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(guò)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(qiáng)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(diǎn)，如鋼化玻璃的強(qiáng)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(méi)有明顯的銳角，當(dāng)人體撞擊玻璃并發(fā)生玻璃破碎時(shí)，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(diǎn)，如自爆。嚴(yán)格意義上說(shuō)，鋼化玻璃只有在無(wú)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(shí)際工程中，對(duì)于沒(méi)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(diǎn)之一，但鋼化玻璃自爆原本應(yīng)當(dāng)是罕見(jiàn)事件，至少應(yīng)當(dāng)是少見(jiàn)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(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)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(méi)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(dòng)力學(xué)條件才能實(shí)現(xiàn)這種相變，進(jìn)而造成玻璃的自爆。平板玻璃是退火玻璃，其內(nèi)部無(wú)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(jiàn)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(jiàn)，半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力分布趨勢(shì)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(dòng)力學(xué)條件，因?yàn)榱蚧�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(dòng)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(jī)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(diǎn)。由硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆其爆裂點(diǎn)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(diǎn)中部有一個(gè)有色顆粒，被認(rèn)為是硫化鎳粒子，這兩個(gè)特性往往被用來(lái)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(jiàn)；自爆后其體積增大，地點(diǎn)確定，很容易被看見(jiàn)，這也是鋼化玻璃自爆不易預(yù)見(jiàn)的原因之一。鋼化玻璃自爆裂紋見(jiàn)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(dòng)性、自發(fā)性、無(wú)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(gè)條件：其一硫化鎳粒子所處位置的張應(yīng)力大��；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(yīng)力越小，即對(duì)應(yīng)不同的張應(yīng)力，硫化鎳粒子存在臨界尺寸，鋼化玻璃中張應(yīng)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(fēng)荷載、溫差作用、裝配應(yīng)力等會(huì)改變鋼化玻璃內(nèi)部的應(yīng)力分布，見(jiàn)圖3。

圖3鋼化玻璃在荷載作用下的應(yīng)力

    由圖3可見(jiàn)，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(jié)石、氣泡和雜質(zhì)，玻璃是典型的脆性材料，其力學(xué)行為服從斷裂力學(xué)。玻璃中的結(jié)石、氣泡和雜質(zhì)在玻璃中將會(huì)形成裂紋，是鋼化玻璃的薄弱點(diǎn)，特別是裂紋尖端是應(yīng)力集中處。如果結(jié)石、氣泡或雜質(zhì)處在鋼化玻璃的張應(yīng)力區(qū)，或在荷載作用下使其處于張應(yīng)力，都可能導(dǎo)致鋼化玻璃炸裂。 
    原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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(jí)、汽車級(jí)和制鏡級(jí)，建筑級(jí)浮法玻璃質(zhì)量最低，汽車級(jí)居中，制鏡級(jí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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(wèn)題，因此鋼化玻璃使用的平板玻璃應(yīng)為一等品，當(dāng)鋼化玻璃板面較大時(shí)，應(yīng)使用優(yōu)等品平板玻璃。

    3鋼化玻璃碎片數(shù)和表面壓應(yīng)力

    我國(guó)國(guó)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(gè)指標(biāo)表征鋼化玻璃的鋼化度，對(duì)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(wú)上限限制；鋼化玻璃表面壓應(yīng)力不應(yīng)小于90MPa，亦無(wú)上限限制，其中碎片數(shù)是強(qiáng)制性的，表面壓應(yīng)力是推薦性的。
    歐洲標(biāo)準(zhǔn)《Glass in building —Thermally toughened soda lime silicate safety glass —Part 1: Definition and description》 BS EN 12150-1和日本標(biāo)準(zhǔn)《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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相同。
    美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《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(yīng)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(yīng)力為24—52MPa，鋼化玻璃表面壓應(yīng)力最小值 69MPa。
    我國(guó)新標(biāo)準(zhǔn)要求其表面應(yīng)力不應(yīng)小于90MPa，這比此前老標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的95MPa降低了5MPa，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鋼化玻璃的表面壓應(yīng)力為大于69MPa，可否將我國(guó)鋼化玻璃表面壓應(yīng)力降低到與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力值限值可能會(huì)造成鋼化玻璃碎片偏大，不過(guò)即使鋼化玻璃表面壓應(yīng)力很高，碎片很小，也無(wú)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(jié)果與大一點(diǎn)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(yīng)力值限值。況且我國(guó)半鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其表面壓應(yīng)力值限值為不大于60MPa，鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其表面壓應(yīng)力值限值為不小于90MPa，如果玻璃表面壓應(yīng)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(gè)角度來(lái)說(shuō)，也應(yīng)將鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值降低，如果將半鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值與鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值連接有困難，至少可將鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值降低，縮小兩者的差距。
    為達(dá)到降低鋼化玻璃碎片數(shù)和表面壓應(yīng)力，我們進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，可將鋼化玻璃碎片數(shù)確定在10—40粒之間，對(duì)應(yīng)的表面壓應(yīng)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(yùn)輸、貯存和施工過(guò)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(lái)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(huì)擴(kuò)展，如水蒸氣的作用、荷載的作用等，都可能加速微裂紋的擴(kuò)展。通常情況下微裂紋的擴(kuò)展速度是極其緩慢的，表現(xiàn)為玻璃的強(qiáng)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(dá)到臨界值時(shí)，裂紋快速擴(kuò)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(yùn)輸、貯存和施工過(guò)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(kuò)張，最終導(dǎo)致玻璃破裂。
    為此應(yīng)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(shí)驗(yàn)表明，鋼化玻璃邊部鋼化程度較低，因此應(yīng)對(duì)鋼化玻璃邊部重點(diǎn)保護(hù)。對(duì)于點(diǎn)支式幕墻玻璃，如果對(duì)玻璃打孔，孔邊一定要精磨，最好達(dá)到拋光的程度，因?yàn)椴ＡЭ走吺菓?yīng)力集中部位。

