鋼化玻璃自爆原因及解決辦法自爆及其分類

  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(xiàn)象。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(jiàn)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。二是有玻璃種硫化鎳（Nis）雜質(zhì)膨脹引起的自爆。這是兩種不同類型的自爆，應(yīng)明確分類，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(jiàn)，檢測(cè)相對(duì)容易，故生產(chǎn)中可控，后者則主要有玻璃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。硫化鎳類自爆后更換難度大，處理費(fèi)用高，同事會(huì)伴隨較大的質(zhì)量肉酥及經(jīng)濟(jì)損失，造成業(yè)主的不滿甚至更為嚴(yán)重的其他后果。所以，硫化鎳引發(fā)的自爆是我們討論的重點(diǎn)。

鋼化玻璃自爆機(jī)理

  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(gè)平衡體。

  玻璃本身是一種脆性材料，耐壓不耐拉，所以玻璃的大部分破碎是張應(yīng)力引發(fā)的。鋼化玻璃種硫化鎳晶體發(fā)生相變時(shí)，其體積膨脹，處于玻璃板芯張應(yīng)力層的硫化鎳膨脹使鋼化玻璃內(nèi)部產(chǎn)生更大的張應(yīng)力，當(dāng)張應(yīng)力超過(guò)玻璃自身所能承受的權(quán)限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。

  國(guó)外研究證明：玻璃主料石英砂或砂巖帶入鎳，燃料及輔料帶入硫，在1400oC~1500oC高溫熔窯燃燒熔化形成硫化鎳。

  當(dāng)溫度超過(guò)1000oC時(shí)，硫化鎳以液滴形式隨機(jī)分布于熔融玻璃液中，當(dāng)溫度降至797oC時(shí)，這些小液滴結(jié)晶固話，硫化鎳處于高溫態(tài)的β-NiS（六方晶系）。當(dāng)溫度繼續(xù)降至379℃時(shí)，發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變成為低溫狀態(tài)的β-NiS（三方晶系），同時(shí)伴隨著2.38%的體積膨脹。這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程的快慢，既取決于硫化鎳顆粒中不同組成物(包括Ni7S6、NiS、NiS1.01)的百分比含量，還取決于其周圍溫度的高低。如果硫化鎳相變沒(méi)有轉(zhuǎn)換完全，則即使在自然存放及正常使用的溫度條件下，這一過(guò)程仍然繼續(xù)，只是速度很低而已。

  當(dāng)玻璃鋼化加熱時(shí)，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(shí)間很短，來(lái)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(kuò)張，對(duì)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(shí)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。

  進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于表面壓應(yīng)力100MPa的鋼化玻璃，其內(nèi)部的張應(yīng)力為45MPa左右。此時(shí)張應(yīng)力層中任何直徑大于0.06mm的硫化鎳均可引發(fā)自爆。另外，根據(jù)自爆研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，95%以上的自爆是由粒徑分布在0.04mm～0.65mm之間的硫化鎳引發(fā)。根據(jù)材料斷裂力學(xué)計(jì)算出硫化鎳引發(fā)自爆的平均粒徑為0.2mm.因此，國(guó)內(nèi)外玻璃加工行業(yè)一致認(rèn)定硫化鎳是鋼化玻璃自爆的主要原因。鋼化玻璃自爆還有一些其他因素：玻璃開(kāi)槽及鉆孔的不合理、玻璃原片質(zhì)量較差、厚度不均如壓花玻璃、應(yīng)力分布不均例如彎鋼化玻璃及區(qū)域鋼化玻璃等。

  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，對(duì)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(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(mén)推薦提供的120項(xiàng)既有建筑幕墻項(xiàng)目，在本次調(diào)查中，幕墻玻璃破損437塊。全玻幕墻此次調(diào)查有17項(xiàng)，其中10項(xiàng)發(fā)現(xiàn)大玻璃碎裂，共計(jì)68塊，玻璃肋斷裂3塊，還發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象個(gè)別城市也比較多。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(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(jù)國(guó)內(nèi)、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(yīng)采用防飛散玻璃。鋼化玻璃自爆及其分類：鋼化玻璃自爆分類從鋼化玻璃誕生開(kāi)始，就伴隨著自爆問(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(xiàn)象。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(jiàn)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KASPERr通過(guò)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。新發(fā)現(xiàn)異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。

  這是兩種不同類型的自爆，應(yīng)明確分類，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(jiàn)，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。

