高温下水平钢化玻璃抗弯性能研究

南化祥，詹子娜，梁孟羽，端木祥玲，李 龙

(中国建筑科学研究院建筑防火研究所，北京 100030)

随着建筑行业的不断发展，各类建筑层出不穷，人们对环境的舒适度和通透性也有了越来越高的要求。玻璃因其具有透明性、耐久性和优良的力学性能而被人们广泛关注，在建筑中使用的频率也越来越高，玻璃作为材料不但可以满足功能上的使用要求，而且还具有轻盈性、通透性、虚幻性和多彩性等特点。

由于玻璃具有透明性等优良的性能，玻璃从传统的非结构材料(门窗、幕墙和采光顶)发展到最新的结构材料(如玻璃地板、楼梯和墙体)。在水平方向上，采用玻璃楼板，可以增加垂直方向上的透明性，所以，越来越多的建筑内部采用玻璃楼板作为建筑构件。尤其是钢化玻璃，因其强度高、热稳定性好和安全性高的特点日益广泛地应用于建筑工程中，钢化玻璃作为水平建筑构件，目前被大规模应用到室外，尤其是在高空玻璃栈道中的使用，吸引了大量游客前去游览、挑战。随着建筑业的发展，玻璃楼板在工程内部的应用越来越广泛，初始的使用，多是装饰功能，如广州电视塔的观景台、中央电视台悬挑部分观景楼板、上海东方明珠透明观光层、北京奥运景观塔观光平台、北京南站高架候车厅等，但随着建筑师对建筑室内效果的追求，钢化玻璃楼板在一些工程中逐渐作为承重楼板构件出现。

水平玻璃结构对玻璃的强度、抗弯刚度以及使用安全性都有很高的要求。水平钢化玻璃构件，在常温下既能满足建筑使用功能的需求，又能满足安全的要求，然而，玻璃的抗火性较差[1,2]，一旦发生火灾，这些构件是否能够满足安全需要，对其进行研究的学者较少，国内外学者主要对竖直方向的玻璃构件研究较多。该文通过试验，对水平钢化玻璃高温下的抗弯性能进行研究，为水平钢化玻璃构件在建筑中的使用奠定基础。

1 试验方案

钢化玻璃在高温下其抗弯强度是否会发生变化，直接关系着水平钢化玻璃构件的安全，以研究不同厚度钢化玻璃在不同温度下，抗弯强度变化为目的，开展此次试验。

1.1 试验边界条件

1.1.1 试验温度

由于钢化玻璃可承受的温度范围为250～320 ℃，一旦火灾出现，周围温度急剧上升，一般在5～8 min时钢化玻璃就会炸裂[3,4]。同时，常温应变片工作的温度范围为-30～60 ℃。因此，在试验过程中选择5个温度：25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃，进行高温下钢化玻璃抗弯强度的试验分析。

1.1.2 试验温度环境

在高温环境下的力学性能试验分为稳态试验和瞬态试验。稳态试验是指先将试验的试件加热到目标温度并维持不变，然后再进行加载试验，直至试件发生破坏。瞬态试验是指先对试件进行加载，维持荷载不变，然后对试件进行升温，直至试件破坏。为了更好地模拟钢化玻璃在实际应用温度环境下抗弯强度的变化以及确保钢化玻璃内部温度应力不发生大的变化，采用稳态试验进行。

1.2 试验试件

此次试验依据为《玻璃材料弯曲强度试验方法》(JC/T676—1997)[5]，同时，结合试验场地的试验设备的尺寸及试验开展的可行性，试验场地试验炉为柱形的立体对开式结构，炉膛内径300 mm，高400 mm，炉体下部设置的直径为160 mm的高强保温炉体，因此，试验的试件尺寸选择为120 mm×20 mm。通过对钢化玻璃使用情况的调研，试验试样的厚度选用8 mm和12 mm。根据规范的相关规定，每组测试试件数量为15～20个，试验每组选择15个试件。

