建筑幕墻工程鋼化玻璃自爆機(jī)理探析

劉升華

鋼化玻璃以其優(yōu)良的綜合性能正越來(lái)越多地應(yīng)用在建筑工程、交通工具、生活起居等不同的領(lǐng)域，也為我們的生活和工作帶來(lái)了許多的便利，但鋼化玻璃在使用過(guò)程中出現(xiàn)的自爆現(xiàn)象等缺陷也引起了人們的擔(dān)心和管理者的關(guān)注。

針對(duì)建筑幕墻工程鋼化玻璃自爆等問(wèn)題，中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)幕墻工程委員會(huì)受建設(shè)部委托，曾對(duì)北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門、溫州10個(gè)城市進(jìn)行了既有幕墻安全狀況調(diào)查，調(diào)查樣本的選取是在10個(gè)城市自檢自查基礎(chǔ)上，由城市建設(shè)行政主管部門推薦提供的120項(xiàng)既有建筑幕墻項(xiàng)目，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了9項(xiàng)有重要隱患的幕墻工程，占調(diào)查項(xiàng)目總數(shù)的9.38%。如果去掉鋼化玻璃自爆破裂，比例下降到2.3%。幕墻門窗采用鋼化玻璃致使玻璃幕墻和門窗的玻璃破裂事故居高不下，改變這種狀況已迫在眉捷。

1 鋼化玻璃

鋼化玻璃是利用加熱到一定溫度后迅速冷卻的方法進(jìn)行特殊處理的玻璃。一般是在原來(lái)普通的浮法玻璃基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)將玻璃加熱到軟化點(diǎn)溫度再經(jīng)過(guò)淬火處理，使玻璃內(nèi)部中心部位具有張應(yīng)力而使玻璃表面部位具有壓應(yīng)力并達(dá)到均勻應(yīng)力平衡的玻璃產(chǎn)品。鋼化玻璃的品種包括化學(xué)鋼化（也稱離子鋼化）和物理鋼化兩種。

化學(xué)鋼化玻璃的特點(diǎn)是由于采用顆粒較大的離子如鉀離子置換玻璃表面的鈉離子，在約400度的溫度下經(jīng)過(guò)一定的工藝制作完成；化學(xué)鋼化玻璃可以切割、熱彎等，但經(jīng)過(guò)高溫加工后的玻璃強(qiáng)度會(huì)受影響；化學(xué)鋼化玻璃的初始強(qiáng)度可以達(dá)到原片的6-7倍，但是隨著使用時(shí)間加長(zhǎng)，性能會(huì)衰減；由于離子置換的特殊性，多數(shù)使用在超薄的玻璃上。

物理鋼化玻璃的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，一般強(qiáng)度可以達(dá)到普通平板玻璃的4倍左右；安全—鋼化玻璃破碎后立即分裂成沒(méi)有尖角產(chǎn)生的小顆粒，缺點(diǎn)是存在自暴的可能。

物理鋼化玻璃也同樣存在著兩個(gè)品種即全鋼化玻璃及熱增強(qiáng)玻璃之分，熱增強(qiáng)玻璃不存在自暴現(xiàn)象，但是強(qiáng)度僅僅是普通玻璃的兩倍左右，多數(shù)應(yīng)用在高層建筑，提高抗風(fēng)壓性能。熱增強(qiáng)玻璃不屬于安全玻璃。

2 幕墻工程鋼化玻璃自爆

廣義上，鋼化玻璃自爆一般定義為鋼化玻璃在無(wú)直接外力作用下發(fā)生自動(dòng)炸裂的現(xiàn)象：一是指由玻璃中可見缺陷引起的自爆；二是指由玻璃中硫化鎳（NIS）雜質(zhì)和異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。只有后者才會(huì)引起嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題及社會(huì)關(guān)注，所以一般提到的自爆均指后一種情況。

鋼化玻璃自爆不可控，事前無(wú)任何征兆，稱為“玻璃的癌癥”。

2.1鋼化玻璃自爆分類

鋼化玻璃自爆一般定義為鋼化玻璃在無(wú)直接外力作用下發(fā)生自動(dòng)炸裂的現(xiàn)象，從鋼化玻璃誕生開始，就伴隨著自爆問(wèn)題。在鋼化加工、貯存、運(yùn)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：

一是由玻璃中可見缺陷引起的自爆，例如結(jié)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(jī)制。BORDEAUX和KASPER r通過(guò)對(duì)250例自爆的研究，發(fā)現(xiàn)引起自爆的硫化鎳直徑在0.04～0.65mm之間，平均粒徑為0.2mm。

這是兩種不同類型的自爆，應(yīng)區(qū)別對(duì)待，采用不同方法來(lái)應(yīng)對(duì)和處理。前者一般目視可見，檢測(cè)相對(duì)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(cè)檢驗(yàn)，故不可控。在實(shí)際運(yùn)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(yàn)而繼續(xù)存在，成為使用中的鋼化玻璃自爆的主要因素。

