幕墻工程鋼化玻璃破損案例分析

張雅健（上海建科檢驗有限公司，上海 201108）

建筑工程中鋼化玻璃發(fā)生破損、掉落等情況經(jīng)常見諸報端，部分項目更是發(fā)展成一種普遍現(xiàn)象。這給建筑運營商帶來了極大的麻煩，玻璃自爆嚴重威脅和財產(chǎn)安全，并會給正常的運營造成惡劣影響。而玻璃破損后一般馬上進行處理更換，并沒有保留相關(guān)證據(jù)，無法深入研究其真正的破損原因。鋼化玻璃在制造、貯存、 運輸、安裝及使用過程中，均有潛在的自爆問題，對人身財產(chǎn)安全威脅明顯，因此國內(nèi)外研究人員一直在尋找能有效遏制鋼化玻璃自爆的措施［1］，而目前業(yè)界普遍認為因結(jié)石導(dǎo)致的玻璃自爆率依然高達 0.3%，但究竟如何評價自爆率 0.3% 一直存在較大的差異。本文通過對現(xiàn)場鋼化玻璃的檢查評估，對產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗檢測，并分析玻璃破損的原因。

1 問題描述

無錫某酒店坐落于座落于美麗的太湖廣場，是市中心的標志性建筑物之一，其高達 200 m 的高度令人印象深刻，是高檔的休閑、娛樂及商務(wù)的活動場所。該酒店建筑面積140 000 m2，酒店﹣2 F，地上 51 F，建筑高度為 196.3 m，結(jié)構(gòu)性質(zhì)為框筒結(jié)構(gòu)。本項目幕墻玻璃安裝工程于 2006 年6 月開始，2008 年 1 月 8 日竣工，包括明框玻璃幕墻、半隱框玻璃幕墻以及全隱框玻璃幕墻，主樓透光部位采用中空（8 Low-E＋12 A＋8）mm玻璃。但在竣工驗收后，2008年 5 月到 2012 年 11 月期間，主樓玻璃就陸續(xù)破損了 402塊，破損比例達到了 5.7%，遠高于行業(yè)內(nèi) 3‰ 平均水平，過高的破損率嚴重影響到了酒店的正常運營。因此酒店委托檢驗機構(gòu)對產(chǎn)品質(zhì)量進行分析評估。

在現(xiàn)場勘查時發(fā)現(xiàn)不同樓層均出現(xiàn)了玻璃破損現(xiàn)象。玻璃破損現(xiàn)象基本相似，玻璃表面無撞擊痕跡，破損中心有清晰的螺旋線形狀裂紋，碎片大小不一致，且局部有發(fā)現(xiàn)碎片偏大的情況，另外可觀察到破碎玻璃表面存在如圖 1 所示的明顯蝴蝶狀的碎片，蝴蝶斑公共邊上可觀察到細小的黑點。

圖1 鋼化玻璃碎裂點蝴蝶狀碎片

2 原因分析

正常情況下，鋼化玻璃破損的原因較為復(fù)雜，主要涉及幕墻設(shè)計、產(chǎn)品質(zhì)量（包括玻璃原片、鋼化加工等）、安裝施工、使用等方面［2］。

結(jié)合現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題，初步懷疑本次玻璃破損的可能原因主要由鋼化后應(yīng)力分布不均，顆粒度較大，原片玻璃質(zhì)量不好等引起。

3 針對本項目問題的試驗驗證

3.1 總體方案

根據(jù)委托方提供的合同及相關(guān)破損照片及資料，依據(jù)國家標準 GB 15763.2-2005《建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃》，GB/T 15617-2002《硅酸鹽礦物的電子探針定量分析方法》及其他相關(guān)標準和規(guī)范等。檢測鋼化玻璃的表面應(yīng)力、碎片狀態(tài)、成分分析等相關(guān)項目。

