置旋转一定角度在玻璃和火源之间形成一道水幕，起到防火分隔并使玻璃缓慢降温的作用。
为研究玻璃能承受水幕的最高温度及其在水幕作用下的热破裂行为，并对比非钢化和钢化玻璃高温时对水幕的响应特性，本文采用未钢化的Low-E玻璃（耀皮SC-60）和钢化透明玻璃进行实验。
2 实验装置和研究方法
图1为实验装置示意图，（a）为立体图（b）为侧视图。玻璃通过框架背面的螺栓和角铁固定在框架内，玻璃向火面四周20 mm宽被不锈钢框架遮蔽，本次实验所用玻璃尺寸均为600×600×6 mm3。为方便安装，玻璃框架比玻璃尺寸略大，四周留有1.5 mm左右空隙，玻璃安装完成后空隙用高温密封胶填充。水幕装置的出水管长度与玻璃宽度相等，上面等间距分布有6个出水口，每个出水口处焊接一个扇形不锈钢片，每个出水口形成一个小的水幕，6个出水口形成的水幕连接成一个完整的水幕可保证水幕均匀地分布在整片玻璃上。水幕出水管安装在距离玻璃向火面70 mm，玻璃上边缘50mm处，如图1（b）所示。为了使实验环境更接近真实火灾，实验火源采用正庚烷油池火（纯度99%），油盆尺寸为500×500 mm2，油盆中心距离玻璃向火面550 mm。油盆底面距离玻璃下边缘350 mm，可保证整块玻璃受到比较均匀且剧烈的火源辐射。
图2为水幕供水及回收系统示意图。实验时水通过液压水泵将水从水箱中抽出并输送至水幕装置，沿着玻璃流下后流到回收水槽中。管道中安装有水压表和涡轮流量计用于测量水的压力和流量，本次实验水压控制在0.1 MPa。本次实验中水幕平均流量为1.945×10-4 m3/s，玻璃上水幕的平均下落速度为0.645 m/s，水幕平均厚度为0.503 mm。
图3 热电偶和热流计实物图
实验中采用点式热电偶测量空气温度，采用贴片热电偶（尺寸为1×1.5 cm2）测量玻璃表面温度，采用热流计测量热流值（包括辐射和对流），实物图见图3。
图4为钢化玻璃实验中热电偶（TC）及热流计布置图。不施加水幕实验中TC1～TC5布置在玻璃向火面非遮蔽区域，TC6～TC10布置在玻璃背火面遮蔽区域，TC11布置在距离玻璃向火面中心点5 mm处用于测量玻璃周围空气温度。热流计布置在距玻璃背火面中心点5 cm处，用于测量透过玻璃与水幕的热流值。施加水幕试验中为防止热电偶影响水幕的均匀性，玻璃向火面只布置两根热电偶（TC10和TC11），通过预实验验证TC11处是玻璃最高温度点，此处温度作为开启水幕的参考温度。TC1～TC9均布置在玻璃背火面，包括遮蔽区域和非遮蔽区域。Low-E玻璃实验中玻璃背火面布置5根热电偶TC1～TC5，向火面布置1根热电偶TC6用于参考水幕开启温度。
3 结果与讨论
如表1所示，本次实验设计11种工况。实验中当玻璃达到设计的温度时开启水幕，研究受热玻璃的响应情况。钢化玻璃分别为不施加水幕（对照实验）、150°C、200°C、230°C、250°C、280°C施加水幕，实验工况编号为1-1～1-6；Low-E玻璃为不施加水幕（对照实验）、60°C、70°C、80°C、90°C施加水幕，编号为2-1～2-5。
钢化玻璃在不施加水幕时可以承受400°C以上而不破裂，当玻璃温度低于230°C时施加水幕玻璃也不会破裂，但是当温度超过250°C以后再施加水幕玻璃会立即破裂脱落。Low-E玻璃不施加水幕时的平均破裂温度为93.6°C，而在玻璃温度为70～90°C时施加水幕Low-E玻璃均破裂。说明钢化玻璃和Low-E玻璃温度较高时施加水幕会加速玻璃破裂。
表1实验工况概述
玻璃类型 | 工况 | 开启水幕时玻璃温度（°C） | 重复次数 | 玻璃破裂次数 |
6 mm钢化 | 1-1 | 未开启水幕 | 2 | 0* |
1-2 | 150 | 1 | 0 | |
1-3 | 200 | 1 | 0 | |
1-4 | 230 | 2 | 0 | |
1-5 | 250 | 3 | 1 | |
1-6 | 280 | 3 | 3 | |
6 mm Low-E | 2-1 | 未开启水幕 | 2 | 2** |
2-2 | 60 | 2 | 0 | |
2-3 | 70 | 2 | 2 | |
