劉忠偉：鋼化玻璃自爆原因分析與解決方法

1前言

    將平板玻璃經(jīng)過物理或化學的方法處理，使玻璃表面形成壓應力，內(nèi)部形成張應力，從而獲得高強度、高韌性的玻璃，稱為鋼化玻璃。應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當是罕見事件，至少應當是少見現(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，進行了相關的試驗研究，所得結果將應用于《建筑門窗幕墻應鋼化玻璃》建筑工程行業(yè)標準制訂中。

    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晶體（NiS）存在，室溫下存在著 相向 相轉(zhuǎn)變的熱力學傾向，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)變的熱力學傾向是不夠的，必須具備一定的動力學條件才能實現(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)部無應力。半鋼化玻璃和鋼化玻璃經(jīng)淬火后其內(nèi)部具有應力，屬于預應力材料。半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應力狀態(tài)見圖1。

    圖1半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應力

    由圖1可見，半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應力分布趨勢是一致的，都是外表面處于壓應力，內(nèi)部處于張應力，兩者的區(qū)別是鋼化玻璃表面壓應力和內(nèi)部張應力比半鋼化玻璃的表面壓應力和內(nèi)部張應力都大。只有玻璃中的硫化鎳粒子位于足夠大的張應力區(qū)，硫化鎳粒子才具備相變的動力學條件，因為硫化鎳粒子相變伴隨體積膨脹，足夠大的張應力為硫化鎳粒子體積膨脹提供了動力學條件，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。
    硫化鎳粒子造成鋼化玻璃自爆需要兩個條件：其一硫化鎳粒子所處位置的張應力大小；其二硫化鎳粒子的尺寸。硫化鎳粒子尺寸越大，它需要的張應力越小，即對應不同的張應力，硫化鎳粒子存在臨界尺寸，鋼化玻璃中張應力越大，硫化鎳粒子的臨界尺寸越小，產(chǎn)生自爆硫化鎳粒子越多，鋼化玻璃自爆的概率越大。
此外，風荷載、溫差作用、裝配應力等會改變鋼化玻璃內(nèi)部的應力分布，見圖3。

圖3鋼化玻璃在荷載作用下的應力

    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。
    平板玻璃中除含有硫化鎳粒子外，還含有結石、氣泡和雜質(zhì)，玻璃是典型的脆性材料，其力學行為服從斷裂力學。玻璃中的結石、氣泡和雜質(zhì)在玻璃中將會形成裂紋，是鋼化玻璃的薄弱點，特別是裂紋尖端是應力集中處。如果結石、氣泡或雜質(zhì)處在鋼化玻璃的張應力區(qū)，或在荷載作用下使其處于張應力，都可能導致鋼化玻璃炸裂。 
    原國家標準《浮法玻璃》GB11614—1999依據(jù)浮法玻璃中所含氣泡、夾雜物、缺陷大小和多少將浮法玻璃劃分為建筑級、汽車級和制鏡級，建筑級浮法玻璃質(zhì)量最低，汽車級居中，制鏡級最高，這是汽車用鋼化玻璃一般不發(fā)生自爆的主要原因之一。
    現(xiàn)行國家標準《平板玻璃》GB11614—2009依據(jù)平板玻璃中所含氣泡、夾雜物、缺陷大小和多少將平板玻璃劃分為合格品、一等品和優(yōu)等品 ，合格品平板玻璃質(zhì)量最低，一等品居中，優(yōu)等品最高，建筑上主要使用的是合格品平板玻璃。鋼化玻璃是平板玻璃的深加工產(chǎn)品，又有自爆的問題，因此鋼化玻璃使用的平板玻璃應為一等品，當鋼化玻璃板面較大時，應使用優(yōu)等品平板玻璃。

