論玻璃幕墻破損原因分析

王 君

（太原市第一建筑工程公司，山西 太原 030001）

玻璃幕墻是現(xiàn)代高檔建筑較多采用的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，集合了建筑物外圍護(hù)的防風(fēng)、遮雨、采光、隔熱保溫等功能，并與建筑外墻裝飾相結(jié)合，形成融建筑技術(shù)一體的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，已在我國高層和超高層建筑中廣泛應(yīng)用。但是幕墻玻璃的破損又直接影響建筑的裝飾效果，并且存在著很大的安全隱患，如何有效地避免這些破損，并將其影響效果減至最小，就必須對其破損原因進(jìn)行分析，然后對此改進(jìn)，以減少未知的安全隱患及損失。下面對某工程幕墻作分析介紹：

1 工程簡介

該工程為某電廠綜合辦公樓，采用的建筑結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)包括門廳、休息大廳、咖啡廳），抗震設(shè)防烈度為6度。建筑層數(shù)為地上6層，地下1層；建筑總高度23.85m，設(shè)計總建筑面積14 424.18m2。

鋼結(jié)構(gòu)部分（包括門廳、休息大廳、咖啡廳）封閉為點支承玻璃幕墻，幕墻高度23.85 m。其中立面采用8mm+12A+8mm LOW-E中空鋼化玻璃封閉，封閉面積4 150.7m2。屋頂平面采用6mm+1.52PVB+6mm+12A+8mmLOW-E中空鋼化玻璃封閉，跨度21.6m，封閉面積1 720.9m2。玻璃的分隔尺寸為1 785mm×1 785mm，收口處為異型玻璃，250mm駁接爪與鋼結(jié)構(gòu)連接，玻璃間密封使用硅酮耐候密封膠。

2 原因分析

該工程自2008年8月底竣工交付使用，至今已有兩年。在這兩年當(dāng)中玻璃幕墻中空鋼化玻璃共計破損10余塊，其中上表面破損占70%。鋼化玻璃有駁接爪固定四周有玻璃膠密封，破損的玻璃形如網(wǎng)狀，不脫落，并且破損花紋從一點向四周擴散。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，原因分析如下：

2.1 鋼化玻璃質(zhì)量缺陷自爆

鋼化玻璃在無直接機械外力作用下發(fā)生的自動性炸裂叫做鋼化玻璃的自爆。自爆是鋼化玻璃固有的特性之一。

產(chǎn)生自爆的原因很多，簡單地歸納為以下幾種：

2.1.1 玻璃中有結(jié)石、雜質(zhì)

玻璃中有雜質(zhì)是鋼化玻璃的薄弱點，也是應(yīng)力集中處。特別是結(jié)石處在鋼化玻璃的張應(yīng)力區(qū)是導(dǎo)致炸裂的重要因素。

結(jié)石存在于玻璃中，與玻璃體有著不同的膨脹系數(shù)。玻璃鋼化后結(jié)石周圍裂紋區(qū)域的應(yīng)力集中成倍地增加。當(dāng)結(jié)石膨脹系數(shù)小于玻璃，結(jié)石周圍的切向應(yīng)力處于受拉狀態(tài)。伴隨結(jié)石而存在的裂紋擴展極易發(fā)生。

2.1.2 玻璃中含有硫化鎳結(jié)晶物

當(dāng)玻璃鋼化加熱時，玻璃內(nèi)部板芯溫度約620℃，所有的硫化鎳都處于高溫態(tài)的α-NiS相。隨后，玻璃進(jìn)入風(fēng)柵急冷，玻璃中的硫化鎳在379℃發(fā)生相變。與浮法退火窯不同的是，鋼化急冷時間很短，來不及轉(zhuǎn)變成低溫態(tài)β-NiS而以高溫態(tài)硫化鎳α相被“凍結(jié)”在玻璃中。快速急冷使玻璃得以鋼化，形成外壓內(nèi)張的應(yīng)力統(tǒng)一平衡體。在已經(jīng)鋼化了的玻璃中硫化鎳相變低速持續(xù)地進(jìn)行著，體積不斷膨脹擴張，對其周圍玻璃的作用力隨之增大。鋼化玻璃板芯本身就是張應(yīng)力層，位于張應(yīng)力層內(nèi)的硫化鎳發(fā)生相變時體積膨脹也形成張應(yīng)力，這兩種張應(yīng)力疊加在一起，足以引發(fā)鋼化玻璃的破裂即自爆。

