建筑饰面玻璃破碎原因及应对措施

张启良

(蚌埠玻璃工业设计研究院,蚌埠 233018)

建筑饰面玻璃破碎原因及应对措施

张启良

(蚌埠玻璃工业设计研究院,蚌埠 233018)

现代建筑物饰面越来越多地采用玻璃作为幕墙材料,各种玻璃在上墙后破碎现象时有发生,给现代城市带来了一定的安全隐患。该文概述了建筑饰面玻璃破碎的原因及影响因素,并针对几种常见建筑用玻璃的破碎原因提出了相应的处理对策。

玻璃; 破碎; 原因; 影响

随着现代科学技术和玻璃技术的发展及人民生活水平的提高,作为现代建筑的重要组成部分,玻璃得到了越来越多的应用。它具有自重轻、可光控、保温隔热隔声性能好、外表美观、安装方便等传统建筑材料所不具有的优点,除在传统的玻璃窗、玻璃门、浴室、隔断等室内应用外,建筑外饰面也越来越多采用玻璃作为原材料。但是不同类型的玻璃作为建筑材料,因为其自身特有或共有的性质,在为现代城市提供了优美的观感、良好的性能和舒适的室内环境的同时,也容易因各种原因导致破碎。澳大利亚的研究人员对8栋建筑物进行了长达12年的跟踪研究,在统计的17 760块饰面玻璃中,共发生306例自爆,自爆率为1.72%[1]。建筑饰面玻璃碎裂给现代城市生活带来了很大的安全隐患,而且出现这样的问题,饰面玻璃安装施工单位和玻璃制造厂家的责任也难以分清,给建设方、施工方、生产方都带来了极大的不便。该文概述了建筑饰面玻璃破碎的原因及影响因素,并针对几种常见建筑用玻璃的破碎原因提出了相应的处理对策。

1 建筑饰面玻璃常见类型及性质

1.1 普通平板玻璃

普通平板玻璃是平板玻璃中生产量最大,使用最多的一种,也是深加工成各种技术玻璃的基础材料。普通平板玻璃也称单元玻璃、净片玻璃,属于钠玻璃类,主要用于装配建筑物门窗,起透光、挡风雨、保温隔热、隔音等作用,具有一定的机械强度、品性脆、紫外线通过率低。普通平板玻璃大部分直接用于房屋建筑和维修,一部分加工成钢化、夹层、镀膜、中空等玻璃,小量用作工艺玻璃。一般建筑外饰面采光用玻璃多为3 mm厚的普通平板玻璃;用作采光屋面、建筑物外窗等,多采用厚度为8 mm和12 mm以上的厚玻璃。普通平板玻璃最大的弱点是质脆、易碎,破碎后具有尖锐的棱角,容易伤人。平板玻璃多因外力而发生破碎,如温差、机械力。

1.2 钢化玻璃

钢化玻璃属安全玻璃,是为提高玻璃的强度,而使用化学或物理的方法,使玻璃表面和内部分别形成压应力和张应力,从而获得高强度、高韧性的玻璃。玻璃承受外力时首先抵消表层应力,从而提高了承载能力,增强玻璃自身抗风压性、寒暑性、冲击性等。钢化玻璃与平板玻璃相比有许多优点,如韧性好、强度高、抗热冲击性能优越及安全破裂。所谓安全破裂是指钢化玻璃碎片钝化了,即钢化玻璃碎片没有明显的锐角,当人体撞击玻璃并发生玻璃破碎时,给人体的切割伤或刺穿伤降低[2]。钢化玻璃被广泛地应用于玻璃幕墙和门窗等工程中,但是钢化玻璃也有自身固有的缺点,如因内部杂质(主要是NiS、硅晶粒、沙粒)自爆。

2 建筑饰面玻璃破碎因素

玻璃碎裂的因素是多种多样的,究其本质都是受到力的作用,比如机械外力、自身重力、正常使用荷载、风荷载、热力等,而影响玻璃受力的因素又可以细分为密度、强度、形状、是否深加工等。

玻璃受外界影响的主要因素,见图1。

2.1 受机械外力作用

由于玻璃是脆性材料,在发生外力解除的情况下会发生弯曲,一旦弯曲强度超过其本身极限,就会发生破碎。机械破碎所受的外力是多种多样的,一般除与自身质量有关外,还与其几何形状有关,其破碎也没有明显特征。

玻璃在机械力作用下弯曲应力示意图,见图2。

2.2 受到荷载影响

建筑饰面玻璃安装在建筑物外表面,安装完成后不可避免会受到外界荷载的影响,引发自身的弯曲,常见的有正常使用荷载与风荷载。使用荷载主要由于受玻璃运输、自重、装配等因素影响,本体质量对于荷载的分担很重要,如普通平板玻璃和钢化玻璃荷载极限不同,破碎率也不相同;安装时施工工艺的水平也影响着玻璃的破碎率。若对玻璃进行半钢化、钢化,其荷载极限强度就能明显提高,能经受弯曲、冲击等荷载变化。当玻璃用于外墙时,会受到风力影响,作用在玻璃表面产生弯曲,引发破裂,各地区风力强度和频度不同,决定了要因地区、楼层高度的不同而选择不同规格与型号的玻璃。

