建筑飾面玻璃破碎原因及應對措施

張啟良

(蚌埠玻璃工業設計研究院,蚌埠 233018)

建筑飾面玻璃破碎原因及應對措施

張啟良

(蚌埠玻璃工業設計研究院,蚌埠 233018)

現代建筑物飾面越來越多地采用玻璃作為幕墻材料,各種玻璃在上墻后破碎現象時有發生,給現代城市帶來了一定的安全隱患。該文概述了建筑飾面玻璃破碎的原因及影響因素,并針對幾種常見建筑用玻璃的破碎原因提出了相應的處理對策。

玻璃; 破碎; 原因; 影響

隨著現代科學技術和玻璃技術的發展及人民生活水平的提高,作為現代建筑的重要組成部分,玻璃得到了越來越多的應用。它具有自重輕、可光控、保溫隔熱隔聲性能好、外表美觀、安裝方便等傳統建筑材料所不具有的優點,除在傳統的玻璃窗、玻璃門、浴室、隔斷等室內應用外,建筑外飾面也越來越多采用玻璃作為原材料。但是不同類型的玻璃作為建筑材料,因為其自身特有或共有的性質,在為現代城市提供了優美的觀感、良好的性能和舒適的室內環境的同時,也容易因各種原因導致破碎。澳大利亞的研究人員對8棟建筑物進行了長達12年的跟蹤研究,在統計的17 760塊飾面玻璃中,共發生306例自爆,自爆率為1.72%[1]。建筑飾面玻璃碎裂給現代城市生活帶來了很大的安全隱患,而且出現這樣的問題,飾面玻璃安裝施工單位和玻璃制造廠家的責任也難以分清,給建設方、施工方、生產方都帶來了極大的不便。該文概述了建筑飾面玻璃破碎的原因及影響因素,并針對幾種常見建筑用玻璃的破碎原因提出了相應的處理對策。

1 建筑飾面玻璃常見類型及性質

1.1 普通平板玻璃

普通平板玻璃是平板玻璃中生產量最大,使用最多的一種,也是深加工成各種技術玻璃的基礎材料。普通平板玻璃也稱單元玻璃、凈片玻璃,屬于鈉玻璃類,主要用于裝配建筑物門窗,起透光、擋風雨、保溫隔熱、隔音等作用,具有一定的機械強度、品性脆、紫外線通過率低。普通平板玻璃大部分直接用于房屋建筑和維修,一部分加工成鋼化、夾層、鍍膜、中空等玻璃,小量用作工藝玻璃。一般建筑外飾面采光用玻璃多為3 mm厚的普通平板玻璃;用作采光屋面、建筑物外窗等,多采用厚度為8 mm和12 mm以上的厚玻璃。普通平板玻璃最大的弱點是質脆、易碎,破碎后具有尖銳的棱角,容易傷人。平板玻璃多因外力而發生破碎,如溫差、機械力。

1.2 鋼化玻璃

鋼化玻璃屬安全玻璃,是為提高玻璃的強度,而使用化學或物理的方法,使玻璃表面和內部分別形成壓應力和張應力,從而獲得高強度、高韌性的玻璃。玻璃承受外力時首先抵消表層應力,從而提高了承載能力,增強玻璃自身抗風壓性、寒暑性、沖擊性等。鋼化玻璃與平板玻璃相比有許多優點,如韌性好、強度高、抗熱沖擊性能優越及安全破裂。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生玻璃破碎時,給人體的切割傷或刺穿傷降低[2]。鋼化玻璃被廣泛地應用于玻璃幕墻和門窗等工程中,但是鋼化玻璃也有自身固有的缺點,如因內部雜質(主要是NiS、硅晶粒、沙粒)自爆。

2 建筑飾面玻璃破碎因素

玻璃碎裂的因素是多種多樣的,究其本質都是受到力的作用,比如機械外力、自身重力、正常使用荷載、風荷載、熱力等,而影響玻璃受力的因素又可以細分為密度、強度、形狀、是否深加工等。

