【 第一幕墻網(wǎng) 】
1前言 將平板玻璃經(jīng)過物理或化學(xué)的方法處理,使玻璃表面形成壓應(yīng)力,內(nèi)部形成張應(yīng)力,從而獲得高強度、高韌性的玻璃,稱為鋼化玻璃。應(yīng)用于建筑上通常是物理鋼化玻璃。鋼化玻璃與平板玻璃相比有許多優(yōu)點,如鋼化玻璃的強度高,韌性好,抗熱沖擊性能優(yōu)越,安全破裂。所謂安全破裂是指鋼化玻璃碎片鈍化了,即鋼化玻璃碎片沒有明顯的銳角,當(dāng)人體撞擊玻璃并發(fā)生玻璃破碎時,給人體的切割傷或刺穿傷降低。因此鋼化玻璃被廣泛地應(yīng)用于玻璃幕墻和門窗等工程中。但是鋼化玻璃也有缺點,如自爆。嚴(yán)格意義上說,鋼化玻璃只有在無荷載作用下發(fā)生的自發(fā)性-炸裂才稱為鋼化玻璃的自爆。實際工程中,對于沒有外力沖擊、正常使用條件下、具有典型自爆裂紋的鋼化玻璃破裂也歸結(jié)為鋼化玻璃自爆。自爆是鋼化玻璃固有的弱點之一,但鋼化玻璃自爆原本應(yīng)當(dāng)是罕見事件,至少應(yīng)當(dāng)是少見現(xiàn)象,如汽車、火車和輪船用鋼化玻璃都極少發(fā)生自爆。而建筑上用鋼化玻璃卻經(jīng)常發(fā)生自爆,以至于發(fā)展成一種普遍現(xiàn)象,甚至發(fā)生傷人、損物事件,已到了必須解決的地步。本文全面分析了鋼化玻璃自爆的原因,提出了降低鋼化玻璃自爆率的方法,進行了相關(guān)的試驗研究,所得結(jié)果將應(yīng)用于《建筑門窗幕墻應(yīng)鋼化玻璃》建筑工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制訂中。 2硫化鎳及其他缺陷 鋼化玻璃自爆的原因很多,最主要原因是硫化鎳粒子的膨脹。玻璃中含有硫化鎳夾雜物 ,硫化鎳夾雜物一般以結(jié)晶體(NiS)存在,室溫下存在著 相向 相轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)傾向,并伴有2—3%的體積膨脹。硫化鎳粒子存在于平板玻璃中,因而才存在于半鋼化玻璃和鋼化玻璃中。但平板玻璃和半鋼化玻璃沒有自爆現(xiàn)象,只有鋼化玻璃才有自爆,原因是僅有硫化鎳粒子由 相向 相轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)傾向是不夠的,必須具備一定的動力學(xué)條件才能實現(xiàn)這種相變,進而造成玻璃的自爆。平板玻璃是退火玻璃,其內(nèi)部無應(yīng)力。半鋼化玻璃和鋼化玻璃經(jīng)淬火后其內(nèi)部具有應(yīng)力,屬于預(yù)應(yīng)力材料。半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)見圖1。 圖1半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力 由圖1可見,半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力分布趨勢是一致的,都是外表面處于壓應(yīng)力,內(nèi)部處于張應(yīng)力,兩者的區(qū)別是鋼化玻璃表面壓應(yīng)力和內(nèi)部張應(yīng)力比半鋼化玻璃的表面壓應(yīng)力和內(nèi)部張應(yīng)力都大。只有玻璃中的硫化鎳粒子位于足夠大的張應(yīng)力區(qū),硫化鎳粒子才具備相變的動力學(xué)條件,因為硫化鎳粒子相變伴隨體積膨脹,足夠大的張應(yīng)力為硫化鎳粒子體積膨脹提供了動力學(xué)條件,這就是平板玻璃和半鋼化玻璃不發(fā)生自爆,鋼化玻璃自爆的原因。玻璃中的硫化鎳粒子是隨機分布的,如果玻璃中的硫化鎳粒子位于鋼化玻璃最大張應(yīng)力部位,該粒子就可能成為鋼化玻璃自爆的起爆點。由硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆其爆裂點裂紋形狀往往與蝴蝶相似,被稱為蝴蝶形裂紋,有些在爆裂點中部有一個有色顆粒,被認(rèn)為是硫化鎳粒子,這兩個特性往往被用來作為鋼化玻璃是否是自爆的判據(jù)。硫化鎳粒子在鋼化玻璃自爆前后的體積是不同的,爆裂前體積小,不易被看見;自爆后其體積增大,地點確定,很容易被看見,這也是鋼化玻璃自爆不易預(yù)見的原因之一。鋼化玻璃自爆裂紋見圖2。 圖2鋼化玻璃自爆裂紋 硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆具有主動性、自發(fā)性、無外因,是真正意義上的自爆。 圖3鋼化玻璃在荷載作用下的應(yīng)力 由圖3可見,在荷載作用下,原本處于不具備自爆條件的硫化鎳粒子可能變?yōu)榫邆渥员瑮l件而自爆,這就是工程上鋼化玻璃安裝后,特別是采光頂鋼化玻璃自爆的主要原因。 