建筑幕墙工程钢化玻璃自爆机理探析

刘升华

钢化玻璃以其优良的综合性能正越来越多地应用在建筑工程、交通工具、生活起居等不同的领域，也为我们的生活和工作带来了许多的便利，但钢化玻璃在使用过程中出现的自爆现象等缺陷也引起了人们的担心和管理者的关注。

针对建筑幕墙工程钢化玻璃自爆等问题，中国建筑装饰协会幕墙工程委员会受建设部委托，曾对北京、上海、天津、重庆、西安、武汉、深圳、哈尔滨、厦门、温州10个城市进行了既有幕墙安全状况调查，调查样本的选取是在10个城市自检自查基础上，由城市建设行政主管部门推荐提供的120项既有建筑幕墙项目，调查中发现了9项有重要隐患的幕墙工程，占调查项目总数的9.38%。如果去掉钢化玻璃自爆破裂，比例下降到2.3%。幕墙门窗采用钢化玻璃致使玻璃幕墙和门窗的玻璃破裂事故居高不下，改变这种状况已迫在眉捷。

1 钢化玻璃

钢化玻璃是利用加热到一定温度后迅速冷却的方法进行特殊处理的玻璃。一般是在原来普通的浮法玻璃基础上，经过将玻璃加热到软化点温度再经过淬火处理，使玻璃内部中心部位具有张应力而使玻璃表面部位具有压应力并达到均匀应力平衡的玻璃产品。钢化玻璃的品种包括化学钢化（也称离子钢化）和物理钢化两种。

化学钢化玻璃的特点是由于采用颗粒较大的离子如钾离子置换玻璃表面的钠离子，在约400度的温度下经过一定的工艺制作完成；化学钢化玻璃可以切割、热弯等，但经过高温加工后的玻璃强度会受影响；化学钢化玻璃的初始强度可以达到原片的6-7倍，但是随着使用时间加长，性能会衰减；由于离子置换的特殊性，多数使用在超薄的玻璃上。

物理钢化玻璃的特点是强度高，一般强度可以达到普通平板玻璃的4倍左右；安全—钢化玻璃破碎后立即分裂成没有尖角产生的小颗粒，缺点是存在自暴的可能。

物理钢化玻璃也同样存在着两个品种即全钢化玻璃及热增强玻璃之分，热增强玻璃不存在自暴现象，但是强度仅仅是普通玻璃的两倍左右，多数应用在高层建筑，提高抗风压性能。热增强玻璃不属于安全玻璃。

2 幕墙工程钢化玻璃自爆

广义上，钢化玻璃自爆一般定义为钢化玻璃在无直接外力作用下发生自动炸裂的现象：一是指由玻璃中可见缺陷引起的自爆；二是指由玻璃中硫化镍（NIS）杂质和异质相颗粒引起钢化玻璃自爆。只有后者才会引起严重的质量问题及社会关注，所以一般提到的自爆均指后一种情况。

钢化玻璃自爆不可控，事前无任何征兆，称为“玻璃的癌症”。

2.1钢化玻璃自爆分类

钢化玻璃自爆一般定义为钢化玻璃在无直接外力作用下发生自动炸裂的现象，从钢化玻璃诞生开始，就伴随着自爆问题。在钢化加工、贮存、运输、安装、使用等过程中均可发生钢化玻璃自爆。自爆按起因不同可分为两种：

一是由玻璃中可见缺陷引起的自爆，例如结石、砂粒、气泡、夹杂物、缺口、划伤、爆边等；

二是由玻璃中硫化镍（NIS）杂质和异质相颗粒引起钢化玻璃自爆。BALLANTYNE于1961年首次提出钢化玻璃自爆的硫化镍机制。BORDEAUX和KASPER r通过对250例自爆的研究，发现引起自爆的硫化镍直径在0.04～0.65mm之间，平均粒径为0.2mm。

这是两种不同类型的自爆，应区别对待，采用不同方法来应对和处理。前者一般目视可见，检测相对容易，故生产中可控。后者则主要由玻璃中微小的硫化镍颗粒体积膨胀引发，无法目测检验，故不可控。在实际运作和处理上，前者一般可以在安装前剔除，后者因无法检验而继续存在，成为使用中的钢化玻璃自爆的主要因素。