1.3 试验装置

根据常温下钢化玻璃的抗弯强度测试的测试原理，并结合试验场地内现有的试验设备，设计了此次高温下水平钢化玻璃的抗弯强度测试的试验台。设计时充分利用加热炉内部空间，将高温环境和加载要求结合起来。设计利用中间锚杆的拉力使其作用于上部的不锈钢压头，使玻璃试件的中间部位均匀受压。在加载过程中利用中间的荷载传感器采集荷载数据。为避免高温对微型位移计仪器的损伤，在探头接触处用耐高温的陶瓷棒加长，深入高温炉内压头下接触面，用以间接采集玻璃的挠度变化。

1.4 测试指标及记录

1.4.1 温度

温度是该论文研究的前提，试验时采用用K型热电偶分别测量钢化玻璃试件上、下表面的温度和试件周围的温度。

1.4.2 位移

选择微米专用位移计，精度0.005～0.01 mm。该位移计的工作环境温度为-60～150 ℃。由于需要在高温下测试，因此，将位移计的探头改为耐高温的陶瓷棒，伸进高温空间测量玻璃试件的挠度。

位移计用支架架设在试验炉下部，传感器体放置在试验炉外部，将陶瓷探头伸进试验炉高温空间。调整探头位置接触压头下部，尽量保证位移计探针的垂直度。

1.4.3 荷载

国家检测机构在常温下测试钢化玻璃的性能时，采用电子自动加载，在高温下的加载设备，尚未有成熟的产品，因此，试验采用千斤顶进行试验，并对加载过程进行检测。待玻璃温度与周围温度恒定后开始加载，根据常温下有关钢化玻璃的试验数据，选用量程为7 kN荷载传感器，测量荷载值。

1.4.4 应变

实验采用应变片作为应变测试装置。试验选择高温应变片和普通应变片两种。普通应变片，常温和60 ℃温度下使用。高温应变片，试验过程中最高温度为300 ℃左右。钢化玻璃试件较小，根据选择的应变片尺寸将应变片贴在玻璃试件的下部。应变片的尺寸为10.2 mm×5.6 mm。

应变片的安装一般有焊接、胶接、嵌入。试验选用胶接的方式。为了降低胶水固化温度对玻璃试件的影响，通过对比不同胶水的效果，试验选择H-610胶水，工作温度为-269～280 ℃。

1.4.5 数据采集装置

数据采集设备包括数据采集仪、数据采集板、显示屏、数据导线等。数据采集仪记录以上几类数据，并实时储存在电脑中。

1.5 试验工况及过程

1.5.1 试验试件准备

试验共在5个温度(25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃)下对水平钢化玻璃的抗弯性能进行研究，每个温度下测试15个构件。使用游标卡尺测量每个试件的尺寸和厚度，并做好记录。测试完成后，粘贴应变片。应变片的粘贴是该试验的难点也是关键点，应变片粘贴的好坏，对试验的结果也会产生一定影响。尤其是中高温下应变片胶水的固化。试验选用的是H-610胶水，该胶水具有蠕变小、滞后低、重复性好、使用温度宽、粘度低、不需上底胶等优点。使用温度范围为-269～280 ℃。H-610胶水由A、B两部分组成，在使用中粘贴好应变片之后，在聚四氟乙烯薄膜上盖上硅胶板加压0.1～0.3 MPa并保持恒定，放进烘箱固化。以每分钟2 ℃的速度由室温升至135 ℃保持2 h，随烘箱冷却至室温后卸压。再以同样的速度升温至165 ℃，保温2 h，降至室温后电阻应变片粘贴完毕。

1.5.2 试验过程

1)试件固定

试验时将试件放入电加热炉内，在不锈钢支架上放好玻璃试件，确保试件的受力点在中间位置，检查应变片测量线路是否正常，然后调节位移测量装置，使耐高温的陶瓷探头尽可能的垂直于不锈钢压头的下部，固定好试件位置。

