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避免玻璃自爆　门窗幕墙应用半钢化玻璃

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:02:53 [收藏]


    一、前言

    中国建筑装饰协会幕墙工程委员会受建设部委托，对北京、上海、天津、重庆、西安、武汉、深圳、哈尔滨、厦门、温州10个城市进行了既有幕墙安全状况调查，调查样本的选取是在10个城市自检自查基础上，由城市建设行政主管部门推荐提供的120项既有建筑幕墙项目，在本次调查中，幕墙玻璃破损437块。全玻幕墙此次调查有１７项，其中１０项发现大玻璃碎裂，共计６８块，玻璃肋断裂３块，还发现很多玻璃幕墙无肋玻璃。中空玻璃漏气１８０块，镀膜玻璃脱膜现象个别城市也比较多。调查中发现了９项有重要隐患的幕墙工程，占调查项目总数的９．３８％．如果去掉钢化玻璃自爆破裂，比例下降到２．３％。幕墙门窗采用钢化玻璃致使玻璃幕墙和门窗的玻璃破裂事故居高不下，改变这种状况已迫在眉捷。本文根据国内、外幕墙和门窗的玻璃破裂事故的分析，建议幕墙及门窗应采用防飞散玻璃。

    二、钢化玻璃自爆及其分类

    1、钢化玻璃自爆分类

    从钢化玻璃诞生开始，就伴随着自爆问题。钢化玻璃自爆可以表述为钢化玻璃在无外部直接作用的情况下而自动发生破碎的现象。在钢化加工、贮存、运输、安装、使用等过程中均可发生钢化玻璃自爆。自爆按起因不同可分为两种：

    一是由玻璃中可见缺陷引起的自爆，例如结石、砂粒、气泡、夹杂物、缺口、划伤、爆边等；

    二是由玻璃中硫化镍（NIS）杂质和异质相颗粒引起钢化玻璃自爆。BALLANTYNE于1961年首次提出钢化玻璃自爆的硫化镍机制。BORDEAUX和KASPERｒ通过对250例自爆的研究，发现引起自爆的硫化镍直径在0.04～0.65mm之间，平均粒径为0.2mm。新发现异质相颗粒引起钢化玻璃自爆。

    这是两种不同类型的自爆，应明确分类，区别对待，采用不同方法来应对和处理。前者一般目视可见，检测相对容易，故生产中可控。后者则主要由玻璃中微小的硫化镍颗粒体积膨胀引发，无法目测检验，故不可控。在实际运作和处理上，前者一般可以在安装前剔除，后者因无法检验而继续存在，成为使用中的钢化玻璃自爆的主要因素。

    2、不可控钢化玻璃自爆的特点

    钢化玻璃原因不清自爆的问题，责任难明。自爆时间没有确定性，可能是刚出炉，也可能是出厂后1～2月，也有出厂1～2年才自爆的，引起钢化玻璃较多自爆的时间可能是产品生产完成后的4～5年。据不完全了解，大部份厂家产品的概率是３‰左右的自爆率；个别厂家产品的概率可能还要高。钢化玻璃自爆的根本原因是因为玻璃中含有硫化镍及异质相颗粒杂质，杂质是如何混入的现还未根本查清，玻璃中是如何混入镍的，最大可能的来源是设备上使用的各种含镍合金部件及窑炉上使用的各种耐热合金。对于烧油的熔窑，曾报道在小炉中发现富镍的凝结物。硫毫无疑问来源于配合料中及燃料中的含硫成份。当温度超过1000℃时，硫化镍以液滴形式存在于熔融玻璃中，这些小液滴的固化温度为797℃。1克硫化镍就能生成约1000个直径为0.15mm的小结石。硫化镍可以在生产完成后任何时候发生，故现在还不能完全杜绝，至今无有效地防止办法称为“玻璃幕墙的癌症”。

    “玻璃幕墙的癌症”出自著名建筑师福斯特之口：那年，由斯特事务所设计的伦敦市政厅几块从地板到天花板高度的玻璃破裂。这座市政厅靠近伦敦塔桥，全部用玻璃做覆面，承包商不得不着手检查所有的内部玻璃。大伦敦市议会发言人说，根据初步调查，问题出在玻璃含有镍硫化物上，也就是说，在建造过程中玻璃被镍元素污染，镍和玻璃中的硫化物进行化学反应，造成破裂。硫化镍类自爆后更换难度大，处理费用高，同时会伴随较大的质量投诉及经济损失，造成业主的不满甚至更为严重的其他后果。称之为“玻璃幕墙的癌症”。