2-4 | 80 | 2 | 2 | |
2-5 | 90 | 2 | 2 |
*：工况1-1两次重复实验中钢化玻璃均没有破裂。
**：工况2-1两次重复实验中Low-E玻璃的平均破裂温度为93.6°C。
3.1 火源热释放速率
图5 火源热释放速率随时间变化曲线（工况1-1）
3.2 玻璃温度及透过玻璃的热流
图6是钢化玻璃和Low-E玻璃在低温下开启水幕时的温度和透过玻璃的热流随时间变化曲线。图6（a）中钢化玻璃温度达到230°C时施加水幕，向火面温度点TC11因为直接接触到冷水，温度立即下降，而背火面温度则没有立即下降，而是继续升温20 s左右才开始下降且降温速率相对缓慢。水幕开启1 min内玻璃整体温度降到100°C以下，当玻璃温度达到150°C和200°C（工况1-2和1-3）时开启水幕冷却降温效果更好，说明只要水幕开启及时是可以对玻璃起到很好的保护作用的。图中透过玻璃的热流曲线也很好的说明了水幕的效果，水幕开启后热流从8 kW/m2迅速下降到2 kW/m2并一直保持在较低值。图6（b）中Low-E玻璃在60°C开启水幕，降温情况与钢化玻璃类似，水幕也起到了很好的保护作用。
图7 是工况1-5中钢化玻璃表面温度及透过玻璃热流值随时间变化曲线。工况1-5中共进行3次重复实验，其中第1次和第3次实验中玻璃没有破裂，第2次实验过程中玻璃破裂。图7（a）是工况1-5中第1次实验玻璃温度和热流曲线图。玻璃最高温度达到250°C时手动开启水幕，向火面温度TC10和TC11立即迅速下降，背火面温度则没有立即下降，而是继续升温15 s左右才开始下降且温降曲线更加平缓。玻璃整体温度很快降低到100°C以下，直至实验结束玻璃没有发生破裂。水幕开启后玻璃背火面5 cm处热流值迅速从9 kW/m2下降到4 kW/m2，降为原来的44%。这充分说明水幕对热辐射的阻挡效果非常明显，因为水幕阻挡了大量热辐射，使得玻璃在较短时间内降温到安全范围。但由于水幕不能完全阻挡所有热辐射，即仍有小部分辐射热透过水幕和玻璃，水幕开启后玻璃背火面热流值基本维持在3～4 kW/m2。第2次重复实验中水幕同样在250°C开启，但玻璃却破裂并脱落。从图7（b）中可以看出，水幕开启后所有测点温度立即直线下降，这是由于玻璃破裂后水幕直接与热电偶接触造成的。水幕开启后热流值曲线波动较大，因为失去了玻璃的阻挡作用，火源的辐射更加直接的与热流计接触。同样在250°C开启水幕，第1次和第3次实验中玻璃没有破裂，第2次实验中破裂。工况1-6中当玻璃温度达到280°C开启水幕，3次重复实验中玻璃均破裂脱落。这说明250°C左右为6 mm钢化玻璃的临界温度，低于这一临界温度开启水幕玻璃不会破裂，等于或高于这一临界温度开启水幕玻璃可能会发生破裂。因为高温玻璃遇到冷的水幕会产生巨大的热应力，如果热应力超过玻璃的抗拉极限就会导致玻璃破裂。
3.3水幕作用下玻璃破裂脱落行为
图8为水幕作用下钢化玻璃裂纹扩展及脱落状况（工况1-6）。钢化玻璃从破裂到脱落时间很短，肉眼难以观察到裂纹的出现和扩展情况，通过摄像机则可以完整记录下裂纹扩展模式。图8（a）中玻璃上半部分和左半边布满了裂纹，该裂纹不同于普通玻璃的裂纹，具有更加杂乱无序、长度短等特点。图8（b）中，仅仅过了0.2 s后，玻璃上半部分已经完全脱落，但下半部分的裂纹仍清晰可见。在水幕作用下钢化玻璃破裂脱落呈现从上到下的顺序，即从先接触水幕的位置开始脱落。
图9为碎裂后的钢化玻璃实物图。裂纹扩展到整块玻璃以后，玻璃立即碎裂成很多玻璃碎片。绝大部分碎片如图9（a）中所示，为不规则多边形碎片，这些大小不一的碎片完全分离，散落在玻璃框架周围。小部分玻璃虽然已经布满裂纹，但玻璃碎片仍然联接在一起，如图9（b）中所示，这些大块的碎片遇到很微小的外力或者稍加移动就会完全碎裂为图9（a）中的碎片。据统计，玻璃在水幕开启0.2s以内便开始脱落，整个脱落过程在1 s内完成，由于时间极短，肉眼观察到的现象是：水幕一接触玻璃，玻璃便开始破裂并脱落。实验中钢化玻璃脱落比例均高于85%，甚至接近100%。由于水幕的存在，不仅加速了玻璃的破裂脱落，而且增加了玻璃的脱落比例。