建筑幕墻工程鋼化玻璃自爆機理探析

劉升華

鋼化玻璃以其優良的綜合性能正越來越多地應用在建筑工程、交通工具、生活起居等不同的領域，也為我們的生活和工作帶來了許多的便利，但鋼化玻璃在使用過程中出現的自爆現象等缺陷也引起了人們的擔心和管理者的關注。

針對建筑幕墻工程鋼化玻璃自爆等問題，中國建筑裝飾協會幕墻工程委員會受建設部委托，曾對北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門、溫州10個城市進行了既有幕墻安全狀況調查，調查樣本的選取是在10個城市自檢自查基礎上，由城市建設行政主管部門推薦提供的120項既有建筑幕墻項目，調查中發現了9項有重要隱患的幕墻工程，占調查項目總數的9.38%。如果去掉鋼化玻璃自爆破裂，比例下降到2.3%。幕墻門窗采用鋼化玻璃致使玻璃幕墻和門窗的玻璃破裂事故居高不下，改變這種狀況已迫在眉捷。

1 鋼化玻璃

鋼化玻璃是利用加熱到一定溫度后迅速冷卻的方法進行特殊處理的玻璃。一般是在原來普通的浮法玻璃基礎上，經過將玻璃加熱到軟化點溫度再經過淬火處理，使玻璃內部中心部位具有張應力而使玻璃表面部位具有壓應力并達到均勻應力平衡的玻璃產品。鋼化玻璃的品種包括化學鋼化（也稱離子鋼化）和物理鋼化兩種。

化學鋼化玻璃的特點是由于采用顆粒較大的離子如鉀離子置換玻璃表面的鈉離子，在約400度的溫度下經過一定的工藝制作完成；化學鋼化玻璃可以切割、熱彎等，但經過高溫加工后的玻璃強度會受影響；化學鋼化玻璃的初始強度可以達到原片的6-7倍，但是隨著使用時間加長，性能會衰減；由于離子置換的特殊性，多數使用在超薄的玻璃上。

物理鋼化玻璃的特點是強度高，一般強度可以達到普通平板玻璃的4倍左右；安全—鋼化玻璃破碎后立即分裂成沒有尖角產生的小顆粒，缺點是存在自暴的可能。

物理鋼化玻璃也同樣存在著兩個品種即全鋼化玻璃及熱增強玻璃之分，熱增強玻璃不存在自暴現象，但是強度僅僅是普通玻璃的兩倍左右，多數應用在高層建筑，提高抗風壓性能。熱增強玻璃不屬于安全玻璃。

2 幕墻工程鋼化玻璃自爆

廣義上，鋼化玻璃自爆一般定義為鋼化玻璃在無直接外力作用下發生自動炸裂的現象：一是指由玻璃中可見缺陷引起的自爆；二是指由玻璃中硫化鎳（NIS）雜質和異質相顆粒引起鋼化玻璃自爆。只有后者才會引起嚴重的質量問題及社會關注，所以一般提到的自爆均指后一種情況。

鋼化玻璃自爆不可控，事前無任何征兆，稱為“玻璃的癌癥”。

2.1鋼化玻璃自爆分類

鋼化玻璃自爆一般定義為鋼化玻璃在無直接外力作用下發生自動炸裂的現象，從鋼化玻璃誕生開始，就伴隨著自爆問題。在鋼化加工、貯存、運輸、安裝、使用等過程中均可發生鋼化玻璃自爆。自爆按起因不同可分為兩種：

一是由玻璃中可見缺陷引起的自爆，例如結石、砂粒、氣泡、夾雜物、缺口、劃傷、爆邊等；

二是由玻璃中硫化鎳（NIS）雜質和異質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制。BORDEAUX和KASPER r通過對250例自爆的研究，發現引起自爆的硫化鎳直徑在0.04～0.65mm之間，平均粒徑為0.2mm。

這是兩種不同類型的自爆，應區別對待，采用不同方法來應對和處理。前者一般目視可見，檢測相對容易，故生產中可控。后者則主要由玻璃中微小的硫化鎳顆粒體積膨脹引發，無法目測檢驗，故不可控。在實際運作和處理上，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無法檢驗而繼續存在，成為使用中的鋼化玻璃自爆的主要因素。