2.2鋼化玻璃自爆的外部特征

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“蝴蝶斑”） 。判斷鋼化玻璃是否自暴，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?yàn)椴Ａ唇?jīng)過(guò)倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷，造成應(yīng)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似兩片蝴蝶翅膀似的圖案（蝴蝶斑），如仔細(xì)觀察兩小塊多邊形公用邊（蝴蝶的軀干部分）應(yīng)有肉眼可見的黑色小顆粒（硫化鎳結(jié)石），則可判斷是自爆（見圖1），否則就應(yīng)是外力破壞。

圖1 鋼化玻璃自爆

2.3鋼化玻璃自爆形成機(jī)理

根據(jù)目前的研究成果，鋼化玻璃不可控自爆的原因在于硫化鎳（NiS）及異質(zhì)相顆粒的存在。

玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展主要是由于在顆粒附近處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的。這類應(yīng)力可分為兩類：一類是相變膨脹過(guò)程中的相變應(yīng)力；另一類是由熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

2.3.1 硫化鎳（NiS）引起鋼化玻璃自爆

玻璃內(nèi)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(jié)，他們?cè)诨謴?fù)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(nèi)部產(chǎn)生局部的應(yīng)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(dāng)雜質(zhì)在拉應(yīng)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(nèi)加熱時(shí)，因加熱溫度遠(yuǎn)高于相變溫度，NiS全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。然而在隨后的淬冷過(guò)程中，α－NiS來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢璑iS，從而被凍結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下，α－NiS是不穩(wěn)定的，有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢璑iS的趨勢(shì)。這種轉(zhuǎn)變伴隨著約2～4%的體積膨脹，使玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力，從而導(dǎo)致自爆。從自爆后玻璃碎片中提取的nis結(jié)石的掃描電鏡照片中可看到，其表面起伏不平、非常粗糙（見圖2)。

2.3.2 異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆

鋼化玻璃不可控自爆的來(lái)源不僅是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的NiS微粒，還有許多其它異質(zhì)相顆粒?？梢詮钠屏言刺幉Ａ槠臋M截面照片中看到，一個(gè)球形微小顆粒引起的首次開裂痕跡與二次碎裂的邊界區(qū)。

2.4鋼化玻璃自爆率

國(guó)內(nèi)的鋼化玻璃自爆率各生產(chǎn)廠家并不一致，從3%～0.3%不等。一般自爆率是按片數(shù)為單位計(jì)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(zhǔn)確，也無(wú)法進(jìn)行更科學(xué)的相互比較。為統(tǒng)一測(cè)算自爆率，必須確定統(tǒng)一的假設(shè)。假定出統(tǒng)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(jì)算出6mm鋼化玻璃的自爆率約為3‰～5‰，這與國(guó)內(nèi)高水平加工企業(yè)的實(shí)際值基本吻合。

即使完全按標(biāo)準(zhǔn)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)用上幾百噸玻璃，這意味著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。

3 解決幕墻工程鋼化玻璃自爆的對(duì)策

鋼化玻璃自爆是當(dāng)前玻璃幕墻安全迫切需要解決的重要問(wèn)題，在建筑幕墻設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中可采取多種措施預(yù)防鋼化玻璃自爆及防止因外力引起玻璃自爆，主要包括：

3.1控制鋼化應(yīng)力

圖2 典型的NiS引起的自爆碎片

鋼化應(yīng)力越大，硫化鎳結(jié)石的臨界半徑就越小，能引起自爆的結(jié)石就越多。顯然，鋼化應(yīng)力應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，這樣既可保證鋼化碎片顆粒度滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也能避免高應(yīng)力引起的不必要自爆風(fēng)險(xiǎn)。平面應(yīng)力(鋼化均勻度)應(yīng)越小越好，這樣不僅減小自爆風(fēng)險(xiǎn)，而且能提高鋼化玻璃的平整度。

3.2對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行熱均質(zhì)處理，降低自爆率

均質(zhì)處理是公認(rèn)的解決玻璃自爆問(wèn)題的有效方法。將鋼化玻璃再次加熱到290度左右并保溫一定時(shí)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(guó)外稱作“HeatSoakTest”，簡(jiǎn)稱 H ST。我國(guó)通常將其譯成“均質(zhì)處理”，也俗稱 “引爆處理”。

3.3在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中增加必要的保護(hù)措施

根據(jù)鋼化安全玻璃的特點(diǎn)，為了避免其在使用過(guò)程發(fā)生自爆，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，玻璃周邊采用裝飾框進(jìn)行保護(hù)，框架與玻璃周邊留有間隙并用密封膠填縫，使玻璃不直接與金屬框接觸，同時(shí)，盡量在設(shè)計(jì)上確保玻璃粘結(jié)厚度不小于6mm，可防止在使用過(guò)程中，在受到擠壓時(shí)自爆。