2.3 热应力

玻璃热应力破碎又称为“自爆”,是由于玻璃自身受热导致应力不均匀所致,安装完后的建筑饰面玻璃受阳光直射,光能转化为热能致使其自身温度升高,形成内部热应力,四周热膨胀,从而对玻璃边缘产生张应力,这样就会造成玻璃的破碎。此外,玻璃自身若质量存在瑕疵,比如玻璃体中含有气泡、硫化镍、沙粒、缺口、结石之类的缺陷,更易在热力作用下发生“自爆”。热应力破碎较之机械因素破碎较难识别,一般可以观察玻璃破裂边缘,若破裂线多为弧线形,或为曲折单线或复线且与边缘一般成直角,裂口整齐且数量少,很大可能是热应力破碎,否则可能是弯曲应力破裂,或者是玻璃边缘缺陷所致[3]。

3 常见建筑饰面玻璃安装后的自爆原因及防治

现代建筑饰面玻璃多采用钢化玻璃作为材料,经过设计组装做成各种幕墙材料,在安装后产生破碎的原因因制作、安装方法不同而存在差异。

3.1 铝合金框幕墙玻璃

在建筑墙体外饰面玻璃最常采用铝合金框幕墙玻璃,设计、制造简单,安装便易,用料较多,结构统一为玻璃直接通过机械方法镶嵌在铝合金结构框架上。这种结构幕墙的自重和荷载通过镶嵌点由玻璃直接传递至铝材框体上,对于铝合金框幕墙玻璃其破碎有以下原因:

1)自身质量不良(平整度差,厚薄不均,玻璃内有杂质),受阳光照射产生热力影响,导致热效应不均匀发生破碎。

2)人工裁切时产生瑕疵,边缘不平直光滑或有崩边、牙边、崩角等缺陷,在这种伤残状态下,易产生破碎点,发生破碎。

3)安装时施工工艺存在问题,导致与玻璃直接接触的铝框扭拧不平,几何精度无法保证而导致饰面玻璃安装后就存在弯曲变形,长期处于受力状态,较易发生破碎。

铝合金框幕墙玻璃产生应力的原因较简单,防治起来主要注意以下几点:

1)减少玻璃与边框材料硬对硬的接触,边框四周增加弹性垫块,当玻璃热胀冷缩时,能自由伸缩,减少破碎几率。

2)镶嵌玻璃的铝框采用质量好、精度高的原材料,尽量消除安装后产生的弯曲,使玻璃上墙后不处于时时受到应力的状态。

3)玻璃厚度的选择要综合考虑地区风力、光照、使用荷载等因素影响,选取合适厚度及面积的玻璃进行安装。

铝材的长度变化公式计算如下

式中,ΔI为长度变化;at为膨胀系数;I为铝材长度;ΔT为温度差。

由公式看出,铝材愈长,冬夏季温差愈大,则铝材长度变化也愈大,因此温差越大的地区越应采用长度短的铝材,保证伸缩缝可以因温度变化而自由变化,从而保证铝合金玻璃幕墙框架牢固度及框架的完整性。如玻璃面积大,厚度小,则抗弯曲、抗热应力能力小,极易破碎。幕墙玻璃厚度选择要进行计算,低层、高层同一面积的玻璃受力就差别较大[4]。

3.2 隐框幕墙玻璃

隐框幕墙玻璃是一种综合性技术新产品,该种玻璃较之铝合金框幕墙玻璃少了用以夹持玻璃并承重的铝合金外框,取而代之以硅酮密封胶把多块镀膜玻璃直接粘合至铝型材框架上。这样可以很好地隐蔽玻璃外墙饰面节点,更添美观作用。同时,比起普通铝合金幕墙玻璃结构,隐框幕墙玻璃之间间隙用幕墙硅酮密封胶密封,周边无铝框镶嵌,玻璃产生的热胀冷缩变形应力均由密封胶吸收,产生的温差热应力较小,不存在较大的镶嵌玻璃边内和边外温差;而且玻璃面受到的水平风压力和自重也能更均匀地传给内部金属框架和主结构件,使荷载更为均衡,破碎率要降低很多。

但半隐框玻璃幕墙仍有一个对应边嵌在铝框内,仍应考虑嵌铝框内外玻璃的热应力,以防破碎。对于隐框玻璃幕墙,其破碎的因素及预防措施如下:

