不同检测环境和条件下钢化玻璃表面应力检测分析

张海梁 李会兴 王蕾 刘耀文 尤海阳

（1. 东莞南玻工程玻璃有限公司 东莞 523141；2. 中国建筑玻璃与工业玻璃协会 北京 100037；3. 北京海阳顺达玻璃有限公司 北京 102699）

0 引言

玻璃作为建筑幕墙的主要材料之一，因其优良的采光、节能特点而不可替代。为了增加玻璃的强度和安全性能，通常采用物理风冷钢化处理。物理风冷钢化处理的玻璃按照碎片状态分为钢化玻璃和半钢化玻璃。在国家政策和地方法规的引导下，国内建筑幕墙普遍采用钢化玻璃或半钢化夹层玻璃及其复合产品。随着人们对人身和财产安全、产品和服务质量的注重，部分业主把钢化玻璃表面应力检测作为楼盘验收标准之一，偶有发生因出厂检测结果与安装后检测结果不同而引发纠纷。因此，有必要厘清钢化玻璃安装后检测结果与钢化生产时检测结果存在差异的原因，为厂商和业主解决争议提供参考数据。

1 检测仪器介绍

目前使用最广泛的钢化玻璃表面应力无损检测方法有两种，一是差量表面折射仪法，简称DSR法，常用的仪器是我国生产的SSM-II型表面应力仪；另一种是临界角表面偏光仪法，简称GASP法，常用的仪器是美国Strainoptic Technologies公司生产GASP应力仪。由于两者采用的工作原理存在差异，致使仪器的构造、视场图像和读数方式存在差异。

SSM-II应力仪［1］工作原理是利用浮法玻璃表面锡扩散层的光波导效应来测定因应力引起的玻璃折射率的变化。图1为SSM-II应力仪光路系统图。

图1 SSM-II应力仪光路系统图［1］

从光源（白炽灯） 发出的发散光经过狭缝，由高折射率柱面棱镜汇聚后变成平行光，通过调节光源位置，使一束平行光以临界角入射至玻璃与棱镜的交界面，由于玻璃表面存在应力，在应力双折射作用下，光线分解成为两个振动面相互垂直的矢 量光，两束矢量光在浮法玻璃的锡扩散层中传播速度不同，因此以不同的全反射角折射到棱镜。从棱镜射出的光经反光镜反射进入干涉滤光片，由望远物镜系统聚焦，再经过分析镜后在分划板成像而形成如图2所示的一个清晰的明暗台阶图像。通过测微目镜，手动旋转旋钮，使内置的对位线对准台阶平面，分别测量上下两个台阶的读数，计算台阶高度差，并计算出表面应力值。

图2 SSM-II应力仪视场示意图［1］

GASP应力仪［2］的工作原理是利用应力双折射效应产生的干涉条纹，通过测定干涉条纹倾角来计算应力值。如图3所示，GASP应力仪光源散发出的激光束以临界角ic和45°偏振角入射到棱镜边缘导入玻璃表面的锡扩散层，在锡扩散层中以平行玻璃表面的方向运行一小段距离，应力双折射效应导致激光束发生干涉效应，再经过一个石英补偿片Wc和分析器A，在视镜中产生图4所示的可见且稳定的等距条纹，即干涉条纹。通过测微目镜，手动旋转表盘，使内置的双对位线平行于等距条纹，读取表盘旋转角度q，通过换算得到表面应力值。

图3 GASP应力仪光路系统图

图4 GASP应力仪视场示意图

GASP应力仪的对位线是平行的双线，以便于目视观察，微调幅度一般为±1°范围，即仪器测量误差在±（3～8）MPa以内，精度相对较高。而SSM-II应力仪的对位线是单线，且需要分两次调节对位线，微调幅度一般为±（0.03～0.05）mm，即仪器测量误差在±（9～15）MPa之间，是GASP仪器测量误差的2～3倍，因此GASP仪器的测量准确度相对更高。

2 影响因素分析

影响检测结果的因素一般从两个方面进行分析，一是检测仪器及检测条件是否有差异，二是有没有受到外部因素的干扰。通过对比工厂生产检测环境和安装后检测环境，逐条列举差异，并采用SSM-II和GASP两种应力仪进行实验验证，找出影响因素。

2.1 检测条件的影响

2.1.1 测量角度

根据应力仪的工作原理，只有垂直于光路的应力才能被测出，如果主应力平行于光透射方向，则会得出不存在应力的错误结论。因此，在实际生产过程中有时会发生检测不到应力的情况，换一个角度或测量点又能检测到应力。为验证不同的测量角度是否会影响到应力的检测结果，分别使用GASP和SSM-II两种仪器对多块钢化玻璃在同一位置点沿平行玻璃的短边和垂直玻璃的短边两个角度进行表面应力检测，检测数据见表1。