3.4合理設(shè)計(jì)

選擇合理的分隔設(shè)置，避免單塊玻璃尺寸超大、結(jié)構(gòu)超厚。

3.5在高層建筑玻璃幕墻上使用鋼化玻璃時(shí)，可考慮增貼一層防飛散膜

防止鋼化玻璃破碎后的碎片從高空散落傷人，以確保安全。

3.6進(jìn)一步研究采用新技術(shù)、新材料、新工藝，降低屏蔽門玻璃自爆概率的可行性

例如可考慮采用半鋼化玻璃作為建筑幕墻的面板材料。

3.7在人群密集場(chǎng)所使用鋼化玻璃時(shí)設(shè)置防撞標(biāo)識(shí)

避免人們意外碰撞玻璃，引起自爆。

4 高層建筑玻璃幕墻使用全鋼化玻璃問(wèn)題值得探討

鋼化玻璃自爆是當(dāng)前玻璃幕墻安全迫切需要解決的重要問(wèn)題。但是對(duì)于安全玻璃，傳統(tǒng)的概念是鋼化玻璃屬于安全玻璃。其根據(jù)除了強(qiáng)度較高外，主要是由于鋼化玻璃破碎時(shí)會(huì)整塊玻璃全部破碎成蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人。

實(shí)際上，鋼化玻璃具備較高強(qiáng)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(duì)高層建筑玻璃幕墻而言關(guān)鍵性的安全因素，因而帶來(lái)的不安全后果是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。所以，對(duì)高層建筑玻璃幕墻的玻璃是否安全，最重要的是不破壞和碎片不散落。不論何種形態(tài)的玻璃碎片，從高層建筑上散落而下，都是危險(xiǎn)的，甚至是致命的。 此外，鋼化玻璃自爆破壞是無(wú)先兆的，目前尚無(wú)有效的完全防止方法，是玻璃的癌癥。玻璃自爆破碎和高空散落，便成為高層建筑玻璃幕墻使用鋼化玻璃并不安全的基本技術(shù)依據(jù)。因此，在一定高度下使用鋼化玻璃被認(rèn)為是安全的，而超過(guò)一定高度使用它則應(yīng)認(rèn)為是不安全的。對(duì)安全玻璃的傳統(tǒng)概念，脫離使用條件，僅僅只從其碎片形態(tài)來(lái)定義，可能是不全面的。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼化玻璃自爆的根本原因是因?yàn)椴Ａе泻辛蚧囯s質(zhì)，硫化鎳可以使玻璃自暴現(xiàn)象在生產(chǎn)完成后任何時(shí)候發(fā)生，故現(xiàn)在還不能完全杜絕鋼化玻璃自爆，所以行業(yè)內(nèi)將鋼化玻璃自爆稱為“玻璃癌癥”，以目前的技術(shù)及工藝水平，還不可能完全杜絕鋼化玻璃自爆的發(fā)生，科學(xué)有效地對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行均質(zhì)處理可有效降低鋼化玻璃的自爆率，在日常生產(chǎn)中控制鋼化應(yīng)力及鋼化均勻度也能有效地減少自爆發(fā)生。

鋼化玻璃破壞形態(tài)為鈍角小顆粒，所以其自爆破碎后也不會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生直接傷害；雖然鋼化玻璃不具備防破碎散落性，但對(duì)于應(yīng)用于屏蔽門的鋼化玻璃，玻璃離地面的最高距離一般為2150mm左右，且鋼化玻璃自爆破壞形態(tài)為鈍角小顆粒，所以，即使由于自爆破碎散落也不會(huì)對(duì)人產(chǎn)生傷害。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外鋼化玻璃使用經(jīng)驗(yàn)，玻璃幕墻設(shè)計(jì)選用鋼化玻璃是安全可控、可行的。但原則上要對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行均質(zhì)處理，以低鋼化玻璃的自爆率，在日常生產(chǎn)中控制鋼化應(yīng)力及鋼化均勻度也能有效地減少自爆發(fā)生。

[1]周天輝.鋼化玻璃的自爆問(wèn)題.建筑玻璃與工業(yè)玻璃，2003，3.

[2]龍文志.玻璃幕墻癌癥-鋼化玻璃自爆.建筑知識(shí)，2006，5.

[3]陳曉艷，劉軍.鋼化玻璃自爆.科技風(fēng)，2008，1.

[4]趙西安.幕墻可以采用半鋼化玻璃.門窗，2008.

[5]龍文志.幕墻及門窗應(yīng)采用防飛散玻璃.中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2007，12.