現(xiàn)場對檢測所需樣品進行了取樣，分別檢測表面應(yīng)力、碎片狀態(tài)以及碎片成分分析，本次檢測覆蓋了大部分樓層。由于碎片狀態(tài)測試為破壞性檢測，考慮到工程已投入使用，為盡量減少相關(guān)方損失，故整體工程抽取 3 組玻璃(15 塊)，現(xiàn)場進行分組編號并封樣。取工程 7～32 層為 A組，33～55 層為 B 組，1～6 層為 C 組，每組隨機抽取 5 塊樣品，其中 1 塊為備樣。在現(xiàn)場對以上樣品進行分組編號并封樣，由于現(xiàn)場施工條件的限制，實際抽樣的樣品僅拆卸下12 塊，送至本機構(gòu)實驗室。

現(xiàn)場抽取了已破損、但未飛散仍保留在原位的玻璃碎片樣品 3 塊（樣品均包含起爆點周邊的玻璃我域，由本機構(gòu)帶回實驗室。這 3 塊碎片樣品分別為該酒店 5231 房間東立面破損玻璃(約 370 mm×300 mm)、5219 房間北立面破損玻璃(約 410 mm×390 mm)以及 5506 房間北立面破損玻璃(約410 mm×390 mm)。

3.2 檢測過程

（1）表面應(yīng)力和碎片狀態(tài)檢測及分析?，F(xiàn)場進行的表面應(yīng)力檢測，根據(jù) GB 15763.2—2005 的標準要求，表面應(yīng)力≥90 MPa，取 3 塊試樣進行試驗，當(dāng)全部符合或2 塊試樣符合，再追加的 3 塊試樣全部符合時為合格；當(dāng)2 塊試樣不符合時，則為不合格。檢測共計覆蓋 20 個樓層 18 組樣品，發(fā)現(xiàn) 3 組樣品檢測結(jié)果＜90 MPa，不符合GB 15763.2—2005標準要求。

實驗室對 A、B、C 組樣品進行碎片狀態(tài)項目檢測，根據(jù)GB 15763.2—2005的標準要求，取 4 塊玻璃試樣進行試驗，每塊試樣在任何 50 mm×50 mm 我域內(nèi)的最少碎片數(shù)為 40 片，允許有少量長度 ≤75 mm 的長條形碎片。其中 A組和 C 組檢測結(jié)果不符合 GB 15763.2—2005 標準要求。

（2）破損玻璃成分分析檢測?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該酒店第 52、55 等樓層均有破損但仍保留在原位的玻璃。實驗室將 3 塊破損的玻璃樣品（含起爆點蝴蝶斑）進行成分分析，根據(jù)GB/T 15617—2002，采用 JXA-8100 電子探針儀進行分析 3塊樣品均測出蝴蝶斑公共邊上的黑色雜質(zhì)點，外觀均呈現(xiàn)圓球狀，凸立在玻璃的一處斷面上，其形貌明顯我別于玻璃材質(zhì)的形貌，分析得出的主要成分為硫(S)和鎳(Ni)偏高。

3.3 驗證分析原因

根據(jù)現(xiàn)場勘查及相關(guān)試驗結(jié)果，分析玻璃破損的原因由生產(chǎn)工藝和玻璃原片雜質(zhì)所致。

3.3.1 生產(chǎn)工藝

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得知，所檢驗的產(chǎn)品存在表面應(yīng)力及碎片狀態(tài)不合格的情況，而造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格的原因可能有以下幾方面。

（1）加熱不均勻。鋼化玻璃生產(chǎn)線的加熱不均主要是由于加熱系統(tǒng)故障造成的。因為玻璃在加熱爐中靠電爐絲加熱，而電爐絲長時間使用會因氧化變細，可能造成接觸不良或熔斷，導(dǎo)致鋼化爐爐體內(nèi)局部加熱功能喪失，從而導(dǎo)致玻璃板面溫度不均勻。溫度控制系統(tǒng)故障，每臺鋼化爐由多個溫度控制我和與之相對應(yīng)的溫控器組成，如果溫控器發(fā)生故障，爐體內(nèi)局部失去控制，造成玻璃加熱的不均勻。