表1 同一位置点不同检测角度的应力检测记录 MPa

检测数据显示，平行于玻璃短边方向和垂直于玻璃短边方向的应力值相差最大为8.75 MPa，平均相差约为5.00 MPa。检测时还发现，沿钢化进炉方向测量时，应力仪位于钢化波形的波峰位置，有较好的贴合面，容易观察到应力仪的台阶或倾斜条纹；而当应力仪位于波谷位置时，如果波形较大则仪器与玻璃无法良好贴合，视区台阶或斜条纹较模糊，影响测量准确性。为避免由于检测角度不同导致测量结果产生差异，通常的做法是参照美标ASTM C1048的方法［3］，同一测量点分别沿相互垂直的两个角度测量，取其平均值作为该位置点的应力值，国内标准尚未见到有关要求。

2.1.2 玻璃温度

温度的变化会改变棱镜、折射油、玻璃的光学参数，从而导致检测数据失真。表2中实验数据为SSM-II应力仪检测不同温度下同一块玻璃的表面应力值数据。

表2 温度与应力测量值的对应关系

数据显示，当玻璃表面温度从常温升高到60℃时应力值降低7～11 MPa，当温度升高到90 ℃时应力值降低14～21 MPa，平均温度每升高1℃则应力值下降0.25 MPa。这说明钢化玻璃表面温度越高，应力检测值将越低。为此，国家标准GB/T 18144—2008 条款4.1.4明确规定：为了避免热应力的产生，试样内外温度应一致并与周围的环境温度相同［1］。在实际生产过程中，应避免在玻璃处于较高温度的情况下检测应力。

图5 不同温度对玻璃表面应力测量的影响

2.1.3 水平放置和竖直放置

由于玻璃钢化后存在弓形以及玻璃自身具有一定弹性，当玻璃竖直放置时会受到自身重力和底部支撑力作用，不能保证玻璃完全处于自然伸直状态，从而导致玻璃表面应力状态发生变化。且玻璃竖直测试时，不方便检测人员的测量作业，影响测量准确度。表3实验测量数据显示，国产SM-II应力仪水平测量和竖直测量结果最大差异为14 MPa，进口GASP应力仪水平测量和竖直测量结果最大差异为10.49 MPa。为避免竖直放置产生的影响，国家标准GB/T 18144—2008 条款4.1.6明确规定：将被检测试样的锡扩散层朝上水平平稳放置［1］，其目的是使玻璃处于自然状态，消除外界作用力的约束。

表3 钢化玻璃水平放置测量和竖直放置测量数据统计 MPa

2.1.4 不同仪器测量结果差异

从表1、表3可以看出，对于同一块钢化玻璃同一检测点，且在相同的检测条件下，GASP应力仪和SSM-II应力仪由于工作原理不同，导致测量的结果存在差异。在实际检测中，应考虑由于检测仪器的不同引起的测量误差，从而避免误判。

2.2 受外力作用的影响

当钢化玻璃受到外力作用时，会改变玻璃表面压应力状态。如图6所示，玻璃在受到外力荷载时，受压面的表面压应力增大，而拉伸面的表面压应力首先用于抵消荷载产生的弯曲张应力，此时表面压应力会降低，当荷载弯曲张应力大于表面压应力时，拉伸面就会出现张应力，当张应力达到玻璃能够承受的极限时，玻璃就会破裂。因此，在钢化玻璃受到外力作用的时候，检测到的表面应力值与自然状态下的表面应力值存在差异，是外在荷载力和玻璃表面压应力的矢量和。

图6 钢化玻璃受外力作用下的应力分布情况

外力来源主要包括复合产品的粘结力、玻璃安装方式、安装约束力和重心迁移导致的自重力、环境风压引起的挠度形变、气温变化导致的中空玻璃凹凸变形等，这些都会导致钢化玻璃表面应力测量值失真。

2.2.1 复合产品的粘结力

由于钢化玻璃的热加工特性，玻璃本身会产生一定程度的弯曲变形。在两片钢化玻璃加工成夹层玻璃或中空玻璃时，PVB/密封胶的厚度是无法填补钢化玻璃弯曲引起的空隙，这就需要PVB/密封胶通过自身的粘结力克服钢化玻璃的弯曲变形，使两片玻璃很好的吻合在一起，由此也会造成钢化玻璃表面应力值的改变。图7为钢化玻璃加工成夹层、中空复合产品后的三种典型情况。