2.2钢化玻璃自爆的外部特征

玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑（玻璃碎片呈放射状分布，放射中心有二块形似蝴蝶翅膀的玻璃块，俗称“蝴蝶斑”） 。判断钢化玻璃是否自暴，首先看起爆点（钢化玻璃裂纹呈放射状，均有起始点）是否在玻璃中间，如在玻璃边缘，一般是因为玻璃未经过倒角磨边处理或玻璃边缘有损伤，造成应力集中，裂纹逐渐发展造成的；如起爆点在玻璃中部，看起爆点是否有两小块多边形组成的类似两片蝴蝶翅膀似的图案（蝴蝶斑），如仔细观察两小块多边形公用边（蝴蝶的躯干部分）应有肉眼可见的黑色小颗粒（硫化镍结石），则可判断是自爆（见图1），否则就应是外力破坏。

图1 钢化玻璃自爆

2.3钢化玻璃自爆形成机理

根据目前的研究成果，钢化玻璃不可控自爆的原因在于硫化镍（NiS）及异质相颗粒的存在。

玻璃中的裂纹萌发和扩展主要是由于在颗粒附近处产生的残余应力所导致的。这类应力可分为两类：一类是相变膨胀过程中的相变应力；另一类是由热膨胀系数不匹配产生的残余应力。

2.3.1 硫化镍（NiS）引起钢化玻璃自爆

玻璃内部包含硫化镍杂质，以小水晶状态存在，在一般情况下，不会造成玻璃破损，但是由于钢化玻璃重新加热，改变了硫化镍杂质的相态，硫化镍的高温α态在玻璃急冷时被冻结，他们在恢复到β态可能需要几年的时间，由于低温β态的硫化镍杂质将产生体积增大，在玻璃内部产生局部的应力集中，这时钢化玻璃自爆将发生。然而，仅仅比较大的杂质将引起自爆，而且仅仅当杂质在拉应力的核心部位时才能发生钢化玻璃自爆。NiS是一种晶体，存在二种晶相：高温相α－NiS和低温相β－NiS，相变温度为379℃，玻璃在钢化炉内加热时，因加热温度远高于相变温度，NiS全部转变为α相。然而在随后的淬冷过程中，α－NiS来不及转变为β－NiS，从而被冻结在钢化玻璃中。在室温环境下，α－NiS是不稳定的，有逐渐转变为β－NiS的趋势。这种转变伴随着约2～4%的体积膨胀，使玻璃承受巨大的相变张应力，从而导致自爆。从自爆后玻璃碎片中提取的nis结石的扫描电镜照片中可看到，其表面起伏不平、非常粗糙（见图2)。

2.3.2 异质相颗粒引起钢化玻璃自爆

钢化玻璃不可控自爆的来源不仅是传统认识中的NiS微粒，还有许多其它异质相颗粒。可以从破裂源处玻璃碎片的横截面照片中看到，一个球形微小颗粒引起的首次开裂痕迹与二次碎裂的边界区。

2.4钢化玻璃自爆率

国内的钢化玻璃自爆率各生产厂家并不一致，从3%～0.3%不等。一般自爆率是按片数为单位计算的，没有考虑单片玻璃的面积大小和玻璃厚度，所以不够准确，也无法进行更科学的相互比较。为统一测算自爆率，必须确定统一的假设。假定出统一的条件：每5～8吨玻璃含有一个足以引发自爆的硫化镍；每片钢化玻璃的面积平均为1.8m2；硫化镍均匀分布。则计算出6mm钢化玻璃的自爆率约为3‰～5‰，这与国内高水平加工企业的实际值基本吻合。

即使完全按标准生产，也不能彻底避免钢化玻璃自爆。大型建筑物轻易就会用上几百吨玻璃，这意味着玻璃中硫化镍和异质相杂质存在的几率很大，所以钢化玻璃虽经热浸处理，自爆依然不可避免。

3 解决幕墙工程钢化玻璃自爆的对策

钢化玻璃自爆是当前玻璃幕墙安全迫切需要解决的重要问题，在建筑幕墙设计及施工过程中可采取多种措施预防钢化玻璃自爆及防止因外力引起玻璃自爆，主要包括：

3.1控制钢化应力

图2 典型的NiS引起的自爆碎片

钢化应力越大，硫化镍结石的临界半径就越小，能引起自爆的结石就越多。显然，钢化应力应控制在适当的范围内，这样既可保证钢化碎片颗粒度满足有关标准，也能避免高应力引起的不必要自爆风险。平面应力(钢化均匀度)应越小越好，这样不仅减小自爆风险，而且能提高钢化玻璃的平整度。