    3鋼化玻璃碎片數(shù)和表面壓應力

    我國國家標準《建筑用安全玻璃  第二部分：鋼化玻璃》GB15763.2——2005采用碎片數(shù)和表面壓應力兩個指標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；鋼化玻璃表面壓應力不應小于90MPa，亦無上限限制，其中碎片數(shù)是強制性的，表面壓應力是推薦性的。
    歐洲標準《Glass in building —Thermally toughened soda lime silicate safety glass —Part 1: Definition and description》 BS EN 12150-1和日本標準《Tempered glass》 JIS R 3206只采用碎片數(shù)表征鋼化玻璃的鋼化度，其具體規(guī)定與我國國家標準相同。
    美國標準《Standard Specification for Heat-Treated Flat Glass —Kind HS, Kind FT Coated and Uncoated Glass》 ASTM C  1048—04只采用表面壓應力表征鋼化玻璃的鋼化度，規(guī)定6mm半鋼化玻璃的表面壓應力為24—52MPa，鋼化玻璃表面壓應力最小值 69MPa。
    我國新標準要求其表面應力不應小于90MPa，這比此前老標準中規(guī)定的95MPa降低了5MPa，美國標準中規(guī)定鋼化玻璃的表面壓應力為大于69MPa，可否將我國鋼化玻璃表面壓應力降低到與美國標準一致或接近非常值得研究。如果可行，將極大地降低鋼化玻璃的自爆率。降低表面壓應力值限值可能會造成鋼化玻璃碎片偏大，不過即使鋼化玻璃表面壓應力很高，碎片很小，也無法保證碎片都以分裂狀態(tài)存在，許多情況下碎片表現(xiàn)為裂而不碎，形成“鋼化玻璃被”，其結果與大一點的碎片區(qū)別不大，甚至其危害性更大，因此可以考慮降低鋼化玻璃表面壓應力值限值。況且我國半鋼化玻璃標準規(guī)定，其表面壓應力值限值為不大于60MPa，鋼化玻璃標準規(guī)定，其表面壓應力值限值為不小于90MPa，如果玻璃表面壓應力處于60—90MPa之間，既不屬于半鋼化玻璃，也不屬于鋼化玻璃，屬于不合格品。從這個角度來說，也應將鋼化玻璃表面壓應力值限值降低，如果將半鋼化玻璃表面壓應力值限值與鋼化玻璃表面壓應力值限值連接有困難，至少可將鋼化玻璃表面壓應力值限值降低，縮小兩者的差距。
    為達到降低鋼化玻璃碎片數(shù)和表面壓應力，我們進行了試驗驗證。試驗結果表明，可將鋼化玻璃碎片數(shù)確定在10—40粒之間，對應的表面壓應力位于70—90MPa之間。

    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，易造成應力集中而導致鋼化玻璃自爆。玻璃表面本來就存在大量的微裂紋，這也是玻璃力學行為服從斷裂力學的根本原因。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，當微裂紋尺寸接近或達到臨界值時，裂紋快速擴張，導致玻璃破裂。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致玻璃表面或邊部微裂紋快速擴張，最終導致玻璃破裂。
    為此應提高鋼化玻璃邊部加工質(zhì)量，明確邊部加工要求，如兩邊完全磨邊或三邊不完全磨邊，避免玻璃邊部和表面劃傷和磕碰。理論分析和實驗表明，鋼化玻璃邊部鋼化程度較低，因此應對鋼化玻璃邊部重點保護。對于點支式幕墻玻璃，如果對玻璃打孔，孔邊一定要精磨，最好達到拋光的程度，因為玻璃孔邊是應力集中部位。

    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，將導致鋼化玻璃沿板面方向應力不均勻和沿厚度方向應力分布不對稱，這些都有可能造成鋼化玻璃自爆。鋼化玻璃沿板面方向應力不均勻，可以造成玻璃局部處于張應力，如果這種張應力過大，超過玻璃的斷裂強度，玻璃就會爆裂。玻璃板沿厚度方向應力分布應當是對稱的，即上下兩表面處于壓應力，中間處于張應力，上下表面的壓應力大小、應力層厚度和變化完全是對稱的，玻璃板承受正負風壓的能力是相同的。如果玻璃板沿厚度方向應力分布不對稱，玻璃板承受正負風壓的能力就不相同，一側承受荷載的能力較強，另一側較小，即玻璃可能在較小荷載作用下破損，嚴重時，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。
    為此應提高鋼化玻璃表面應力均勻度和沿厚度方向的對稱度。特別對于low-e玻璃的鋼化更要關注其鋼化玻璃應力沿厚度方向的對稱度，因為low-e玻璃上下表面對熱輻射吸收的差異將會造成low-e玻璃在加熱時玻璃板沿厚度方向溫度的差異，而這種差異最終將會導致鋼化玻璃應力沿厚度方向的不對稱，目前在玻璃鋼化過程中采用強制對流的方法來消除這種不利因素。
    鋼化玻璃內(nèi)部應力不均勻，存在較大應力梯度，會造成自爆，表現(xiàn)為碎片顆粒大小不一且差距較大。表面壓應力有五個測點，取平均值。應增加五個測點最大值和最小值之間的差值限值，用以表征鋼化玻璃表面壓應力均勻性。

    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、應力的不均勻等等導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、應力的不均勻等等導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。
    實踐工程中，鋼化玻璃使用面積越來越大，對于大板面的鋼化玻璃不僅對其彎曲度的相對值提出要求，而且應對其彎曲度的絕對值提出要求，以減小鋼化玻璃裝配應力，避免鋼化玻璃經(jīng)長時間使用后發(fā)生自爆。

    8結束語

    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)標準，上述研究成果將應用于該標準中。