幕墻及門窗應采用防飛散玻璃——龍文志

一、前 言
　　中國建筑裝飾協會幕墻工程委員會受建設部委托，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，在本次調查中，幕墻玻璃破損４３７塊。全玻幕墻此次調查有１７項，其中１０項發現大玻璃碎裂，共計６８塊，玻璃肋斷裂３塊，還發現很多玻璃幕墻無肋玻璃。中空玻璃漏氣１８０塊，鍍膜玻璃脫膜現象個別城市也比較多。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。本文根據國內、外幕墻和門窗的玻璃破裂事故的分析，建議幕墻及門窗應采用防飛散玻璃。

二、鋼化玻璃自爆及其分類
　　1、鋼化玻璃自爆分類
　　從鋼化玻璃誕生開始，就伴隨著自爆問題。鋼化玻璃自爆可以表述為鋼化玻璃在無外部直接作用的情況下而自動發生破碎的現象。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０．０４～０．６５ ｍｍ之間，平均粒徑為０．２ｍｍ。新發現異質相顆粒引起鋼化玻璃自爆。

　　這是兩種不同類型的自爆，應明確分類，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、不可控鋼化玻璃自爆的特點
　　鋼化玻璃原因不清自爆的問題，責任難明。自爆時間沒有確定性，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間可能是產品生產完成后的４～５年。據不完全了解，大部份廠家產品的概率是３‰左右的自爆率；個別廠家產品的概率可能還要高。鋼化玻璃自爆的根本原因是因為玻璃中含有硫化鎳及異質相顆粒雜質，雜質是如何混入的現還未根本查清，玻璃中是如何混入鎳的，最大可能的來源是設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。對于燒油的熔窯，曾報道在小爐中發現富鎳的凝結物。硫毫無疑問來源于配合料中及燃料中的含硫成份。當溫度超過１０００℃時，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個直徑為０．１５ｍｍ的小結石。硫化鎳可以在生產完成后任何時候發生，故現在還不能完全杜絕，至今無有效地防止辦法稱為“玻璃幕墻的癌癥”。

　　“玻璃幕墻的癌癥”。著名建筑師福斯特最早稱：硫化鎳雜質引起的鋼化玻璃自爆為“玻璃幕墻的癌癥”，斯特事務所設計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部玻璃。大倫敦市議會發言人說，根據初步調查，問題出在玻璃含有鎳硫化物上，也就是說，在建造過程中玻璃被鎳元素污染，鎳和玻璃中的硫化物進行化學反應，造成破裂。硫化鎳類自爆后更換難度大，處理費用高，同時會伴隨較大的質量投訴及經濟損失，造成業主的不滿甚至更為嚴重的其他后果。稱之為“玻璃幕墻的癌癥”。

三、鋼化玻璃自爆率及自爆原因

　　1、自爆率
　　國內的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。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１．８㎡；硫化鎳均勻分布。則計算出６ｍｍ厚的鋼化玻璃計算自爆率為０．３４％～０．５４％，即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。

　　2、鋼化玻璃不可控自爆的原因－硫化鎳（ＮｉＳ）及異質相顆粒
　　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。

　　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。

　　硫化鎳（ＮｉＳ）及異質相顆粒。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。典型的ＮｉＳ引起的自爆碎片見圖１。圖２是從自爆后玻璃碎片中提取的ＮｉＳ 結石的掃描電鏡照片，其表面起伏不平、非常粗糙。

　　異質相顆粒引起鋼化玻璃自爆。破裂源處玻璃碎片的橫截面照片，顯示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
　　3、如何鑒別鋼化玻璃的自爆
　　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），如有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），則可判斷是自爆的；否則就應是外力破壞的。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結石位于二塊“蝴蝶斑”的界面上。

　　4、鋼化玻璃自爆機理理論探討
　　徑向應力 ｒ≥ａ
　　切向應力 ｒ≥ａ
　　顆粒與玻璃之間界面的應力
　　對于異質顆粒在玻璃基體中，降溫過程溫差是負的，所以顆粒周邊的徑向應力是壓力，切向應力是拉力。

　　玻璃中間層球形單質硅顆粒的掃描電鏡圖像和邊緣擠壓形貌，顆粒周邊的徑向應力是壓力，切向應力是拉力，所以切向應力是裂紋啟始的根源。

四、玻璃幕墻使用全鋼化玻璃問題值得探討

　　1、鋼化玻璃自爆是當前玻璃幕墻安全迫切需要觧決重要的問題。但是對于安全玻璃的概念，傳統的概念是，（全）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（全）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。通過這次調查和眾多事故實踐，對于這一概念提出了質疑，關于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃問題，有討論的必要。 對于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃，其安全的主要擔心是玻璃破碎墜落傷人。這里應該包含三部分要求：

　　一是玻璃具有足夠的強度，使其承受設計荷載不破壞。

　　二是玻璃萬一破裂要具有防碰碎散落性，使其處于破碎狀態時保證不會墜落飛散。

　　三是足夠斷裂韌度Ｋ１ｃ。

　　2、（全）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、因此而帶來的不安全后果，（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。其中的罪魁禍首便是自由落體重的重力速度。對高層建筑玻璃幕墻的玻璃不論何種形態的玻璃碎片，如高層建筑上散落而下，都是危險的甚至是致命的。此外，（全）鋼化玻璃自爆破壞無先兆，目前尚無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。安全是一個相對的概念，是有條件的；不是絕對的，無條件的。脫離使用條件，僅僅只從其碎片形態來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， 在很多國外玻璃幕墻技術標準和規范中都明確玻璃幕墻不宜使用單片鋼化玻璃，應采用防飛散玻璃，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。

　　3、推薦采用半鋼化玻璃。半鋼化玻璃生產采用與鋼化玻璃類似的工藝方法．只是冷卻速度較慢．因此其表面應力略小于鋼化玻璃。半鋼化玻璃在機械強度、抗風壓性能、抗沖擊性能和抗熱震性方面明顯優子普通退火玻璃，較適合使用于玻璃幕墻中。半鋼化玻璃特性：強度為普通玻璃的２倍；可以有效地抵抗熱應力作用．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而不會墜落；不易發生鋼化玻璃的自爆現象；比鋼化玻璃具有更好的平整度。

五、結 論
　　1、國內玻璃幕墻造成危害主要來源是鋼化玻璃自爆。

　　2、鋼化玻璃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。

　　3、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切向拉應力。

　　4、鋼化玻璃自爆不可控，事前無任何征兆。稱為“玻璃幕墻的癌癥”。

　　5、幕墻及門窗應采用防飛散玻璃，推薦采用半鋼化玻璃。

參考文獻：

［１］周天輝 鋼化玻璃自爆及應力無損測定方法 建筑玻璃與工業玻璃
［２］包亦望　萬德田　劉立忠　韓　松石新勇《鋼化玻璃的自爆源和自爆機理分析及檢測技術》