1)镀膜玻璃的边缘质量非常重要,是影响玻璃破裂的重要因素。因玻璃是脆性材料,边缘允许张应力的大小与边缘缺陷非常密切,像崩角,崩角和参差不齐、牙边等,都会导致应力集中,严重降低允许张应力。边缘有缺陷点,其正常的弯曲应力、热应力等都可能造成自爆破裂。对大面积隐框幕墙的镀膜玻璃,最好采用裁剪机切割,手工切割时,要严格检查玻璃切割边缘质量或打磨边缘。

2)依然需要考虑吸收太阳辐射热应力影响。镀膜玻璃对太阳辐射能的吸收产生的热应力均远大于一般透明玻璃,所以对玻璃的原片质量要求较严。原片的厚薄度、平整度较差,表面有疤痕,都易形成内应力不均而自行破裂。

3)玻璃的热应力自爆,可对镀膜玻璃采取钢化后均化处理,处理后可以明显减少热应力自爆的机率,但会增加玻璃生产制造成本。

4)玻璃厚度选择很重要,因玻璃使用高低不同、地区不同,应有所调整,应以计算为准,一些镀膜玻璃生产厂家会给出一个关系比作为参考。

3.3 中空破璃

中空玻璃用两片或多片玻璃与周边用铝合金间隔分开一定距离,并用二次密封胶密封,使之形成两玻璃间有干燥气体的玻璃。其结构本质决定了该种玻璃具有优良的隔热保温隔音性能,有时可能优于混凝土墙,但强度很低。此外,中空玻璃在应用于建筑饰面尤其是作为盈眶幕墙玻璃时,密封胶易被紫外线直接照射老化[5],产生变位,其变位能力一般为5%左右,但也会对中空玻璃的间距产生较大影响,随时间变化其承受荷载及应力能力发生退化。

中空玻璃的自爆与中空玻璃选材、制作、安装均有明显的关系,使用时应注意。为防止中空玻璃的破碎,一般应从以下角度着重考虑:

1)做中空玻璃的单片玻璃质量要好,要求玻璃平整、厚薄均匀,玻璃不准有疤痕和杂质,否则在制成中空玻璃后,玻璃受弯应力热应力影响,易在上述玻璃缺陷处产生自爆。做中空玻璃的透明玻璃一定要用浮法玻璃,不能用廉价的平板玻璃。

2)对中空玻璃的两片玻璃要考虑其吸热性能,一般采用一片透明玻璃和一片镀膜玻璃,或用带颜色的透明玻璃。选用何种颜色和厚度的两片玻璃,均对中空玻璃的破裂有明显的影响。

由于各种玻璃的可见光透过率、反射率、吸收率不同,制成的中空玻璃效果也不一样。不同类型和厚度的两片玻璃制成的中空玻璃,其可见光反射率和可见光透射率也大相径庭,如果吸收率过大,会造成中空夹层高温,这对中空玻璃的破裂影响极大,所以选用中空玻璃的两片玻璃时,不仅要考虑颜色美观,玻璃厚度安全,也要考虑镀膜玻璃吸热性能,这也和全国不同地区气候温差条件有关。在炎热地区,晴天13时左右中空玻璃表面最高温度可达80℃左右,甚至更高。中空玻璃夹层温度也较高,如因风雨等原因温度急剧下降,极易造成中空玻璃的破碎。中空玻璃厚度公差没有硬性规定,一些中空玻璃生产厂家会给出数据作参考。

4 结 语

总之,各种饰面玻璃安装后的破碎问题,因其性能、地区差异和安装方法不同,原因迥异。因此,要根据实际情况,认真分析,找出原因,在安装和使用过程中避免大面积破碎现象发生;普通平板玻璃注意运输时的机械安全和安装时荷载设计,避免弯曲应力过大;钢化玻璃作为幕墙材料,要严格控制玻璃体中的杂质、玻璃边角,根据成本控制可以采用均化处理后的钢化玻璃;铝合金框架幕墙玻璃作为饰面玻璃发生破裂,多要从制造、加工、安装等方面找原因;中空玻璃作为饰面材料安装后自爆,要从生产中空玻璃和安装环节上找原因。

[1] 石新勇.安全玻璃[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2] 刘忠伟,邱 科.钢化玻璃自爆原因分析与解决办法[J].建筑玻璃与工业玻璃,2013,36(4):6-9.

[3] 彭国容,熊渝兴.建筑用钢化玻璃自爆机理及预防措施研究[J].重庆建筑,2010,29(8):19-27.

[4] 吴晓伟.试论高层建筑中玻璃幕墙施工质量控制[J].福建建材,2014,36(9):13-14.

[5] 包东望,万德田,刘立忠,等.石新勇钢化玻璃自爆源和自爆机理分析[J].建筑玻璃与工业玻璃,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.

张启良(1986-),助理工程师.E-mail:aynamirei@hotmail.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.014