玻璃受外界影響的主要因素,見圖1。

2.1 受機械外力作用

由于玻璃是脆性材料,在發生外力解除的情況下會發生彎曲,一旦彎曲強度超過其本身極限,就會發生破碎。機械破碎所受的外力是多種多樣的,一般除與自身質量有關外,還與其幾何形狀有關,其破碎也沒有明顯特征。

玻璃在機械力作用下彎曲應力示意圖,見圖2。

2.2 受到荷載影響

建筑飾面玻璃安裝在建筑物外表面,安裝完成后不可避免會受到外界荷載的影響,引發自身的彎曲,常見的有正常使用荷載與風荷載。使用荷載主要由于受玻璃運輸、自重、裝配等因素影響,本體質量對于荷載的分擔很重要,如普通平板玻璃和鋼化玻璃荷載極限不同,破碎率也不相同;安裝時施工工藝的水平也影響著玻璃的破碎率。若對玻璃進行半鋼化、鋼化,其荷載極限強度就能明顯提高,能經受彎曲、沖擊等荷載變化。當玻璃用于外墻時,會受到風力影響,作用在玻璃表面產生彎曲,引發破裂,各地區風力強度和頻度不同,決定了要因地區、樓層高度的不同而選擇不同規格與型號的玻璃。

2.3 熱應力

玻璃熱應力破碎又稱為“自爆”,是由于玻璃自身受熱導致應力不均勻所致,安裝完后的建筑飾面玻璃受陽光直射,光能轉化為熱能致使其自身溫度升高,形成內部熱應力,四周熱膨脹,從而對玻璃邊緣產生張應力,這樣就會造成玻璃的破碎。此外,玻璃自身若質量存在瑕疵,比如玻璃體中含有氣泡、硫化鎳、沙粒、缺口、結石之類的缺陷,更易在熱力作用下發生“自爆”。熱應力破碎較之機械因素破碎較難識別,一般可以觀察玻璃破裂邊緣,若破裂線多為弧線形,或為曲折單線或復線且與邊緣一般成直角,裂口整齊且數量少,很大可能是熱應力破碎,否則可能是彎曲應力破裂,或者是玻璃邊緣缺陷所致[3]。

3 常見建筑飾面玻璃安裝后的自爆原因及防治

現代建筑飾面玻璃多采用鋼化玻璃作為材料,經過設計組裝做成各種幕墻材料,在安裝后產生破碎的原因因制作、安裝方法不同而存在差異。

3.1 鋁合金框幕墻玻璃

在建筑墻體外飾面玻璃最常采用鋁合金框幕墻玻璃,設計、制造簡單,安裝便易,用料較多,結構統一為玻璃直接通過機械方法鑲嵌在鋁合金結構框架上。這種結構幕墻的自重和荷載通過鑲嵌點由玻璃直接傳遞至鋁材框體上,對于鋁合金框幕墻玻璃其破碎有以下原因:

1)自身質量不良(平整度差,厚薄不均,玻璃內有雜質),受陽光照射產生熱力影響,導致熱效應不均勻發生破碎。

2)人工裁切時產生瑕疵,邊緣不平直光滑或有崩邊、牙邊、崩角等缺陷,在這種傷殘狀態下,易產生破碎點,發生破碎。

3)安裝時施工工藝存在問題,導致與玻璃直接接觸的鋁框扭擰不平,幾何精度無法保證而導致飾面玻璃安裝后就存在彎曲變形,長期處于受力狀態,較易發生破碎。

鋁合金框幕墻玻璃產生應力的原因較簡單,防治起來主要注意以下幾點:

