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建筑防火玻璃的表面處理技術

根據GBl5763.1-2001《建筑用安全玻璃防火玻璃》的規定

    1 建筑用防火玻璃按結構分為:復合防火玻璃(FFB)和單片防火玻璃(DFB)。

    復合防火玻璃:是由兩層或兩層以上玻璃復合而成,或由一層玻璃和有機材料復合而成,并滿足相應耐火等級要求的特種玻璃。單片防火玻璃:是由單層玻璃構成,并滿足相應的耐火等級要求的特種玻璃。

    防火玻璃按結構型式又可分為:防火夾層玻璃、薄涂型防火玻璃、單片防火玻璃和防火夾絲玻璃。其中防火夾層玻璃按生產工藝特點又可分為復合型防火玻璃和灌注型防火玻璃。

    2 防火玻璃的技術要求

    建筑用防火玻璃的耐火性能是將防火玻璃直接鑲嵌在墻洞中或與框架組合好再鑲嵌在墻洞中制成構件按GBl2513進行耐火試驗而得的,它包括耐火完整性、耐火隔熱性、熱輻射強度的測定。其中,隔熱性的測定以背火面溫度作為判據。

    根據GBl5763.1-2001((建筑用安全玻璃防火玻璃》的規定,建筑用防火玻璃按其耐火性能分為:A類(同時滿足耐火完整性、耐火隔熱性要求的防火玻璃),B類(同時滿足耐火完整性、熱輻射強度要求的防火玻璃),C類(滿足耐火完整性要求的防火玻璃)。這三類防火玻璃按耐火等級可分別分為I級(≥90min)、Ⅱ級(≥60min)、Ⅲ級(≥45min)、Ⅳ級(≥30min)。耐火完整性__指試件背火面出現火焰,并持續燃燒10s或10s以上;在試驗過程中,當試件有火焰或氣體從孔洞和其它縫隙處出現時,進行棉墊著火性試驗,棉墊被點燃,則表明試件失去完整性(如果試件在試驗過程中垮塌,同樣表明試件失去完整性)。

    耐火隔熱性__指試件背火面測溫點單點溫升180℃,平均溫升140℃。

    熱輻射強度__指距試件背火面3m處,臨界輻射熱照度達到0.42W/cm2,及距試件背火面在等于其較小尺寸(長度或寬度)1.2倍的距離內,臨界輻射熱照度達到3.35W/cm2。

    3 防火玻璃的構成和工作原理

    復合型防火玻璃(或稱防火夾層玻璃)是將兩片或兩片以上的單層平板玻璃用膨脹阻燃膠結劑粘結復合在一起而制成的;其中灌注型防火玻璃是在兩片或兩片以上的單層平板玻璃的四周先用邊框條密封好,然后由灌注口灌人防火液,經膠結、封口而制成;在室溫下和火災發生初期,復合防火玻璃和普通平板玻璃一樣具有透光性能和裝飾性能;發生火災后,隨著火勢的蔓延擴大,火災溫度升高,復合防火玻璃防火夾層受熱膨脹發泡,形成很厚的防火隔熱層,起到防火隔熱和防火分隔作用〔2〕。但復合防火玻璃一般有微小的氣泡及不耐寒、透光性差等問題,影響其使用的效果〔3〕。

    薄涂型防火玻璃是在單層或多層平板玻璃基材表面噴涂防火透明液,干燥固化后即制成防火玻璃。薄涂型防火玻璃遇火時,防火保護層受熱膨脹,形成致密的防火保護層,保護基板玻璃,阻止火災蔓延擴大。

    4 防火夾絲玻璃按結構分為夾絲玻璃和防火夾絲夾層玻璃。

    夾絲玻璃是用壓延法生產的一種安全玻璃。當玻璃液通過壓延輥之間成型時,將經過預熱的金屬絲或金屬網壓于玻璃板中,即制成夾絲玻璃。防火夾絲夾層玻璃是在復合防火玻璃生產過程中將金屬網置于夾層中制成的。夾絲玻璃受到外力或在火災中破裂時,玻璃碎片仍可固定在金屬絲或網上而不脫落,可防止火焰穿透,起到阻止火災蔓延的作用。夾絲玻璃最大的缺點是隔熱性能很差,發生火災十幾分鐘背火面溫度高達400~500℃。防火夾絲夾層玻璃同時具有夾絲玻璃和防火夾層玻璃的優點,有一定的推廣應用前景。但是,我國生產的夾絲玻璃不透明,起不到玻璃的透光和裝飾作用,影響了它的推廣應用。

    單片防火玻璃是采用物理與化學方法對普通玻璃進行處理,使其表面改性,改善玻璃的抗熱應力性能,從而保證在火焰沖擊下或高溫下不破裂,達到阻止火焰穿透防火玻璃及傳播火災的目的。由于單片防火玻璃的重量輕,透明度和裝飾性與普通玻璃一樣,因而在越來越多的建筑中得到應用。但單片防火玻璃不能阻擋火焰的熱輻射,只能通過C類防火玻璃的檢測,當其用做防火分隔時須考慮這一點。單片型防火玻璃的表面處理方法