簡單的說，鎳元素在高溫狀態(tài)下非常的小，但在常溫狀態(tài)下，又會變大。鋼化玻璃在加熱過程中鎳元素會變小，但在急速冷卻時并沒有來得及變回到常溫狀態(tài)時的體型，所以鋼化玻璃會自爆。國家規(guī)定，鋼化玻璃的自爆率為3‰。而導(dǎo)致鋼化玻璃破損的內(nèi)在因素包括鋼化玻璃邊部缺陷等應(yīng)力集中區(qū)域、鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力過大和鋼化玻璃內(nèi)部存在硫化鎳雜質(zhì)。前兩種因素是由于鋼化玻璃加工過程中工藝導(dǎo)致的，硫化鎳的因素在原片玻璃制作過程產(chǎn)生。

玻璃表面因加式過程、運輸或施工安裝過程中造成有劃痕、炸口、深爆邊等缺陷，易造成應(yīng)力集中或?qū)е落摶Ａё员?/p>

2.2 溫差、應(yīng)力變化

該綜合辦公樓位于山西省柳林縣，屬山區(qū)，當(dāng)?shù)貧鉁貢円箿夭钶^大，經(jīng)實際測量辦公樓內(nèi)上午11時玻璃屋頂下方測溫達(dá)60℃，且屋面沒有設(shè)計安裝排風(fēng)設(shè)施，致使熱氣聚集，應(yīng)力加大。玻璃在加熱或冷卻時沿玻璃厚度方向產(chǎn)生的溫度梯度不均勻、不對稱，使鋼化制品有自爆的趨向，有的在激冷時就產(chǎn)生“風(fēng)爆”。如果張應(yīng)力區(qū)偏移到制品的某一邊或者偏移到表面則鋼化玻璃形成自爆。

3 預(yù)防及控制

均質(zhì)處理是公認(rèn)的徹底解決自爆問題的有效方法。將鋼化玻璃再次加熱到290℃左右并保溫一定時間，使硫化鎳在玻璃出廠前完成晶相轉(zhuǎn)變，讓今后可能自爆的玻璃在工廠內(nèi)提前破碎。這種鋼化后再次熱處理的方法，國外稱作“Heat Soak Test”，簡稱HST。我國通常將其譯成“均質(zhì)處理”，也俗稱“引爆處理”。從原理上看，均質(zhì)處理似乎很簡單，許多廠家對此并不重視，認(rèn)為可隨便選擇外購甚至自制均質(zhì)爐。實際并非如此，玻璃中的硫化鎳夾雜物往往是非化學(xué)計量的化合物，含有比例不等的其他元素，其相變速度高度依賴于溫度。研究結(jié)果表明，280℃時的相變速率是250℃時的100倍，因此必須確保爐內(nèi)的各塊玻璃經(jīng)歷同樣的溫度。否則一方面有些玻璃溫度太高，會引起硫化鎳逆向相變；另一方面溫度低的玻璃因保溫時間不夠，使得硫化鎳相變不完全。

均質(zhì)爐內(nèi)的玻璃片之間是熱空氣的對流通道，因此玻璃的堆置方式對于均質(zhì)處理的質(zhì)量是極其重要的。首先玻璃的堆置方向應(yīng)順應(yīng)氣流方向，不可阻礙空氣流通。其次，玻璃片與片之間的空隙需足夠大，分隔物不能堵塞空氣通道，玻璃片之間至少需有20mm的間隙，片之間不能直接接觸。對于大片玻璃，玻璃很容易因相互緊貼引起溫差過大而破碎。

4 結(jié)論

通過以上原因分析：玻璃質(zhì)量缺陷是玻璃自爆的主要原因，屋面溫差排風(fēng)通風(fēng)差為次要原因（誘因）。

鋼化玻璃內(nèi)部的硫化鎳膨脹是導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的主要原因。玻璃經(jīng)鋼化處理后，表面層形成壓應(yīng)力。內(nèi)部板芯層呈張應(yīng)力，壓應(yīng)力和張應(yīng)力共同構(gòu)成一個平衡體。玻璃本身是一種脆性材料，耐壓但不耐拉，所以玻璃的大部分破碎是張應(yīng)力引發(fā)的。即屋面溫度過高，玻璃產(chǎn)生膨脹的結(jié)石存在于玻璃中，與玻璃體有著不同的膨脹系數(shù)。玻璃鋼化后結(jié)石周圍裂紋區(qū)域的應(yīng)力集中成倍地增加。當(dāng)結(jié)石膨脹系數(shù)小于玻璃，結(jié)石周圍的切向應(yīng)力處于受拉狀態(tài)。伴隨結(jié)石而存在的裂紋擴展極易發(fā)生。