3鋼化玻璃碎片數(shù)和表面壓應(yīng)力 我國國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用安全玻璃 第二部分:鋼化玻璃》GB15763.2——2005采用碎片數(shù)和表面壓應(yīng)力兩個指標(biāo)表征鋼化玻璃的鋼化度,對于4—12mm厚的鋼化玻璃,規(guī)定在50 50mm區(qū)域內(nèi)的最少碎片數(shù)必須滿足40片,無上限限制;鋼化玻璃表面壓應(yīng)力不應(yīng)小于90MPa,亦無上限限制,其中碎片數(shù)是強制性的,表面壓應(yīng)力是推薦性的。 4鋼化玻璃邊部質(zhì)量 玻璃表面和邊部在加工、運輸、貯存和施工過程,可能造成有劃痕、炸口和爆邊等缺陷,易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。玻璃表面本來就存在大量的微裂紋,這也是玻璃力學(xué)行為服從斷裂力學(xué)的根本原因。這些微裂紋在一定的條件下會擴展,如水蒸氣的作用、荷載的作用等,都可能加速微裂紋的擴展。通常情況下微裂紋的擴展速度是極其緩慢的,表現(xiàn)為玻璃的強度是一恒定值。但是玻璃表面的微裂紋有一臨界值,當(dāng)微裂紋尺寸接近或達到臨界值時,裂紋快速擴張,導(dǎo)致玻璃破裂。如果玻璃表面和邊部存在接近臨界尺寸的微裂紋,如玻璃表面和邊部在加工、運輸、貯存和施工過程造成的劃痕、炸口、爆邊等缺陷尺寸就較大,玻璃可能在極小的荷載作用下就導(dǎo)致玻璃表面或邊部微裂紋快速擴張,最終導(dǎo)致玻璃破裂。 5鋼化均勻度 鋼化玻璃在生產(chǎn)過程中需要對玻璃進行加熱和冷卻,玻璃在加熱或冷卻時沿玻璃板面方向不均勻和沿厚度方向的不對稱,將導(dǎo)致鋼化玻璃沿板面方向應(yīng)力不均勻和沿厚度方向應(yīng)力分布不對稱,這些都有可能造成鋼化玻璃自爆。鋼化玻璃沿板面方向應(yīng)力不均勻,可以造成玻璃局部處于張應(yīng)力,如果這種張應(yīng)力過大,超過玻璃的斷裂強度,玻璃就會爆裂。玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布應(yīng)當(dāng)是對稱的,即上下兩表面處于壓應(yīng)力,中間處于張應(yīng)力,上下表面的壓應(yīng)力大小、應(yīng)力層厚度和變化完全是對稱的,玻璃板承受正負風(fēng)壓的能力是相同的。如果玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布不對稱,玻璃板承受正負風(fēng)壓的能力就不相同,一側(cè)承受荷載的能力較強,另一側(cè)較小,即玻璃可能在較小荷載作用下破損,嚴(yán)重時,玻璃板在無荷載作用下產(chǎn)生變形,造成幕墻玻璃影像畸變。 6鋼化玻璃板面限制 減小鋼化玻璃板面尺寸,可降低鋼化玻璃自爆率。目前我國在應(yīng)用建筑玻璃方面呈現(xiàn)板面越來越大的趨勢,鋼化玻璃尺寸越大,玻璃板越厚,自爆概率越大。在一塊鋼化玻璃板中,只要有一個自爆點,并最終導(dǎo)致鋼化玻璃自爆,無論鋼化玻璃板塊大小,整個鋼化玻璃板都破碎。玻璃板塊越大,含有雜質(zhì)、硫化鎳粒子、邊部加工缺陷、表面劃傷、應(yīng)力的不均勻等等導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的不利因素就隨之增加。在同樣荷載作用下,玻璃板塊越大,玻璃板就得越厚,含有雜質(zhì)、硫化鎳粒子、邊部加工缺陷、表面劃傷、應(yīng)力的不均勻等等導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的不利因素也會增加,鋼化玻璃自爆概率就會加大。因此應(yīng)依據(jù)平板玻璃厚度、質(zhì)量等級對鋼化玻璃板面尺寸做出限制。 7鋼化玻璃變形過大 對鋼化玻璃的弓形彎曲度的要求要全面,只有弓形彎曲度的相對值要求,沒有絕對值要求,對于尺寸小的鋼化玻璃可滿足要求,而對于尺寸較大的鋼化玻璃,盡管其弓形彎曲度的相對值滿足要求,但其絕對值過大,致使鋼化玻璃的裝配應(yīng)力較大,經(jīng)一段時間使用后發(fā)生鋼化玻璃自爆,這也是一些工程鋼化玻璃在使用幾年后發(fā)生自爆的原因。 8結(jié)束語 為降低鋼化玻璃自爆率,保證鋼化玻璃在建筑上安全使用,目前正在制定《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》建筑工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),上述研究成果將應(yīng)用于該標(biāo)準(zhǔn)中。 |