    4.1 防火玻璃的表面應力

    貝爾比層和殘余應力;固體材料加工后,在幾微米至十幾微米的表層中可能發生組織結構的劇烈變化。如在金屬研磨時,由于表面不平整,接觸處實際上是點,其溫度可以遠高于表面的平均溫度。由于作用時間短,摩擦后該區域溫度迅速冷卻下來,原子來不及回到平衡位置,造成一定程度的晶格畸變。這種畸變隨深度而變化,在最外層約5~10nm可形成一種非晶態,其成分為金屬及其氧化物,即為貝爾比層。貝爾比層可提高材料的表面強度。經表面加工處理后,材料表層形成的貝爾比層產生很大的殘余應力,材料受熱不均勻,在各部分膨脹系數不同,溫度發生變化時就會在材料內部產生熱應力。材料受載時,內應力與外應力一起發生作用。如果內應力與外應力相反,就會抵消一部分外應力,從而起到有利的作用,鋼化玻璃正是利用了這一特性。此外,鋼化玻璃表面壓應力可使引起玻璃破裂起源的微小裂縫受到進一步的壓縮,也提高了鋼化玻璃的機械強度。

    我們知道普通玻璃的表面壓應力一般為15~65兆帕;鋼化玻璃的表面壓應力一般在70~180兆帕;高強防火玻璃的表面壓應力比傳統工藝生產出來的鋼化玻璃高出100~150兆帕左右。這層表面壓應力的特點同時具有物理鋼化形成的足夠應力層厚度和化學鋼化形成的高表面應力值,通過工藝控制可以使玻璃表面應力甚至達到400兆帕,使得玻璃強度大大提高。

    根據熱彈性力學可以導出熱應力在面內的變化為【4】:

    式中:α是膨脹系數,E是彈性模量,T0是最大溫差值,L是玻璃板的半長,X是板中央沿軸線任意一點的位置。

    所以,熱應力是與溫差成正比例關系的。

    設強度分布服從Weibull分布,不同應力水平下的破壞概率可表示為:

    式中:P是破壞概率,σ是應力水平,σ0是特征強度,m是Weibull模數。

    根據公式(1)和(2)可以計算出與不同溫度對應的破壞概率。理論計算表明,當玻璃中間與邊緣的溫差達1000℃時,高強玻璃才會因熱應力而破壞,而這個溫度早巳超過玻璃的軟化點,所以理論上高強玻璃在火災中不會因受熱沖擊而破裂,但會被燒軟后垮塌。

    試驗也證明,平板玻璃經鋼化強化后,其抗急冷急熱性大為提高。

    理論和實驗都說明,提高玻璃表面的壓應力,也就提高了玻璃的耐熱沖擊性能,從而提高了其防火、耐火性能。

    4.2 提高壓應力的物理處理方法

    普通平板玻璃,如浮法玻璃等是可以增強成為鋼化玻璃的。平板玻璃的熱鋼化過程,是把經切裁、磨邊、打孔、清洗等冷加工的半成品送入鋼化爐中,加熱至鋼化溫度(650℃一700℃),移至風柵處吹風急冷。冷卻過程中玻璃表面迅速冷卻固化,而內部冷卻較慢。當內部繼續收縮時,使玻璃表面產生殘余壓應力,而內部為張應力。

    由于火災的熱輻射作用或火焰(高溫煙氣)直接作用在玻璃表面,造成玻璃表面急劇受熱。玻璃耐熱沖擊性能的提高,意味著在火災時更能保證其完整性。因此,鋼化玻璃的耐火性能要比普通玻璃好得多,但一般的鋼化玻璃還達不到防火玻璃的耐火性能要求。

    4.3 提高壓應力的化學處理方法

    典型平板玻璃的化學成分為:SiO2(70%~74%),Na20(12%~15%),CaO(8%一10%),MgO(1.0%一3.8%),A1203(0.2%一1.8%);K20(0%~0.5%),另外可能還含有少量的Fe和S等。在玻璃表面噴涂鉀鹽溶液或銫鹽溶液,干燥后在熱處理爐內進行化學鋼化。其原理是通過含有高濃度的K+和Cs+,在普通玻璃的表面層置換出玻璃中的Na+,由于K+和Cs+的半徑遠大于Na+的半徑(K、Cs與Na為同一主族原素),將增加在玻璃表面產生的壓應力。大量雜質的注入彌散,在高溫下可產生彌散相,產生彌散強化,使表面強化。

    而后對上述玻璃進行物理鋼化,再貼上PET(聚對苯二甲酸乙二酯)低輻射膜,或噴涂金屬膜、金屬氧化物膜,如ITO(氧化銦錫)低輻射膜,就形成高強度,能反射紅外線的單片鍍膜防火玻璃。

    5 結論

    復合防火玻璃雖然已得到了廣泛的應用,但單片防火玻璃由于其重量輕、透光性和裝飾性好,在高溫下能保持透明,便于觀察火情和煙氣狀況,因而應用越來越多。通過對普通玻璃表面的化學和物理雙重處理,提高其表面壓應力,達到比一般鋼化玻璃更高的強度,能經受住較大溫差的熱沖擊,以達到阻擋火焰的目的。

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