火災環境下玻璃破壞痕跡的微觀觀察

目前，國外對玻璃的加熱和爆炸進行了很好的關注。Griffith從能量平衡的角度對玻璃微裂紋擴展問題進行了研究,得出了擴展裂紋必須能量的公式,揭示了玻璃發生熱炸裂時其表面出現的樹枝狀裂紋以及裂成許多塊等現象。S.Fakhfakh等人利用掃描電鏡對不同玻璃的微觀形貌進行了研究。Sincaglia和Barnett等發展了可在區域模擬程序中執行的玻璃破裂計算模型。模型已運用于區域模擬軟件BRANZFIRE中。在國內,火災事故調查中窗玻璃破壞痕跡作為常見的火災物證,普遍應用于判斷火勢蔓延速度、火勢猛烈程度,進而分析判斷起火點的位置。目前在宏觀方面對玻璃火災痕跡的證明作用已有了較為全面的研究。筆者利用掃描電子顯微鏡觀察普通玻璃和鋼化玻璃在火災中由于熱作用以及機械破壞所產生的痕跡,從微觀尺度上進行分析,以期獲得其在不同火場溫度、火勢蔓延方向、破壞原因、受力方向等條件下破壞產生的痕跡特征。1實驗部分1.1掃描電子顯微鏡實驗設備:自行研制火災痕跡物證綜合實驗臺;箱式電阻爐;SBC-12小型離子濺射儀;KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡。材料:普通玻璃、鋼化玻璃、錘子、無水乙醇。1.2玻璃面破壞痕跡的制備和處理利用火災痕跡物證綜合實驗臺和箱式電阻爐制作普通玻璃和鋼化玻璃機械破壞、機械破壞再受熱、一面受熱破壞、高溫遇水炸裂破壞痕跡,之后利用SEM進行斷面的微觀形貌觀察。(1)玻璃機械破壞痕跡的制備及處理。將普通玻璃和鋼化玻璃用膠帶固定到鐵槽上,用錘子用力敲擊,然后將碎片重新還原成一塊完整的玻璃試樣。再用鉗子加工取出小塊試樣,用于斷面微觀掃描電鏡觀察。(2)玻璃一面受熱破壞痕跡的制備及處理。將普通玻璃和鋼化玻璃放置在煤氣灶上加熱至破裂,然后將碎片還原成為原來的試樣形狀。再用鉗子加工取出小塊試樣,用于斷面微觀掃描電鏡觀察。(3)玻璃高溫遇水炸裂痕跡的制備及處理。利用箱式電阻爐模擬火災現場的溫度條件,將普通玻璃和鋼化玻璃放在石棉網上放進電阻爐中400℃加熱不同時間(10、20、30min),不同溫度(300、400、600℃)加熱20min。之后,對高溫處理過的樣品進行遇水處理,將每個樣品水平放置實驗臺上,用噴壺向玻璃樣品噴水得到完整的試樣。再用鉗子加工取出小塊試樣,用于斷面體式觀察和微觀掃描電鏡觀察。(4)機械破壞后再受熱玻璃痕跡的制備及處理。為了節省材料,本實驗樣品的制備材料來自機械破壞中的處理和觀察過的機械破壞過的玻璃樣品。利用SRJX-4-9型箱式電阻爐模擬火災現場的溫度條件,將經過機械破壞的普通玻璃和鋼化玻璃試樣放在石棉網上用長柄鐵鉗放進電阻爐中加熱,于600℃恒溫加熱20min。用鉗子加工取出小塊試樣,用于微觀掃描電鏡觀察。(5)普通玻璃和鋼化玻璃破壞痕跡觀察。對于普通玻璃和鋼化玻璃破壞樣品斷面進行噴金處理,用KYKY-2800型掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察。2結果與討論2.1玻璃的微觀特征(1)單純機械破壞痕跡的微觀特征。圖1顯示鋼化玻璃裂紋比較密集,裂紋比較深;而普通玻璃裂紋的紋痕比較明顯,在掃描電鏡下觀察時裂紋棱角比較突出,并呈“人”字形的樹杈狀分布。因為玻璃是一種混合物,主要由二氧化硅及少量氧化鈣、氧化鈉、氧化鋁等物質組成,各種玻璃的理化性能不同,在受到外力作用時產生應力的作用效果不同,所以會產生不同的微觀形貌。(2)不同種類玻璃機械破壞再受熱痕跡的微觀特征。由圖2可以看出,鋼化玻璃的裂紋深且明顯,趨于平行分布;普通玻璃的裂紋最密集,紋痕較深,交叉多。主要是因為各種玻璃的組成成分和組織結構以及物理化學性質不同,在高溫受熱未達到其熔化溫度時,玻璃受熱所產生的熱應力各不相同,所以出現了不同的微觀形貌特征。2.2趨近平行普通玻璃的裂紋比較密集,裂紋較深,趨近平行;而鋼化玻璃裂紋的紋痕比較大比較深,疏松,且呈大“人”字形為樹干、小樹杈為分支的樹狀分布,如圖3所示。2.3經營溫度下織物的裂紋由熱壓變化不同受熱溫度時鋼化玻璃遇水炸裂破壞痕跡的微觀特征,如圖4所示。由圖4可以看出,鋼化玻璃遇水炸裂產生的紋痕隨著溫度的升高裂紋由密集逐漸變得疏松,紋痕也越來越明顯。鋼化玻璃的組成成分和組織結構在不同溫度下發生變化,并且產生的熱應力也不同,溫度越高,冷卻速度越快,導致了其微觀形貌發生這些變化。2.4在不同的開孔時間內，普通玻璃會發生水爆炸和破壞在一定的溫度下,普通玻璃遇水炸裂產生的紋痕隨著受熱時間的不斷增加,裂紋由密集逐漸變得疏松,紋痕也越來越明顯,如圖5所示。3破壞痕跡特征因受熱環境條件在玻璃受迫后,玻璃通過對火場中不同種類的玻璃破壞痕跡的微觀形貌分析,得到以下結論。(1)機械破壞下,不同種類的玻璃產生的微觀形貌特征不同。鋼化玻璃的裂紋比較密集,裂紋比較深;而普通玻璃的裂紋紋痕比較明顯,在掃描電鏡下觀察時裂紋棱角比較突出,并且呈“人”字形的樹杈狀分布。(2)破壞方式對玻璃破壞痕跡的形貌特征有一定影響。不同的破壞方式下的受力點不同,機械破壞是點受力破壞,一面受熱是面受熱應力破壞,另外和高溫遇水炸裂破壞痕跡一樣,由于玻璃受熱導致了不同種類玻璃出現不同的微觀破壞痕跡形貌特征。(3)玻璃的受熱時間對玻璃破壞痕跡形貌特征存在著規律性的影響。鋼化玻璃遇水炸裂產生的紋痕隨著受熱時間的不斷增加,裂紋由密集逐漸變得疏松,紋痕也越來越明顯。(4)溫度對玻璃破壞痕跡的形貌特征有著規律性的影響。鋼化玻璃遇水炸裂產生的紋痕隨著溫度的升