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避免玻璃自爆　門(mén)窗幕墻應用半鋼化玻璃

作者：鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:02:53 [收藏]


    一、前言

    中國建筑裝飾協(xié)會(huì )幕墻工程委員會(huì )受建設部委托，對北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門(mén)、溫州10個(gè)城市進(jìn)行了既有幕墻安全狀況調查，調查樣本的選取是在10個(gè)城市自檢自查基礎上，由城市建設行政主管部門(mén)推薦提供的120項既有建筑幕墻項目，在本次調查中，幕墻玻璃破損437塊。全玻幕墻此次調查有１７項，其中１０項發(fā)現大玻璃碎裂，共計６８塊，玻璃肋斷裂３塊，還發(fā)現很多玻璃幕墻無(wú)肋玻璃。中空玻璃漏氣１８０塊，鍍膜玻璃脫膜現象個(gè)別城市也比較多。調查中發(fā)現了９項有重要隱患的幕墻工程，占調查項目總數的９．３８％．如果去掉鋼化玻璃自爆破裂，比例下降到２．３％。幕墻門(mén)窗采用鋼化玻璃致使玻璃幕墻和門(mén)窗的玻璃破裂事故居高不下，改變這種狀況已迫在眉捷。本文根據國內、外幕墻和門(mén)窗的玻璃破裂事故的分析，建議幕墻及門(mén)窗應采用防飛散玻璃。

    二、鋼化玻璃自爆及其分類(lèi)

    1、鋼化玻璃自爆分類(lèi)

    從鋼化玻璃誕生開(kāi)始，就伴隨著(zhù)自爆問(wèn)題。鋼化玻璃自爆可以表述為鋼化玻璃在無(wú)外部直接作用的情況下而自動(dòng)發(fā)生破碎的現象。在鋼化加工、貯存、運輸、安裝、使用等過(guò)程中均可發(fā)生鋼化玻璃自爆。自爆按起因不同可分為兩種：

    一是由玻璃中可見(jiàn)缺陷引起的自爆，例如結石、砂粒、氣泡、夾雜物、缺口、劃傷、爆邊等；

    二是由玻璃中硫化鎳（NIS）雜質(zhì)和異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。BALLANTYNE于1961年首次提出鋼化玻璃自爆的硫化鎳機制。BORDEAUX和KASPERｒ通過(guò)對250例自爆的研究，發(fā)現引起自爆的硫化鎳直徑在0.04～0.65mm之間，平均粒徑為0.2mm。新發(fā)現異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。

    這是兩種不同類(lèi)型的自爆，應明確分類(lèi)，區別對待，采用不同方法來(lái)應對和處理。前者一般目視可見(jiàn)，檢測相對容易，故生產(chǎn)中可控。后者則主要由玻璃中微小的硫化鎳顆粒體積膨脹引發(fā)，無(wú)法目測檢驗，故不可控。在實(shí)際運作和處理上，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無(wú)法檢驗而繼續存在，成為使用中的鋼化玻璃自爆的主要因素。

    2、不可控鋼化玻璃自爆的特點(diǎn)

    鋼化玻璃原因不清自爆的問(wèn)題，責任難明。自爆時(shí)間沒(méi)有確定性，可能是剛出爐，也可能是出廠(chǎng)后1～2月，也有出廠(chǎng)1～2年才自爆的，引起鋼化玻璃較多自爆的時(shí)間可能是產(chǎn)品生產(chǎn)完成后的4～5年。據不完全了解，大部份廠(chǎng)家產(chǎn)品的概率是３‰左右的自爆率；個(gè)別廠(chǎng)家產(chǎn)品的概率可能還要高。鋼化玻璃自爆的根本原因是因為玻璃中含有硫化鎳及異質(zhì)相顆粒雜質(zhì)，雜質(zhì)是如何混入的現還未根本查清，玻璃中是如何混入鎳的，最大可能的來(lái)源是設備上使用的各種含鎳合金部件及窯爐上使用的各種耐熱合金。對于燒油的熔窯，曾報道在小爐中發(fā)現富鎳的凝結物。硫毫無(wú)疑問(wèn)來(lái)源于配合料中及燃料中的含硫成份。當溫度超過(guò)1000℃時(shí)，硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中，這些小液滴的固化溫度為797℃。1克硫化鎳就能生成約1000個(gè)直徑為0.15mm的小結石。硫化鎳可以在生產(chǎn)完成后任何時(shí)候發(fā)生，故現在還不能完全杜絕，至今無(wú)有效地防止辦法稱(chēng)為“玻璃幕墻的癌癥”。