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(zé)任難明。自爆時(shí)間沒(méi)有確定性，可能是剛出爐，也可能是出廠后1～2月，也有出廠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(jù)不完全了解，大部份廠家產(chǎn)品的概率是3‰左右的自爆率;個(gè)別廠家產(chǎn)品的概率可能還要高。鋼化玻璃自爆的根本原因是因?yàn)椴Ａе泻辛蚧嚰爱愘|(zhì)相顆粒雜質(zhì)，雜質(zhì)是如何混入的現(xiàn)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(shè)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(duì)于燒油的熔窯，曾報(bào)道在小爐中發(fā)現(xiàn)富鎳的凝結(jié)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(dāng)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(jié)石。硫化鎳可以在生產(chǎn)完成后任何時(shí)候發(fā)生，故現(xiàn)在還不能完全杜絕，至今無(wú)有效地防止辦法稱為“玻璃幕墻的癌癥”。

  “玻璃幕墻的癌癥”出自著名建筑師福斯特之口：那年，由斯特事務(wù)所設(shè)計(jì)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，承包商不得不著手檢查所有的內(nèi)部玻璃。大倫敦市議會(huì)發(fā)言人說(shuō)，根據(jù)初步調(diào)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(yīng)，造成破裂。硫化鎳類自爆后更換難度大，處理費(fèi)用高，同時(shí)會(huì)伴隨較大的質(zhì)量投訴及經(jīng)濟(jì)損失，造成業(yè)主的不滿甚至更為嚴(yán)重的其他后果。稱之為“玻璃幕墻的癌癥”。鋼化玻璃自爆率及自爆原因。自爆率：國(guó)內(nèi)的自爆率各生產(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)。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厚的鋼化玻璃計(jì)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(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4、鋼化玻璃不可控自爆的原因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。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。硫化鎳(nis)及異質(zhì)相顆粒。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)棣料唷Ｈ欢陔S后的淬冷過(guò)程中，α-nis來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣?nis，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?nis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。

  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(qū)。

  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?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)，如有仔細(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(jiàn)的黑色小顆粒(硫化鎳結(jié)石)，則可判斷是自爆的;否則就應(yīng)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“蝴蝶斑”。nis結(jié)石位于二塊"蝴蝶斑"的界面上。

  徑向應(yīng)力r≥a 切向應(yīng)力r≥a 顆粒與玻璃之間界面的應(yīng)力對(duì)于異質(zhì)顆粒在玻璃基體中，降溫過(guò)程溫差是負(fù)的，所以顆粒周邊的徑向應(yīng)力是壓力，切向應(yīng)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(yīng)力是壓力，切向應(yīng)力是拉力，所以切向應(yīng)力是裂紋啟始的根源。鋼化玻璃自爆機(jī)理理論探討：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)于安全玻璃的概念，傳統(tǒng)的概念是，(全)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(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(diào)查和眾多事故實(shí)踐，對(duì)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(duì)于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃，其安全的主要擔(dān)心是玻璃破碎墜落傷人。這里應(yīng)該包含三部分要求：

  一是玻璃具有足夠的強(qiáng)度，使其承受設(shè)計(jì)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(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?zhǔn)妆闶亲杂陕潴w的重力加速度。對(duì)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(xiǎn)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(duì)的概念，是有條件的;不是絕對(duì)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(guó)外玻璃幕墻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中都明確玻璃幕墻不宜使用單片鋼化玻璃，應(yīng)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。

  “強(qiáng)而不破碎，破碎不散落”，防飛散玻璃才是玻璃幕墻使用的安全玻璃。

推薦采用半鋼化玻璃。

  半鋼化玻璃生產(chǎn)采用與鋼化玻璃類似的工藝方法.只是冷卻速度較慢.因此其表面應(yīng)力略小于鋼化玻璃。半鋼化玻璃在機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度為普通玻璃的2倍;可以有效地抵抗熱應(yīng)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(nèi)而不會(huì)墜落;不易發(fā)生鋼化玻璃的自爆現(xiàn)象;比鋼化玻璃具有更好的平整度。

結(jié)論

  1、國(guó)內(nèi)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(tǒng)認(rèn)識(shí)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(kuò)展主要是由于在顆粒附近處產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力。

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

  5、幕墻及門(mén)窗應(yīng)采用防飛散玻璃，推薦采用半鋼化玻璃