2.2鋼化玻璃自爆的外部特征

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”） 。判斷鋼化玻璃是否自暴，首先看起爆點（鋼化玻璃裂紋呈放射狀，均有起始點）是否在玻璃中間，如在玻璃邊緣，一般是因為玻璃未經過倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷，造成應力集中，裂紋逐漸發展造成的；如起爆點在玻璃中部，看起爆點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），如仔細觀察兩小塊多邊形公用邊（蝴蝶的軀干部分）應有肉眼可見的黑色小顆粒（硫化鎳結石），則可判斷是自爆（見圖1），否則就應是外力破壞。

圖1 鋼化玻璃自爆

2.3鋼化玻璃自爆形成機理

根據目前的研究成果，鋼化玻璃不可控自爆的原因在于硫化鎳（NiS）及異質相顆粒的存在。

玻璃中的裂紋萌發和擴展主要是由于在顆粒附近處產生的殘余應力所導致的。這類應力可分為兩類：一類是相變膨脹過程中的相變應力；另一類是由熱膨脹系數不匹配產生的殘余應力。

2.3.1 硫化鎳（NiS）引起鋼化玻璃自爆

玻璃內部包含硫化鎳雜質，以小水晶狀態存在，在一般情況下，不會造成玻璃破損，但是由于鋼化玻璃重新加熱，改變了硫化鎳雜質的相態，硫化鎳的高溫α態在玻璃急冷時被凍結，他們在恢復到β態可能需要幾年的時間，由于低溫β態的硫化鎳雜質將產生體積增大，在玻璃內部產生局部的應力集中，這時鋼化玻璃自爆將發生。然而，僅僅比較大的雜質將引起自爆，而且僅僅當雜質在拉應力的核心部位時才能發生鋼化玻璃自爆。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℃，玻璃在鋼化爐內加熱時，因加熱溫度遠高于相變溫度，NiS全部轉變為α相。然而在隨后的淬冷過程中，α－NiS來不及轉變為β－NiS，從而被凍結在鋼化玻璃中。在室溫環境下，α－NiS是不穩定的，有逐漸轉變為β－NiS的趨勢。這種轉變伴隨著約2～4%的體積膨脹，使玻璃承受巨大的相變張應力，從而導致自爆。從自爆后玻璃碎片中提取的nis結石的掃描電鏡照片中可看到，其表面起伏不平、非常粗糙（見圖2)。

2.3.2 異質相顆粒引起鋼化玻璃自爆

鋼化玻璃不可控自爆的來源不僅是傳統認識中的NiS微粒，還有許多其它異質相顆粒?？梢詮钠屏言刺幉Ａ槠臋M截面照片中看到，一個球形微小顆粒引起的首次開裂痕跡與二次碎裂的邊界區。

2.4鋼化玻璃自爆率

國內的鋼化玻璃自爆率各生產廠家并不一致，從3%～0.3%不等。一般自爆率是按片數為單位計算的，沒有考慮單片玻璃的面積大小和玻璃厚度，所以不夠準確，也無法進行更科學的相互比較。為統一測算自爆率，必須確定統一的假設。假定出統一的條件：每5～8噸玻璃含有一個足以引發自爆的硫化鎳；每片鋼化玻璃的面積平均為1.8m2；硫化鎳均勻分布。則計算出6mm鋼化玻璃的自爆率約為3‰～5‰，這與國內高水平加工企業的實際值基本吻合。

即使完全按標準生產，也不能徹底避免鋼化玻璃自爆。大型建筑物輕易就會用上幾百噸玻璃，這意味著玻璃中硫化鎳和異質相雜質存在的幾率很大，所以鋼化玻璃雖經熱浸處理，自爆依然不可避免。

3 解決幕墻工程鋼化玻璃自爆的對策

鋼化玻璃自爆是當前玻璃幕墻安全迫切需要解決的重要問題，在建筑幕墻設計及施工過程中可采取多種措施預防鋼化玻璃自爆及防止因外力引起玻璃自爆，主要包括：

3.1控制鋼化應力

圖2 典型的NiS引起的自爆碎片

鋼化應力越大，硫化鎳結石的臨界半徑就越小，能引起自爆的結石就越多。顯然，鋼化應力應控制在適當的范圍內，這樣既可保證鋼化碎片顆粒度滿足有關標準，也能避免高應力引起的不必要自爆風險。平面應力(鋼化均勻度)應越小越好，這樣不僅減小自爆風險，而且能提高鋼化玻璃的平整度。