1)減少玻璃與邊框材料硬對硬的接觸,邊框四周增加彈性墊塊,當玻璃熱脹冷縮時,能自由伸縮,減少破碎幾率。

2)鑲嵌玻璃的鋁框采用質量好、精度高的原材料,盡量消除安裝后產生的彎曲,使玻璃上墻后不處于時時受到應力的狀態。

3)玻璃厚度的選擇要綜合考慮地區風力、光照、使用荷載等因素影響,選取合適厚度及面積的玻璃進行安裝。

鋁材的長度變化公式計算如下

式中,ΔI為長度變化;at為膨脹系數;I為鋁材長度;ΔT為溫度差。

由公式看出,鋁材愈長,冬夏季溫差愈大,則鋁材長度變化也愈大,因此溫差越大的地區越應采用長度短的鋁材,保證伸縮縫可以因溫度變化而自由變化,從而保證鋁合金玻璃幕墻框架牢固度及框架的完整性。如玻璃面積大,厚度小,則抗彎曲、抗熱應力能力小,極易破碎。幕墻玻璃厚度選擇要進行計算,低層、高層同一面積的玻璃受力就差別較大[4]。

3.2 隱框幕墻玻璃

隱框幕墻玻璃是一種綜合性技術新產品,該種玻璃較之鋁合金框幕墻玻璃少了用以夾持玻璃并承重的鋁合金外框,取而代之以硅酮密封膠把多塊鍍膜玻璃直接粘合至鋁型材框架上。這樣可以很好地隱蔽玻璃外墻飾面節點,更添美觀作用。同時,比起普通鋁合金幕墻玻璃結構,隱框幕墻玻璃之間間隙用幕墻硅酮密封膠密封,周邊無鋁框鑲嵌,玻璃產生的熱脹冷縮變形應力均由密封膠吸收,產生的溫差熱應力較小,不存在較大的鑲嵌玻璃邊內和邊外溫差;而且玻璃面受到的水平風壓力和自重也能更均勻地傳給內部金屬框架和主結構件,使荷載更為均衡,破碎率要降低很多。

但半隱框玻璃幕墻仍有一個對應邊嵌在鋁框內,仍應考慮嵌鋁框內外玻璃的熱應力,以防破碎。對于隱框玻璃幕墻,其破碎的因素及預防措施如下:

1)鍍膜玻璃的邊緣質量非常重要,是影響玻璃破裂的重要因素。因玻璃是脆性材料,邊緣允許張應力的大小與邊緣缺陷非常密切,像崩角,崩角和參差不齊、牙邊等,都會導致應力集中,嚴重降低允許張應力。邊緣有缺陷點,其正常的彎曲應力、熱應力等都可能造成自爆破裂。對大面積隱框幕墻的鍍膜玻璃,最好采用裁剪機切割,手工切割時,要嚴格檢查玻璃切割邊緣質量或打磨邊緣。

2)依然需要考慮吸收太陽輻射熱應力影響。鍍膜玻璃對太陽輻射能的吸收產生的熱應力均遠大于一般透明玻璃,所以對玻璃的原片質量要求較嚴。原片的厚薄度、平整度較差,表面有疤痕,都易形成內應力不均而自行破裂。

3)玻璃的熱應力自爆,可對鍍膜玻璃采取鋼化后均化處理,處理后可以明顯減少熱應力自爆的機率,但會增加玻璃生產制造成本。

4)玻璃厚度選擇很重要,因玻璃使用高低不同、地區不同,應有所調整,應以計算為準,一些鍍膜玻璃生產廠家會給出一個關系比作為參考。

3.3 中空破璃

中空玻璃用兩片或多片玻璃與周邊用鋁合金間隔分開一定距離,并用二次密封膠密封,使之形成兩玻璃間有干燥氣體的玻璃。其結構本質決定了該種玻璃具有優良的隔熱保溫隔音性能,有時可能優于混凝土墻,但強度很低。此外,中空玻璃在應用于建筑飾面尤其是作為盈眶幕墻玻璃時,密封膠易被紫外線直接照射老化[5],產生變位,其變位能力一般為5%左右,但也會對中空玻璃的間距產生較大影響,隨時間變化其承受荷載及應力能力發生退化。