    “玻璃幕墻的癌癥”出自著(zhù)名建筑師福斯特之口：那年，由斯特事務(wù)所設計的倫敦市政廳幾塊從地板到天花板高度的玻璃破裂。這座市政廳靠近倫敦塔橋，全部用玻璃做覆面，承包商不得不著(zhù)手檢查所有的內部玻璃。大倫敦市議會(huì )發(fā)言人說(shuō)，根據初步調查，問(wèn)題出在玻璃含有鎳硫化物上，也就是說(shuō)，在建造過(guò)程中玻璃被鎳元素污染，鎳和玻璃中的硫化物進(jìn)行化學(xué)反應，造成破裂。硫化鎳類(lèi)自爆后更換難度大，處理費用高，同時(shí)會(huì )伴隨較大的質(zhì)量投訴及經(jīng)濟損失，造成業(yè)主的不滿(mǎn)甚至更為嚴重的其他后果。稱(chēng)之為“玻璃幕墻的癌癥”。

    三、鋼化玻璃自爆率及自爆原因

    1、自爆率

    國內的自爆率各生產(chǎn)廠(chǎng)家并不一致，從3%～0.3%不等。一般自爆率是按片數為單位計算的，沒(méi)有考慮單片玻璃的面積大小和玻璃厚度，所以不夠準確，也無(wú)法進(jìn)行更科學(xué)的相互比較。為統一測算自爆率，必須確定統一的假設。定出統一的條件：每5～8噸玻璃含有一個(gè)足以引發(fā)自爆的硫化鎳；每片鋼化玻璃的面積平均為1.8m2；硫化鎳均勻分布。則計算出6mm厚的鋼化玻璃計算自爆率為0.64%～0.54%，即6mm鋼化玻璃的自爆率約為3‰～5‰。這與國內高水平加工企業(yè)的實(shí)際值基本吻合。

    即使完全按標準生產(chǎn)，也不能徹底避免鋼化玻璃自爆。大型建筑物輕易就會(huì )用上幾百?lài)嵅Ａ?，這意味著(zhù)玻璃中硫化鎳和異質(zhì)相雜質(zhì)存在的幾率很大，所以鋼化玻璃雖經(jīng)熱浸處理，自爆依然不可避免。

    2、鋼化玻璃不可控自爆的原因－硫化鎳（NiS）及異質(zhì)相顆粒

    鋼化玻璃不可控自爆的來(lái)源不僅是傳統認識中的nis微粒，還有許多其它異質(zhì)相顆粒。

    玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴展主要是由于在顆粒附近處產(chǎn)生的殘余應力所導致的。這類(lèi)應力可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是相變膨脹過(guò)程中的相變應力，另一類(lèi)是由熱膨脹系數不匹配產(chǎn)生的殘余應力。

    硫化鎳（nis）及異質(zhì)相顆粒。玻璃內部包含硫化鎳雜質(zhì)，以小水晶狀態(tài)存在，在一般情況下，不會(huì )造成玻璃破損，但是由于鋼化玻璃重新加熱，改變了硫化鎳雜質(zhì)的相態(tài)，硫化鎳的高溫α態(tài)在玻璃急冷時(shí)被凍結，他們在恢復到β態(tài)可能需要幾年的時(shí)間，由于低溫β態(tài)的硫化鎳雜質(zhì)將產(chǎn)生體積增大，在玻璃內部產(chǎn)生局部的應力集中，這時(shí)鋼化玻璃自爆將發(fā)生。然而，僅僅比較大的雜質(zhì)將引起自爆，而且僅僅當雜質(zhì)在拉應力的核心部位時(shí)才能發(fā)生鋼化玻璃自爆。nis是一種晶體，存在二種晶相：高溫相α－nis和低溫相β－nis，相變溫度為379℃，玻璃在鋼化爐內加熱時(shí)，因加熱溫度遠高于相變溫度，nis全部轉變?yōu)棣料?。然而在隨后的淬冷過(guò)程中，α－nis來(lái)不及轉變?yōu)棣拢璶is，從而被凍結在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下，α－nis是不穩定的，有逐漸轉變?yōu)棣拢璶is的趨勢。這種轉變伴隨著(zhù)約2～4％的體積膨脹，使玻璃承受巨大的相變張應力，從而導致自爆。從自爆后玻璃碎片中提取的nis結石的掃描電鏡照片中可看到，其表面起伏不平、非常粗糙。

    異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆，可以破裂源處玻璃碎片的橫截面照片中看到，一個(gè)球形微小顆粒引起的首次開(kāi)裂痕跡與二次碎裂的邊界區

    3、如何鑒別鋼化玻璃的自爆

    首先看起爆點(diǎn)（鋼化玻璃裂紋呈放射狀，均有起始點(diǎn)）是否在玻璃中間，如在玻璃邊緣，一般是因為玻璃未經(jīng)過(guò)倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷，造成應力集中，裂紋逐漸發(fā)展造成的；如起爆點(diǎn)在玻璃中部，看起爆點(diǎn)是否有兩小塊多邊形組成的類(lèi)似兩片蝴蝶翅膀似的圖案（蝴蝶斑），如有仔細觀(guān)察兩小塊多邊形公用邊（蝴蝶的軀干部分）應有肉眼可見(jiàn)的黑色小顆粒（硫化鎳結石），則可判斷是自爆的；否則就應是外力破壞的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑。玻璃碎片呈放射狀分布，放射中心有二塊形似蝴蝶翅膀的玻璃塊，俗稱(chēng)“蝴蝶斑”。nis結石位于二塊"蝴蝶斑"的界面上。