3.2對鋼化玻璃進行熱均質處理，降低自爆率

均質處理是公認的解決玻璃自爆問題的有效方法。將鋼化玻璃再次加熱到290度左右并保溫一定時間，使硫化鎳在玻璃出廠前完成晶相轉變，讓今后可能自爆的玻璃在工廠內提前破碎。這種鋼化后再次熱處理的方法，國外稱作“HeatSoakTest”，簡稱 H ST。我國通常將其譯成“均質處理”，也俗稱 “引爆處理”。

3.3在結構設計過程中增加必要的保護措施

根據鋼化安全玻璃的特點，為了避免其在使用過程發生自爆，在框架結構設計中，玻璃周邊采用裝飾框進行保護，框架與玻璃周邊留有間隙并用密封膠填縫，使玻璃不直接與金屬框接觸，同時，盡量在設計上確保玻璃粘結厚度不小于6mm，可防止在使用過程中，在受到擠壓時自爆。

3.4合理設計

選擇合理的分隔設置，避免單塊玻璃尺寸超大、結構超厚。

3.5在高層建筑玻璃幕墻上使用鋼化玻璃時，可考慮增貼一層防飛散膜

防止鋼化玻璃破碎后的碎片從高空散落傷人，以確保安全。

3.6進一步研究采用新技術、新材料、新工藝，降低屏蔽門玻璃自爆概率的可行性

例如可考慮采用半鋼化玻璃作為建筑幕墻的面板材料。

3.7在人群密集場所使用鋼化玻璃時設置防撞標識

避免人們意外碰撞玻璃，引起自爆。

4 高層建筑玻璃幕墻使用全鋼化玻璃問題值得探討

鋼化玻璃自爆是當前玻璃幕墻安全迫切需要解決的重要問題。但是對于安全玻璃，傳統的概念是鋼化玻璃屬于安全玻璃。其根據除了強度較高外，主要是由于鋼化玻璃破碎時會整塊玻璃全部破碎成蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人。

實際上，鋼化玻璃具備較高強度和其破壞形態為鈍角小顆粒這兩個安全因素，但不具備防破碎散落性這一對高層建筑玻璃幕墻而言關鍵性的安全因素，因而帶來的不安全后果是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。所以，對高層建筑玻璃幕墻的玻璃是否安全，最重要的是不破壞和碎片不散落。不論何種形態的玻璃碎片，從高層建筑上散落而下，都是危險的，甚至是致命的。 此外，鋼化玻璃自爆破壞是無先兆的，目前尚無有效的完全防止方法，是玻璃的癌癥。玻璃自爆破碎和高空散落，便成為高層建筑玻璃幕墻使用鋼化玻璃并不安全的基本技術依據。因此，在一定高度下使用鋼化玻璃被認為是安全的，而超過一定高度使用它則應認為是不安全的。對安全玻璃的傳統概念，脫離使用條件，僅僅只從其碎片形態來定義，可能是不全面的。

5 結語

鋼化玻璃自爆的根本原因是因為玻璃中含有硫化鎳雜質，硫化鎳可以使玻璃自暴現象在生產完成后任何時候發生，故現在還不能完全杜絕鋼化玻璃自爆，所以行業內將鋼化玻璃自爆稱為“玻璃癌癥”，以目前的技術及工藝水平，還不可能完全杜絕鋼化玻璃自爆的發生，科學有效地對鋼化玻璃進行均質處理可有效降低鋼化玻璃的自爆率，在日常生產中控制鋼化應力及鋼化均勻度也能有效地減少自爆發生。

鋼化玻璃破壞形態為鈍角小顆粒，所以其自爆破碎后也不會對人員產生直接傷害；雖然鋼化玻璃不具備防破碎散落性，但對于應用于屏蔽門的鋼化玻璃，玻璃離地面的最高距離一般為2150mm左右，且鋼化玻璃自爆破壞形態為鈍角小顆粒，所以，即使由于自爆破碎散落也不會對人產生傷害。

根據目前國內外鋼化玻璃使用經驗，玻璃幕墻設計選用鋼化玻璃是安全可控、可行的。但原則上要對鋼化玻璃進行均質處理，以低鋼化玻璃的自爆率，在日常生產中控制鋼化應力及鋼化均勻度也能有效地減少自爆發生。

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[4]趙西安.幕墻可以采用半鋼化玻璃.門窗，2008.

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