中空玻璃的自爆與中空玻璃選材、制作、安裝均有明顯的關系,使用時應注意。為防止中空玻璃的破碎,一般應從以下角度著重考慮:

1)做中空玻璃的單片玻璃質量要好,要求玻璃平整、厚薄均勻,玻璃不準有疤痕和雜質,否則在制成中空玻璃后,玻璃受彎應力熱應力影響,易在上述玻璃缺陷處產生自爆。做中空玻璃的透明玻璃一定要用浮法玻璃,不能用廉價的平板玻璃。

2)對中空玻璃的兩片玻璃要考慮其吸熱性能,一般采用一片透明玻璃和一片鍍膜玻璃,或用帶顏色的透明玻璃。選用何種顏色和厚度的兩片玻璃,均對中空玻璃的破裂有明顯的影響。

由于各種玻璃的可見光透過率、反射率、吸收率不同,制成的中空玻璃效果也不一樣。不同類型和厚度的兩片玻璃制成的中空玻璃,其可見光反射率和可見光透射率也大相徑庭,如果吸收率過大,會造成中空夾層高溫,這對中空玻璃的破裂影響極大,所以選用中空玻璃的兩片玻璃時,不僅要考慮顏色美觀,玻璃厚度安全,也要考慮鍍膜玻璃吸熱性能,這也和全國不同地區氣候溫差條件有關。在炎熱地區,晴天13時左右中空玻璃表面最高溫度可達80℃左右,甚至更高。中空玻璃夾層溫度也較高,如因風雨等原因溫度急劇下降,極易造成中空玻璃的破碎。中空玻璃厚度公差沒有硬性規定,一些中空玻璃生產廠家會給出數據作參考。

4 結 語

總之,各種飾面玻璃安裝后的破碎問題,因其性能、地區差異和安裝方法不同,原因迥異。因此,要根據實際情況,認真分析,找出原因,在安裝和使用過程中避免大面積破碎現象發生;普通平板玻璃注意運輸時的機械安全和安裝時荷載設計,避免彎曲應力過大;鋼化玻璃作為幕墻材料,要嚴格控制玻璃體中的雜質、玻璃邊角,根據成本控制可以采用均化處理后的鋼化玻璃;鋁合金框架幕墻玻璃作為飾面玻璃發生破裂,多要從制造、加工、安裝等方面找原因;中空玻璃作為飾面材料安裝后自爆,要從生產中空玻璃和安裝環節上找原因。

[1] 石新勇.安全玻璃[M].北京:化學工業出版社,2006.

[2] 劉忠偉,邱 科.鋼化玻璃自爆原因分析與解決辦法[J].建筑玻璃與工業玻璃,2013,36(4):6-9.

[3] 彭國容,熊渝興.建筑用鋼化玻璃自爆機理及預防措施研究[J].重慶建筑,2010,29(8):19-27.

[4] 吳曉偉.試論高層建筑中玻璃幕墻施工質量控制[J].福建建材,2014,36(9):13-14.

[5] 包東望,萬德田,劉立忠,等.石新勇鋼化玻璃自爆源和自爆機理分析[J].建筑玻璃與工業玻璃,2007,30(2):29-30.

Architectural Veneer Glass Blew Reasons and Countermeasures

ZHANG Qi-liang
(Bengbu Design&Research Institute for Glass Industry,Bengbu 233018,China)

More and more modern buildings increasingly using glass as wall veneer materials,many kinds of glass broken has occurred after installed in wall,which brings some risks to the modern city lives.This article outlines the causes and influencing factors of the building veneer glass broken,and for the causes of several common architectural glass blew propose appropriate treatment measures.

glass; broken; cause;influence

2014-06-02.

張啟良(1986-),助理工程師.E-mail:aynamirei@hotmail.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.014