普通玻璃在明火源作用下的宏观破坏痕迹研究

吉博成，张金专，杨守生

(武警学院 a.研究生队；b.消防工程系，河北 廊坊 065000)

0 引言

玻璃广泛应用于人们的日常生活中。随着玻璃的普及，研究人员对玻璃在火灾环境下的行为特征进行了一些探索。刘义祥[1]研究了玻璃遇水炸裂的机理，提出玻璃的热破坏决定于热应力的大小、种类以及最大热应力所处部位。王承遇[2]用Griffith理论解释了玻璃发生热炸裂时其表面出现树枝状裂纹以及裂成许多块等现象的原因。王永清[3]对玻璃受热和外力击碎不同的破裂痕迹的区别进行了对比。林松[4]研究了玻璃出现软化、熔化流淌等破坏形式的特征及其与火场温度的关系。刘忠伟[5]采用有限元法全面求解了建筑玻璃在日光照射下产生的温度场和应力场，研究了建筑玻璃热炸裂机理及特性，提出热炸裂的起始纹应垂直或近于垂直玻璃板的边部。张庆文[6]利用ISO 9705标准燃烧室，对4 mm、6 mm单层浮法玻璃和10 mm钢化玻璃进行了不同规模油池火全尺寸火灾试验，得出了玻璃火灾响应的相关规律。李建华[7]对普通玻璃热炸裂的形成过程进行了探讨。胡建国[8]对玻璃破裂痕迹在火灾调查现场的应用做了详细描述。Hassani[9]研究了火灾中玻璃的性能。Emmons[10]在进行了大量试验研究基础上认为玻璃内部热应力是造成其热破坏的主要原因。Ni Z[11]研究了双层玻璃外墙的着火性能。Yuse[12]通过试验发现了直裂纹、震荡裂纹和分叉裂纹三种不同的玻璃裂纹类型。本文就普通玻璃在明火源作用下的破坏痕迹特征及其在火灾中的证明作用进行试验研究，以期对火灾调查提供参考。

1 试验方法

1.1 试验材料与设备

平板玻璃40 cm×40 cm(厚度2,3,4,6 mm)，沙河市志河镜业科技有限公司；火灾痕迹物证综合实验台，武警学院研制；数据采集仪，Fluke 2635a，美国福禄克电子仪器仪表公司。

1.2 样品制备

每种工况进行2次平行试验，对个别结果相差较大的工况进行3次平行试验，取试验结果相近的两次。

1.2.1 不同火源下的玻璃破坏痕迹制备

随着玻璃制品的普及，玻璃破坏痕迹在火场中随处可见。火场中存在各种形式的火源，玻璃在不同形式火源的作用下破坏痕迹也有区分。控制火源种类，制备不同火源下的玻璃破坏痕迹，以研究火源种类对玻璃破坏痕迹的影响。按图1所示，将4 mm平板玻璃分别水平固定在酒精喷灯、灶台火和油盘火火焰上方10 cm处，将热电偶布置在玻璃受火面中心以采集玻璃受火中心温度。其中，油盘r=15 cm，h=10 cm，柴油用量为油盘体积1/2。

1.数据采集仪；2.酒精喷灯；3.灶台火；4.油盘火

1.2.2 与火源不同相对位置的玻璃破坏痕迹制备

窗户、茶几等是生活中常见的玻璃制品，因此在火场中存在玻璃与火源处于水平或垂直的相对位置。制备玻璃与火源不同相对位置的玻璃破坏痕迹，以研究玻璃与火源不同相对位置对玻璃破坏痕迹的影响。按图2所示，将4 mm平板玻璃以水平和竖直状态分别固定在灶台火火焰上方和火焰一侧10 cm处，在玻璃受火面中心布置热电偶以采集玻璃受火中心温度。