水幕流下时对玻璃有冲击力的作用，在该外力作用下玻璃出现裂纹后很快开始脱落。在本文所述安装方式下（有边框），如果没有水幕冲击玻璃即使破裂也会保持在原来的位置，不会立即大范围脱落，这样玻璃虽然已经丧失了完整性但没有形成通风口，在实际火灾中对阻止火势的进一步蔓延仍然具有一定的作用。但在水幕作用下玻璃破裂后基本完全脱落，形成新的通风口，火焰和热烟气可以通过该通风口蔓延到其它楼层或其它防火分区，加剧火灾危害。钢化玻璃碎片不如浮法玻璃碎片锋利，破裂脱落过程中虽然形成为众多小碎片但不会飞溅很远，不会对人或周围设施造成严重伤害，这是钢化玻璃被广泛使用的原因之一。
图10是水幕作用下Low-E玻璃裂纹扩展模式。非钢化玻璃裂纹起裂点一般位于玻璃边缘遮蔽区域，裂纹扩展过程中会多次分叉，最终裂纹交汇形成“孤岛”而脱落。Yuse等人[18]的研究表明，玻璃裂纹分为三种：直裂纹、振荡裂纹和分叉裂纹。其中直裂纹和分叉裂纹比较常见，但振荡裂纹在特定条件下才会出现。本实验过程中在水幕作用下Low-E玻璃裂纹末端出现振荡裂纹，这与水幕的冷却作用有关，水幕改变了玻璃内部的应力分布从而影响了裂纹的扩展模式。在本文所述的有边框安装方式下，Low-E玻璃的脱落比例较小，且水幕对玻璃的脱落比例影响不大。不管是否有水幕，Low-E玻璃的脱落比例都低于20%。
4 结论
本文通过将玻璃加热到不同温度时开启水幕，来探究水幕或水喷淋在火灾不同阶段启动对玻璃破裂脱落的影响。研究对象为目前工程中应用非常广泛的6 mm钢化玻璃和非钢化Low-E玻璃。主要结论如下：
(1)无水幕作用时，6 mm钢化玻璃可以承受400°C以上高温而不破裂；但是当玻璃温度超过250°C以上再施加水幕，玻璃会立即破裂脱落，即超过该临界温度水幕会加速钢化玻璃的破裂脱落；玻璃温度低于250°C时施加水幕，玻璃不会破裂且水幕的降温冷却效果很好。
(2)无水幕作用时，6 mmLow-E玻璃的平均破裂温度为93.6°C；但当其温度超过70°C以后施加水幕同样会加速玻璃的破裂脱落；玻璃温度低于70°C时施加水幕，会对Low-E玻璃起到很好的保护作用。所以水幕或水喷淋只要能在火灾初期及时启动就会很好的对玻璃起到降温冷却的效果，如果延迟启动会加速玻璃的破裂脱落。火灾救援过程中，消防人员通过水枪等人为喷洒的冷水也可能会造成这种情况。
(3)水幕不仅可能会加速钢化玻璃的破裂脱落，也会增加其脱落比例（通常大于85%）；有边框安装方式下，Low-E玻璃的脱落比例一般低于20%。由于水幕影响了玻璃内部热应力分布，实验过程中Low-E玻璃表面出现直裂纹、分叉裂纹、振荡裂纹三种不同类型的裂纹。
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作者简介
王青松，男，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室副教授。致力于新能源利用中的火灾安全和工业火灾孕育机理等方面的研究。开发火灾环境下玻璃裂纹扩展三维有限元程序，提出玻璃幕墙火灾安全性的评价方法等。主持国家自然科学面上基金、青年科学基金、“十二五”科技支撑计划专题等多项科研项目。发表学术论文100余篇，其中SCI收录76篇，撰写专（编）著3部，专利7项，软件著作权3项。
邵光正，男，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士生。研究方向为水幕作用下玻璃的热破裂及脱落行为、玻璃裂纹扩展等。在Construction and Building Materials上发表学术论文1篇，申请国家发明专利1项。
王禹，男，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室博士生。研究方向为建筑构件火灾响应。以第一作者在FireSafety Journal，Construction and Building Materials，Materialsand Design等期刊上发表论文多篇。
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