    5鋼化均勻度

    鋼化玻璃在生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)玻璃進(jìn)行加熱和冷卻，玻璃在加熱或冷卻時(shí)沿玻璃板面方向不均勻和沿厚度方向的不對(duì)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(duì)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(guò)大，超過(guò)玻璃的斷裂強(qiáng)度，玻璃就會(huì)爆裂。玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布應(yīng)當(dāng)是對(duì)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(duì)稱的，玻璃板承受正負(fù)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(duì)稱，玻璃板承受正負(fù)風(fēng)壓的能力就不相同，一側(cè)承受荷載的能力較強(qiáng)，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(shí)，玻璃板在無(wú)荷載作用下產(chǎn)生變形，造成幕墻玻璃影像畸變。
    為此應(yīng)提高鋼化玻璃表面應(yīng)力均勻度和沿厚度方向的對(duì)稱度。特別對(duì)于low-e玻璃的鋼化更要關(guān)注其鋼化玻璃應(yīng)力沿厚度方向的對(duì)稱度，因?yàn)閘ow-e玻璃上下表面對(duì)熱輻射吸收的差異將會(huì)造成low-e玻璃在加熱時(shí)玻璃板沿厚度方向溫度的差異，而這種差異最終將會(huì)導(dǎo)致鋼化玻璃應(yīng)力沿厚度方向的不對(duì)稱，目前在玻璃鋼化過(guò)程中采用強(qiáng)制對(duì)流的方法來(lái)消除這種不利因素。
    鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力不均勻，存在較大應(yīng)力梯度，會(huì)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(yīng)力有五個(gè)測(cè)點(diǎn)，取平均值。應(yīng)增加五個(gè)測(cè)點(diǎn)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(yīng)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(guó)在應(yīng)用建筑玻璃方面呈現(xiàn)板面越來(lái)越大的趨勢(shì)，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(gè)自爆點(diǎn)，并最終導(dǎo)致鋼化玻璃自爆，無(wú)論鋼化玻璃板塊大小，整個(gè)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(huì)增加，鋼化玻璃自爆概率就會(huì)加大。因此應(yīng)依據(jù)平板玻璃厚度、質(zhì)量等級(jí)對(duì)鋼化玻璃板面尺寸做出限制。

    7鋼化玻璃變形過(guò)大

    對(duì)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(duì)值要求，沒(méi)有絕對(duì)值要求，對(duì)于尺寸小的鋼化玻璃可滿足要求，而對(duì)于尺寸較大的鋼化玻璃，盡管其弓形彎曲度的相對(duì)值滿足要求，但其絕對(duì)值過(guò)大，致使鋼化玻璃的裝配應(yīng)力較大，經(jīng)一段時(shí)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(shí)踐工程中，鋼化玻璃使用面積越來(lái)越大，對(duì)于大板面的鋼化玻璃不僅對(duì)其彎曲度的相對(duì)值提出要求，而且應(yīng)對(duì)其彎曲度的絕對(duì)值提出要求，以減小鋼化玻璃裝配應(yīng)力，避免鋼化玻璃經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后發(fā)生自爆。

    8結(jié)束語(yǔ)

    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。