图2 与火源不同相对位置的玻璃破坏痕迹制备示意图

1.2.3 不同厚度的玻璃破坏痕迹制备

生活中不同用途的玻璃其厚度不同。如图3所示，分别将2,3,4,6 mm平板玻璃水平固定在灶台火火焰上方10 cm处制备不同厚度的玻璃破坏痕迹，以研究玻璃不同厚度对破坏痕迹的影响。

图3 不同厚度的玻璃破坏痕迹制备示意图

2 试验结果与讨论

2.1 火源种类对玻璃热破坏痕迹的影响

图4为4 mm平板玻璃在三种火源作用下形成的裂纹特征。由图4(a)、(d)可以看出，玻璃在酒精喷灯作用下温度随时间的增长而升高，在受热10～40 s内玻璃升温速率较快，40 s后玻璃的升温速率明显趋于缓和，受热70 s后玻璃温度在230 ℃上下小幅度的浮动。玻璃在酒精喷灯作用下受热84 s时发生热炸裂，此时玻璃受火面中心温度为230 ℃，其受火中心形成与酒精喷灯火源直径近似大小的炸裂痕迹，周围形成一侧以受热点为中心向四周扩展的弯曲裂纹，另一侧为包裹状条形裂纹，碎块形状不规则，玻璃破裂碎片多形成锐角，破裂面积占玻璃总面积2/3。由图4(b)、(d)可以看出，灶台火作用下玻璃温度随时间的增长而升高，在整个受热过程中，玻璃升温速率都较为缓和。玻璃在灶台火作用下受热91 s时破裂，此时玻璃受火面中心的温度为72 ℃，玻璃整体裂纹较少，边角处有明显裂纹，形成以受火点为中心向四周扩散的弯曲裂纹，且在一侧整体形成相互交叉的树枝状裂纹，另一侧为包裹状条形裂纹。由图4(c)、(d)可以看出，油盘火作用下玻璃温度随时间的增长而升高，受热100 s后玻璃升温速率明显提高。整个受热过程中，玻璃升温速率都较为缓和，无较大浮动。玻璃在油盘火作用下受热452 s时破裂，此时玻璃受火面中心的温度为228 ℃，整体裂纹较少，裂纹分布均匀，且整体形成相互交叉的树枝状裂纹，无包裹状条形裂纹，碎片多为大曲度圆弧状。玻璃为不良导体，温度不会很快的传递到背火面，受火面和背火面的温差不断增大，当温差产生的热应力达到或超过玻璃的临界应力时，玻璃会产生裂纹，一般受热时不同点温度超过70～80 ℃就会产生热炸裂。酒精喷灯为点火源，热量集中，温度能在短时间内升高，在点火源作用下，玻璃小部分受热并在短时间内受火面和背火面产生温差，但因点火源只作用在玻璃的一点，小部分产生极大温差也无法使玻璃大面积破裂，只有当点火源在玻璃受火点形成“烧洞”时，才会引起裂纹的不断产生且失稳扩展，从而导致整块玻璃破裂。灶台火为面火源，其产生热量大面积均匀分布，玻璃在灶台火作用下大面积均匀稳定受热，玻璃大部分面积的受火面和背火面可在短时间内产生超出玻璃临界应力的温差，从而使玻璃在短时间内发生破裂，但因面火源较点火源升温速率慢，所以玻璃在灶台火作用下较在酒精喷灯作用下发生破裂的时间长。油盘火同为面火源，但其火焰不稳定，玻璃在油盘火作用下受热不均匀，所以玻璃在油盘火作用下较在灶台火作用下发生破裂的时间更长，温度更高。