3.2对钢化玻璃进行热均质处理，降低自爆率

均质处理是公认的解决玻璃自爆问题的有效方法。将钢化玻璃再次加热到290度左右并保温一定时间，使硫化镍在玻璃出厂前完成晶相转变，让今后可能自爆的玻璃在工厂内提前破碎。这种钢化后再次热处理的方法，国外称作“HeatSoakTest”，简称 H ST。我国通常将其译成“均质处理”，也俗称 “引爆处理”。

3.3在结构设计过程中增加必要的保护措施

根据钢化安全玻璃的特点，为了避免其在使用过程发生自爆，在框架结构设计中，玻璃周边采用装饰框进行保护，框架与玻璃周边留有间隙并用密封胶填缝，使玻璃不直接与金属框接触，同时，尽量在设计上确保玻璃粘结厚度不小于6mm，可防止在使用过程中，在受到挤压时自爆。

3.4合理设计

选择合理的分隔设置，避免单块玻璃尺寸超大、结构超厚。

3.5在高层建筑玻璃幕墙上使用钢化玻璃时，可考虑增贴一层防飞散膜

防止钢化玻璃破碎后的碎片从高空散落伤人，以确保安全。

3.6进一步研究采用新技术、新材料、新工艺，降低屏蔽门玻璃自爆概率的可行性

例如可考虑采用半钢化玻璃作为建筑幕墙的面板材料。

3.7在人群密集场所使用钢化玻璃时设置防撞标识

避免人们意外碰撞玻璃，引起自爆。

4 高层建筑玻璃幕墙使用全钢化玻璃问题值得探讨

钢化玻璃自爆是当前玻璃幕墙安全迫切需要解决的重要问题。但是对于安全玻璃，传统的概念是钢化玻璃属于安全玻璃。其根据除了强度较高外，主要是由于钢化玻璃破碎时会整块玻璃全部破碎成蜂窝状钝角小颗粒，不易伤人。

实际上，钢化玻璃具备较高强度和其破坏形态为钝角小颗粒这两个安全因素，但不具备防破碎散落性这一对高层建筑玻璃幕墙而言关键性的安全因素，因而带来的不安全后果是钢化玻璃破碎后的大群呈钝角的碎片，从高空散落而下，即使颗粒较小，但速度已很大，同样能伤人。所以，对高层建筑玻璃幕墙的玻璃是否安全，最重要的是不破坏和碎片不散落。不论何种形态的玻璃碎片，从高层建筑上散落而下，都是危险的，甚至是致命的。 此外，钢化玻璃自爆破坏是无先兆的，目前尚无有效的完全防止方法，是玻璃的癌症。玻璃自爆破碎和高空散落，便成为高层建筑玻璃幕墙使用钢化玻璃并不安全的基本技术依据。因此，在一定高度下使用钢化玻璃被认为是安全的，而超过一定高度使用它则应认为是不安全的。对安全玻璃的传统概念，脱离使用条件，仅仅只从其碎片形态来定义，可能是不全面的。

5 结语

钢化玻璃自爆的根本原因是因为玻璃中含有硫化镍杂质，硫化镍可以使玻璃自暴现象在生产完成后任何时候发生，故现在还不能完全杜绝钢化玻璃自爆，所以行业内将钢化玻璃自爆称为“玻璃癌症”，以目前的技术及工艺水平，还不可能完全杜绝钢化玻璃自爆的发生，科学有效地对钢化玻璃进行均质处理可有效降低钢化玻璃的自爆率，在日常生产中控制钢化应力及钢化均匀度也能有效地减少自爆发生。

钢化玻璃破坏形态为钝角小颗粒，所以其自爆破碎后也不会对人员产生直接伤害；虽然钢化玻璃不具备防破碎散落性，但对于应用于屏蔽门的钢化玻璃，玻璃离地面的最高距离一般为2150mm左右，且钢化玻璃自爆破坏形态为钝角小颗粒，所以，即使由于自爆破碎散落也不会对人产生伤害。

根据目前国内外钢化玻璃使用经验，玻璃幕墙设计选用钢化玻璃是安全可控、可行的。但原则上要对钢化玻璃进行均质处理，以低钢化玻璃的自爆率，在日常生产中控制钢化应力及钢化均匀度也能有效地减少自爆发生。

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[4]赵西安.幕墙可以采用半钢化玻璃.门窗，2008.

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