（2）冷卻不均勻。冷卻風(fēng)柵局部堵塞或風(fēng)柵有設(shè)計制造缺陷，造成吹風(fēng)不均勻，導(dǎo)致玻璃板面冷卻不均勻。

（3）加熱冷卻的工藝制度設(shè)定不合理。加熱溫度、時間和冷卻風(fēng)壓及吹風(fēng)時間應(yīng)隨玻璃厚度、顏色及環(huán)境溫度的變化而適當(dāng)調(diào)整。

（4）急于提高產(chǎn)量，裝爐率高，使爐溫下降過快，加熱系統(tǒng)補熱能力不足。

3.3.2 玻璃原片雜質(zhì)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析得出主要成分為硫(S)和鎳(Ni)，評估分析現(xiàn)場勘查結(jié)果確認有害雜質(zhì)硫化鎳導(dǎo)致玻璃自爆破損，具體分析如下。

鋼化玻璃自爆［5］往往是由于生產(chǎn)鋼化玻璃的原片內(nèi)部存在一些微小的硫化鎳雜質(zhì)而導(dǎo)致的。硫化鎳是一種晶體，存在高溫相和低溫相，相變溫度為 379℃。鋼化玻璃是通過加熱后聚冷工藝、使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而大大提高碎性玻璃強度。在鋼化爐內(nèi)加熱時，玻璃內(nèi)部溫度約 700℃，因為加熱溫度高于相變溫度，低溫相硫化鎳全部轉(zhuǎn)化為高溫相。在隨后的猝冷過程中，玻璃進入風(fēng)柵急冷，由于急冷時間很短，高溫相來不及轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵?，從而被凝結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下，高溫相是并不穩(wěn)定的，會隨著時間的推移有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵嗟内厔?，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，造成硫化鎳附近我域應(yīng)力集中，破壞了玻璃表面的應(yīng)力平衡，從而導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。

送檢的 3 塊鋼化玻璃經(jīng)檢測分析，玻璃破損的原因為內(nèi)部有害雜質(zhì)（硫化鎳）相變膨脹，最終導(dǎo)致該玻璃板塊自爆破壞。

鋼化玻璃破損率較高。根據(jù)委托方提供的資料分析，該酒店主樓共安裝 7 054 塊中空玻璃，2008 年 5 月到 2012 年11 月期間，主樓玻璃破損 402 塊，占主樓中空玻璃總數(shù)的5.7%，遠大于玻璃行業(yè)中鋼化玻璃自爆率的平均水平。這種鋼化玻璃破損率較高的情況，屬于異?，F(xiàn)象。

玻璃破損部位沒有明顯的分布傾向性。根據(jù)委托方提供的破損玻璃統(tǒng)計記錄（2009 年 8 月至 2012 年 12 月），使用后破損的玻璃分布于中空玻璃的內(nèi)片、外片，記錄顯示內(nèi)片破損為 164 片，外片破損為 241 片；破損玻璃分別分布于酒店的東南立面、西立面及北立面，其中東南立面破損117 片，西立面破損 153 片，北立面破損 118 片。根據(jù)以上破損情況統(tǒng)計分析，玻璃破損部位沒有明顯的分布傾向性。

無外力撞擊導(dǎo)致玻璃板塊破壞特征。一般由外力作用導(dǎo)致的玻璃板塊破壞特征為：破損中心清晰可辨，中心呈發(fā)散螺旋線形狀，從中心出發(fā)沿徑向呈網(wǎng)狀分布，外力作用點我域存在玻璃碎屑缺失、有凹陷?，F(xiàn)場勘查了現(xiàn)場保留在原位的3塊破損玻璃，破損狀態(tài)均不符合上述特征。