(a)酒精喷灯

(b)灶台火

(c)油盘火

(d)时间-温度曲线图

2.2 火源与玻璃的相对位置对热破坏痕迹的影响

图5为3 mm平板玻璃在灶台火作用下相对位置不同时的受热破坏情况。灶台火垂直作用下玻璃温度随时间的增长而升高，玻璃受热117 s时破裂，其受火面中心温度为145 ℃。由图5(a)、(c)可以看出，玻璃在灶台火垂直作用下发生热炸裂的裂纹较多，形成以受火点为中心向四周发散的炸裂痕迹，且在受火点一侧形成相互交叉的树枝状裂纹，另一侧为包裹状条形裂纹。由图5(b)、(d)可以看出，灶台火水平作用下玻璃温度随时间的增长而升高，受热600 s前，玻璃的温升呈线性增长，之后温升变缓。玻璃在灶台火水平作用下未发生热炸裂，玻璃颜色无变化，该试验条件下玻璃温度达到68 ℃后不再有明显变化。玻璃在灶台火垂直作用下大面积均匀受热，受火面和背火面在一定时间内产生超出玻璃临界应力的温度差时，玻璃发生破裂。玻璃在距灶台火10 cm水平作用下主要以热辐射来升高温度，而灶台火火焰产生的热能会加热火焰周围的空气，进而降低其密度，被加热的空气上升，周围的冷空气取代其位置，这样会加速热空气的上升，导致火焰也是向上升，因此玻璃在火源水平作用下时，热辐射、热对流传递的热量很少，且热量在传递过程中有损耗，同时玻璃自身散热，导致玻璃升温速率慢，无法产生达到或超出玻璃临界应力的温度差，所以玻璃在火源水平作用下时未发生破裂。

(a)火源垂直作用

(b)火源水平作用

(c)火源垂直作用下时间-温度曲线

(d)火源水平作用下时间-温度曲线

2.3 玻璃厚度对其热破坏痕迹的影响

图6为不同厚度平板玻璃在灶台火上方10 cm处单面受热破坏情况及温度变化曲线。如图6(a)所示，2 mm厚的玻璃在灶台火作用下发生热炸裂，受火面中心温度为130 ℃，整体裂纹少，裂纹集中分布在受火点周围，玻璃碎片大而少且碎片多为大曲度圆弧状。如图6(b)所示，3 mm玻璃在灶台火作用下发生热炸裂，此时受火面中心温度为151 ℃，整体裂纹少，裂纹集中分布在受火点周围，边角处有明显裂纹，且在一侧整体形成相互交叉的树枝状裂纹，另一侧为包裹状条形裂纹。如图6(c)所示，4 mm玻璃在灶台火作用下发生热炸裂，受火面中心温度为160 ℃，整体裂纹较多，裂纹集中分布在受火点周围，边角处有明显裂纹，且整体形成相互交叉的树枝状裂纹，玻璃碎片多为尖锐角。如图6(d)所示，6 mm玻璃在灶台火作用下发生热炸裂，受火面中心温度192 ℃，整体裂纹较多，裂纹集中分布在受火点周围，边角处有明显裂纹，且整体形成相互交叉的树枝状裂纹，玻璃碎片多为尖锐角。局部热应力在玻璃表面和厚度方向上随着玻璃温差的不断升高而超过其临界应力发生破裂，因此随着玻璃厚度的增加，其受热发生破裂所需的温差越高，其对应的受火面中心温度也相应越高。

(a)2 mm平板玻璃

(b)3 mm平板玻璃

(c)4 mm平板玻璃

(d)6 mm平板玻璃

(e)不同玻璃厚度下时间-温度曲线

3 结论

3.1 点火源较面火源更易使玻璃受火发生热炸裂，且玻璃在点火源作用下发生热炸裂的温度更高，时间更短。酒精喷灯和灶台火致玻璃热炸裂的痕迹均为由受火中心向四周发散的破裂痕迹；油盘火致玻璃破裂痕迹为树枝状裂纹，裂纹少且分布均匀。

3.2 玻璃在水平受热下未发生热炸裂，玻璃受火面中心温度在达到一定值后不再发生变化。玻璃在灶台火垂直作用下发生热炸裂，形成树枝状裂纹，裂纹较多。

3.3 玻璃随着厚度的增加，其受热发生炸裂所需的温差增大，相对应的受火面中心温度也增大，所以玻璃热炸裂时受火面中心温度随着玻璃厚度的增加而升高。

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