2)升温

关闭电加热炉，加热炉上部用防火棉封闭，调节控温器开始升温。待升温炉达到设定温度后恒定，试验中试件的厚度分别为8 mm和12 mm，为避免受热不均匀影响试验结果，待升温炉达到设定温度后，分别在10 min和15 min后开始加载试验。

3)加载破碎

根据理论分析得到两种试件破坏的最大极限强度在200 MPa左右，则破坏的最大荷载为2 kN左右，实验采用通过穿心千斤顶和上部的压头给试件施加均匀拉力的加载方案。根据常温下试验机的加载原理及加载部位的尺寸，制定了实验的压头。压头下部与螺栓连接，螺栓从高温炉中间的孔洞中穿过，同时穿过荷载传感器和穿心千斤顶，穿过千斤顶后下部用螺母固定，整个装置放置在方形钢片支架上。

使用穿心千斤顶，手动缓慢加载，在加载过程中观察整个装置的工作状态。试验过程中数据采集仪采集试验过程中的荷载数据、位移数据、应变数据、温度数据。钢化玻璃试件破坏为脆性破坏，在达到破坏荷载时电加热炉内钢化玻璃会突然碎裂，试件破坏。

一个试件试验结束后，打开高温炉使温度降至室温再进行下一个试件试验。

2 试验结果

2.1 试验温度

温度梯度是电加热炉设定的温度，在升温试验中，采集的钢化玻璃试件表面的温度会有波动。从试验结果分析可知，温度越高，玻璃表面上下的温差越大，最大温差为49.28 ℃。分析发现钢化玻璃试件上下表面温度差的产生是因为在电热炉的下部留有洞口加载及位移测量装置，形成了一定的空气流动，使加热不够均匀，为后续试验装置的改进提供了依据。

2.2 荷载、位移、应变

由试件破坏时的最大荷载作为破坏荷载来计算该试件的破坏强度，位移最大值为试件破坏时的位移。该文摘取了8 mm试件在200 ℃时，荷载、位移、应变曲线一组数据，绘制成曲线，如图1所示。摘取了两种厚度试件应变数据绘制成曲线，如图2所示。

由图1可以看出，与电动加载曲线按比例直线上升相比，试验手动加载曲线不光滑，但在手动情况下依次递增，位移曲线也依次递增升高，在试件破坏时位移达到最大。根据试验可知，随着荷载的增加，位移也不断地增加，应变也相继增大。由图2可以看出，两种不同厚度构件的应变变化规律不同，8 mm试件应变随温度升高而下降，12 mm试件应变随温度升高先上升后下降。

2.3 强度、位移

8 mm、12 mm钢化玻璃试件在25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃和300 ℃时的强度和位移结果如表1所示。根据试验结果分析，随着温度升高，钢化玻璃的强度降低，初步分析，应该是由于随着温度升高，钢化玻璃软化，其强度降低。8 mm厚钢化玻璃的强度降低7.17%，12 mm厚钢化玻璃的强度降低12.19%。8 mm厚钢化玻璃的位移增大3.87%，12 mm厚钢化玻璃的位移增大2.99%。

表1 8 mm、12 mm厚钢化玻璃不同温度下强度与位移分析表

3 结 论

a.钢化玻璃在温度升高时，强度都有所降低，高温对厚度较大的钢化玻璃影响较大。

b.两种厚度的钢化玻璃随温度的升高，位移也有所增大，即钢化玻璃的挠度稍微有所变大、软化程度变大。厚度较厚的钢化玻璃抵抗变形的能力较强。

c.两种厚度的钢化玻璃其应变的变化没有特定的规律，根据分析，因高温炉内钢化玻璃破裂的位置无法观察，可能每个试件初始裂纹的位置不同，而且玻璃内部结构存在着一定缺陷和微裂纹，在一定程度上增加了玻璃试件破裂的随机性。

[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] 陈 佳.钢化玻璃安全性能的理论分析与实验研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[4] 季 慧.建筑玻璃结构的抗震性能研究现状与进展[J].结构工程师,2011,27(6):141-146.

[5] JC/T 676—1997，玻璃材料弯曲强度试验方法[S].