    4、鋼化玻璃自爆機理理論探討

    徑向應力r≥a

    切向應力r≥a

    顆粒與玻璃之間界面的應力

    對于異質(zhì)顆粒在玻璃基體中，降溫過(guò)程溫差是負的，所以顆粒周邊的徑向應力是壓力，切向應力是拉力。

    玻璃中間層球形單質(zhì)硅顆粒的掃描電鏡圖像和邊緣擠壓形貌，顆粒周邊的徑向應力是壓力，切向應力是拉力，所以切向應力是裂紋啟始的根源。

    四、玻璃幕墻使用全鋼化玻璃問(wèn)題值得探討

    1、鋼化玻璃自爆是當前玻璃幕墻安全迫切需要解決的重要問(wèn)題。但是對于安全玻璃的概念，傳統的概念是，（全）鋼化玻璃屬于安全玻璃。其根據除了強度較高外，主要是由于（全）鋼化玻璃破碎時(shí)會(huì )整塊玻璃全部破碎成蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人。通過(guò)這次調查和眾多事故實(shí)踐，對于這一概念提出了質(zhì)疑，關(guān)于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃問(wèn)題，有討論的必要。對于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃，其安全的主要擔心是玻璃破碎墜落傷人。這里應該包含三部分要求：

    一是玻璃具有足夠的強度，使其承受設計荷載不破壞。

    二是玻璃萬(wàn)一破裂要具有防碰碎散落性，使其處于破碎狀態(tài)時(shí)保證不會(huì )墜落飛散。

    三是足夠斷裂韌度k1c。

    2、（全）鋼化玻璃具備較高強度和其破壞形態(tài)為鈍角小顆粒這兩個(gè)安全因素。但不具備防破碎散落性這一對高層建筑玻璃幕墻而言關(guān)鍵性的安全因素、因此而帶來(lái)的不安全后果，（全）鋼化玻璃破碎后的大群呈鈍角的碎片，從高空散落而下，即使顆粒較小，但速度已很大，同樣能傷人。其中的罪魁禍首便是自由落體的重力加速度。對高層建筑玻璃幕墻的玻璃不論何種形態(tài)的玻璃碎片，如高層建筑上散落而下，都是危險的甚至是致命的。此外，（全）鋼化玻璃自爆破壞無(wú)先兆，目前尚無(wú)有效的完全防止的方法，是玻璃幕墻的癌癥，玻璃自爆破碎和高空散落，高層建筑玻璃幕墻使用（全）鋼化玻璃并不安全。安全是一個(gè)相對的概念，是有條件的；不是絕對的，無(wú)條件的。脫離使用條件，僅僅只從其碎片形態(tài)來(lái)定義玻璃幕墻安全玻璃，是不全面的，鋼化玻璃并不是不破裂，只是玻璃之碎粒較小，但碎片容易下落和飛濺而造成意外事故，因此，在很多國外玻璃幕墻技術(shù)標準和規范中都明確玻璃幕墻不宜使用單片鋼化玻璃，應采用防飛散玻璃，日本高層建筑玻璃幕墻上使用（全）鋼化玻璃，必須增貼一層防飛散膜，以確保安全?！皬姸黄扑?，破碎不散落”，防飛散玻璃才是玻璃幕墻使用的安全玻璃。

    3、推薦采用半鋼化玻璃。半鋼化玻璃生產(chǎn)采用與鋼化玻璃類(lèi)似的工藝方法．只是冷卻速度較慢．因此其表面應力略小于鋼化玻璃。半鋼化玻璃在機械強度、抗風(fēng)壓性能、抗沖擊性能和抗熱震性方面明顯優(yōu)子普通退火玻璃，較適合使用于玻璃幕墻中。半鋼化玻璃特性：強度為普通玻璃的２倍；可以有效地抵抗熱應力作用．避免玻璃的熱炸裂，一旦破裂．半鋼化玻璃裂紋全部是延伸到邊．其碎片可以保留在框架內而不會(huì )墜落；不易發(fā)生鋼化玻璃的自爆現象；比鋼化玻璃具有更好的平整度。

    五、結論

    1、國內玻璃幕墻造成危害主要來(lái)源是鋼化玻璃自爆。

    2、鋼化玻璃自爆的來(lái)源不僅是傳統認識中的ＮｉＳ微粒，還有許多其它異質(zhì)相顆粒。

    3、玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴展主要是由于在顆粒附近處產(chǎn)生的切向拉應力。

    4、鋼化玻璃自爆不可控，事前無(wú)任何征兆。稱(chēng)為“玻璃幕墻的癌癥”。

    5、幕墻及門(mén)窗應采用防飛散玻璃，推薦采用半鋼化玻璃。
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