    三、钢化玻璃自爆率及自爆原因

    1、自爆率

    国内的自爆率各生产厂家并不一致，从3%～0.3%不等。一般自爆率是按片数为单位计算的，没有考虑单片玻璃的面积大小和玻璃厚度，所以不够准确，也无法进行更科学的相互比较。为统一测算自爆率，必须确定统一的假设。定出统一的条件：每5～8吨玻璃含有一个足以引发自爆的硫化镍；每片钢化玻璃的面积平均为1.8m2；硫化镍均匀分布。则计算出6mm厚的钢化玻璃计算自爆率为0.64%～0.54%，即6mm钢化玻璃的自爆率约为3‰～5‰。这与国内高水平加工企业的实际值基本吻合。

    即使完全按标准生产，也不能彻底避免钢化玻璃自爆。大型建筑物轻易就会用上几百吨玻璃，这意味着玻璃中硫化镍和异质相杂质存在的几率很大，所以钢化玻璃虽经热浸处理，自爆依然不可避免。

    2、钢化玻璃不可控自爆的原因－硫化镍（NiS）及异质相颗粒

    钢化玻璃不可控自爆的来源不仅是传统认识中的nis微粒，还有许多其它异质相颗粒。

    玻璃中的裂纹萌发和扩展主要是由于在颗粒附近处产生的残余应力所导致的。这类应力可分为两类，一类是相变膨胀过程中的相变应力，另一类是由热膨胀系数不匹配产生的残余应力。

    硫化镍（nis）及异质相颗粒。玻璃内部包含硫化镍杂质，以小水晶状态存在，在一般情况下，不会造成玻璃破损，但是由于钢化玻璃重新加热，改变了硫化镍杂质的相态，硫化镍的高温α态在玻璃急冷时被冻结，他们在恢复到β态可能需要几年的时间，由于低温β态的硫化镍杂质将产生体积增大，在玻璃内部产生局部的应力集中，这时钢化玻璃自爆将发生。然而，仅仅比较大的杂质将引起自爆，而且仅仅当杂质在拉应力的核心部位时才能发生钢化玻璃自爆。nis是一种晶体，存在二种晶相：高温相α－nis和低温相β－nis，相变温度为379℃，玻璃在钢化炉内加热时，因加热温度远高于相变温度，nis全部转变为α相。然而在随后的淬冷过程中，α－nis来不及转变为β－nis，从而被冻结在钢化玻璃中。在室温环境下，α－nis是不稳定的，有逐渐转变为β－nis的趋势。这种转变伴随着约2～4％的体积膨胀，使玻璃承受巨大的相变张应力，从而导致自爆。从自爆后玻璃碎片中提取的nis结石的扫描电镜照片中可看到，其表面起伏不平、非常粗糙。

    异质相颗粒引起钢化玻璃自爆，可以破裂源处玻璃碎片的横截面照片中看到，一个球形微小颗粒引起的首次开裂痕迹与二次碎裂的边界区

    3、如何鉴别钢化玻璃的自爆

    首先看起爆点（钢化玻璃裂纹呈放射状，均有起始点）是否在玻璃中间，如在玻璃边缘，一般是因为玻璃未经过倒角磨边处理或玻璃边缘有损伤，造成应力集中，裂纹逐渐发展造成的；如起爆点在玻璃中部，看起爆点是否有两小块多边形组成的类似两片蝴蝶翅膀似的图案（蝴蝶斑），如有仔细观察两小块多边形公用边（蝴蝶的躯干部分）应有肉眼可见的黑色小颗粒（硫化镍结石），则可判断是自爆的；否则就应是外力破坏的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑。玻璃碎片呈放射状分布，放射中心有二块形似蝴蝶翅膀的玻璃块，俗称“蝴蝶斑”。nis结石位于二块"蝴蝶斑"的界面上。