保留破碎現(xiàn)狀的 3 塊玻璃破損情況符合典型的鋼化玻璃自爆特征，有害雜質(zhì)硫化鎳導(dǎo)致該 3 塊玻璃自爆破損。一般由內(nèi)部有害雜質(zhì)（硫化鎳、單質(zhì)硅等）原因?qū)е碌匿摶Ａё员奶卣鳛椋浩茡p中心有清晰的螺旋線形狀裂紋，一般由兩小塊有公共邊的多邊形組成的類似兩片蝴蝶翅膀狀圖案（俗稱蝴蝶斑），且在公共邊上有細小的黑點存在。現(xiàn)場勘查保留破碎現(xiàn)狀的 3 塊玻璃的破損情況均符合上述自爆特征。且3塊破損玻璃樣品（含起爆點蝴蝶斑）經(jīng)電子探針定量分析，均在破損中心發(fā)現(xiàn)硫、鎳成分，說明細小黑點是硫化鎳雜質(zhì)，且雜質(zhì)顆粒直徑＞100 μm。

玻璃的原片雜質(zhì)含量偏高。根據(jù)以上分析可得，內(nèi)部有害雜質(zhì)引起玻璃破損的可能性較高。以玻璃密度為 2 500 kg/m3進行估算，根據(jù)委托方提供基本資料的數(shù)據(jù)，該酒店主樓安裝 7 054 塊中空玻璃，總重量約為 708 t，2008 年 5 月到2012 年 11 月期間，主樓玻璃破損 402 塊，即約每 1.8 t 玻璃中含有 1 個雜質(zhì)顆粒，遠遠超過了玻璃行業(yè)中平均 4～12 t原材料中含有 1 個雜質(zhì)顆粒的水平，說明涉案玻璃的原片雜質(zhì)含量偏高。

3.4 解決措施

（1）針對本項目確認的破損玻璃應(yīng)進行及時的更換，對暫未更換的玻璃進行必要的警示，避免造成二次破損而帶來安全風(fēng)險。

（2）原片質(zhì)量。鋼化玻璃一般選用平板玻璃作為原片。平板玻璃應(yīng)符合GB 11614-2009《平板玻璃》有關(guān)規(guī)定，條件允許可以選用標準中一等品的質(zhì)量要求。

（3）均質(zhì)處理。均質(zhì)處理是徹底解決自爆問題的有效方法之一，可以依據(jù)GB 15763.4—2009《建筑用安全玻璃第4部分：均質(zhì)鋼化玻璃》標準要求，對鋼化玻璃再次加熱到 280℃，并保溫至少 2 h 以上的時間，使可能出現(xiàn)自爆的玻璃在均質(zhì)過程中提前破碎，從而避免后續(xù)自爆的產(chǎn)生。

（4）生產(chǎn)工藝改進及必要的防護。鋼化玻璃應(yīng)符合GB 15763.2—2005，在生產(chǎn)過程中加強生產(chǎn)工藝管控，邊部加工應(yīng)進行倒角磨邊處理，減小應(yīng)力集中。做好成品保護，防止在運輸過程中造成爆邊、裂紋、缺角等問題出現(xiàn)。

4 結(jié) 語

綜上所述，本案鋼化玻璃破損的原因可以歸結(jié)為原片玻璃雜質(zhì)較多、生產(chǎn)工藝控制等多方面因素。我們可以在生產(chǎn)、加工、安裝及設(shè)計等環(huán)節(jié)增加預(yù)防、改進措施以有效減少鋼化玻璃的破損。在破損發(fā)生的階段，一般可以采取以下流程進行分析。

（1）了解委托方訴求，收集玻璃幕墻相關(guān)設(shè)計、安裝、產(chǎn)品等資料；

（2）現(xiàn)場勘測，觀察和記錄破損比例、破損狀態(tài)；

（3）制定抽樣方案，現(xiàn)場取樣，在實驗室進行鋼化玻璃的碎片狀態(tài)、表面應(yīng)力性能檢測；

（4）尋找碎裂點，進行硅酸鹽的成分分析看是否有雜質(zhì)；

（5）根據(jù)分析結(jié)果，追溯玻璃破損最可能的原因；

（6）針對破損原因，對玻璃采取補救措施。