    4、钢化玻璃自爆机理理论探讨

    径向应力r≥a

    切向应力r≥a

    颗粒与玻璃之间界面的应力

    对于异质颗粒在玻璃基体中，降温过程温差是负的，所以颗粒周边的径向应力是压力，切向应力是拉力。

    玻璃中间层球形单质硅颗粒的扫描电镜图像和边缘挤压形貌，颗粒周边的径向应力是压力，切向应力是拉力，所以切向应力是裂纹启始的根源。

    四、玻璃幕墙使用全钢化玻璃问题值得探讨

    1、钢化玻璃自爆是当前玻璃幕墙安全迫切需要解决的重要问题。但是对于安全玻璃的概念，传统的概念是，（全）钢化玻璃属于安全玻璃。其根据除了强度较高外，主要是由于（全）钢化玻璃破碎时会整块玻璃全部破碎成蜂窝状钝角小颗粒，不易伤人。通过这次调查和众多事故实践，对于这一概念提出了质疑，关于高层建筑玻璃幕墙使用安全玻璃问题，有讨论的必要。对于高层建筑玻璃幕墙使用安全玻璃，其安全的主要担心是玻璃破碎坠落伤人。这里应该包含三部分要求：

    一是玻璃具有足够的强度，使其承受设计荷载不破坏。

    二是玻璃万一破裂要具有防碰碎散落性，使其处于破碎状态时保证不会坠落飞散。

    三是足够断裂韧度k1c。

    2、（全）钢化玻璃具备较高强度和其破坏形态为钝角小颗粒这两个安全因素。但不具备防破碎散落性这一对高层建筑玻璃幕墙而言关键性的安全因素、因此而带来的不安全后果，（全）钢化玻璃破碎后的大群呈钝角的碎片，从高空散落而下，即使颗粒较小，但速度已很大，同样能伤人。其中的罪魁祸首便是自由落体的重力加速度。对高层建筑玻璃幕墙的玻璃不论何种形态的玻璃碎片，如高层建筑上散落而下，都是危险的甚至是致命的。此外，（全）钢化玻璃自爆破坏无先兆，目前尚无有效的完全防止的方法，是玻璃幕墙的癌症，玻璃自爆破碎和高空散落，高层建筑玻璃幕墙使用（全）钢化玻璃并不安全。安全是一个相对的概念，是有条件的；不是绝对的，无条件的。脱离使用条件，仅仅只从其碎片形态来定义玻璃幕墙安全玻璃，是不全面的，钢化玻璃并不是不破裂，只是玻璃之碎粒较小，但碎片容易下落和飞溅而造成意外事故，因此，在很多国外玻璃幕墙技术标准和规范中都明确玻璃幕墙不宜使用单片钢化玻璃，应采用防飞散玻璃，日本高层建筑玻璃幕墙上使用（全）钢化玻璃，必须增贴一层防飞散膜，以确保安全。“强而不破碎，破碎不散落”，防飞散玻璃才是玻璃幕墙使用的安全玻璃。

    3、推荐采用半钢化玻璃。半钢化玻璃生产采用与钢化玻璃类似的工艺方法．只是冷却速度较慢．因此其表面应力略小于钢化玻璃。半钢化玻璃在机械强度、抗风压性能、抗冲击性能和抗热震性方面明显优子普通退火玻璃，较适合使用于玻璃幕墙中。半钢化玻璃特性：强度为普通玻璃的２倍；可以有效地抵抗热应力作用．避免玻璃的热炸裂，一旦破裂．半钢化玻璃裂纹全部是延伸到边．其碎片可以保留在框架内而不会坠落；不易发生钢化玻璃的自爆现象；比钢化玻璃具有更好的平整度。

    五、结论

    1、国内玻璃幕墙造成危害主要来源是钢化玻璃自爆。

    2、钢化玻璃自爆的来源不仅是传统认识中的ＮｉＳ微粒，还有许多其它异质相颗粒。

    3、玻璃中的裂纹萌发和扩展主要是由于在颗粒附近处产生的切向拉应力。

    4、钢化玻璃自爆不可控，事前无任何征兆。称为“玻璃幕墙的癌症”。

    5、幕墙及门窗应采用防飞散玻璃，推荐采用半钢化玻璃。
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