图7 钢化玻璃加工成夹层、中空复合产品后的三种典型情况

如图7所示，（a）当两片玻璃同向弯曲时，夹层/中空后的钢化玻璃受力较小，表面应力值改变较小；（b）当钢化玻璃朝外凸，夹层/中空时中间间隙大，受到向内的拉力，表面应力值增大；（c）当钢化玻璃朝内凹，夹层/中空时中间间隙小，受到向外的挤压力，表面应力值减小。另外，实际生产过程中也存在平直的钢化玻璃夹层后出现弯曲，钢化玻璃的各个位置的弯曲变形方向和程度有所区别，表面应力值变化存在随机性，有的位置增大，有的位置减小，有的位置不变。测量夹层前后的玻璃表面应力值，如表4所示。从表4可以看出，当单片钢化玻璃弓形为1‰～2‰时，夹层后表面应力变化最大到达13.48 MPa。

表4 钢化玻璃夹层前后的应力值检测情况 MPa

2.2.2 安装受力

玻璃产品安装时靠周边的框架或连接杆支撑，玻璃四周会受到约束力并向中间区域传递。这种约束力相对复杂，与玻璃的安装方式和组装作业有很大关系，会改变钢化玻璃的应力状态，并在一定程度上引起反射影像变形。

2.2.3 风压及气温变化

幕墙玻璃会受到风压影响产生挠度变形［4］，同时气温变化会引起中空玻璃内腔气压变化而产生外凸和内凹［5］。玻璃的变形会引起表面应力值的改变，因此，在高温天气或风压较大的情况下检测幕墙玻璃的应力值会存在一定程度的偏差。图8为气候变化对幕墙玻璃产生的挠度变形示意图。

图8 气候变化对幕墙玻璃产生的挠度变形示意图

2.3 小结

基于实验数据，得出影响钢化玻璃表面应力检测结果准确性的因素主要有：

（1）不同的检测仪器误差不同，SSM-II应力仪测量误差为9～15 MPa，GASP应力仪测量误差为3～5 MPa，GASP仪器的测量准确度相对更高；

（2）不同的测量角度会影响应力测量结果，平均差异为5.00 MPa；

（3）玻璃温度越高应力测量值越低，在29～94 ℃的温度区间范围内，玻璃温度每升高1 ℃则应力检测值下降0.25 MPa；

（4）玻璃水平放置和竖直放置的应力测量结果有差异，用SM-II应力仪测量最大差异14 MPa，用GASP应力仪测量的最大差异10.49 MPa；

（5）单片钢化玻璃经过夹层或中空后会引起表面应力的改变，弓形为1‰～2‰，表面应力测量值变化最大到达13.48 MPa；

（6）玻璃安装受框架约束会引起表面应力的改变；

（7）风压及气温变化会引起玻璃挠度形变，外凸时表面应力变小，内凹时表面应力变大。

检测仪器、测量角度、玻璃温度、玻璃放置状态、产品结构、安装、风压和气温变化都会影响到钢化玻璃表面应力测量结果，且玻璃安装后的检测环境相对于工厂的检测环境已发生较大变化，很难精准检测玻璃表面应力值，因此玻璃安装后检测结果与工厂生产过程检测结果会存在较大差异。

3 安全玻璃的标准

国家标准GB 15763.2—2005［6］和GB/T 18144—2008将钢化玻璃的应力检测作为推荐标准而非强制标准，标准规定钢化玻璃表面应力应≥90 MPa，每片检测5个位置点，以算术平均值作为最终结果，即同一块玻璃允许个别点存在应力不满足90 MPa。检测时需将试样水平平稳放置，且试样内外温度应一致并与周围的环境温度相同。以3块玻璃为一组，3块全部满足要求为合格，2块满足要求则再增加3块试样进行检测，全部满足要求则判定这批玻璃合格。对于复合产品和安装使用后的玻璃，在国家和行业的有关规范中没有见到有关表面应力的测试要求。因此，从标准规范的角度来看，玻璃安装后检测玻璃的表面应力并作为判定玻璃合格与否的依据和验收的标准是不恰当的。

行业内判定是否为钢化玻璃并非完全取决于玻璃表面应力，而是依据玻璃的碎片状态判定。钢化玻璃，破碎后呈碎颗粒状，避免对人身造成致命伤害，因此钢化玻璃也称为钢化安全玻璃。国内外对钢化玻璃碎片状态的标准要求基本一致，即钢化玻璃采用标准的破碎方式，4～12 mm平面钢化玻璃在50 mm×50 mm的区域内，碎片颗粒数应不少于40粒。对于钢化安全玻璃的表面应力范围界定，现行的各国标准差异较大，在国际上没有一个统一的说法，如表5所示，我国标准要求钢化玻璃表面应力值≥90 MPa，为最高；欧盟国家为≥75 MPa；美国和澳洲标准相同，规定钢化玻璃应力≥69 MPa，为最低。我国的国标在1999年版本中应力值为95 MPa，到2005年修订时降低为90 MPa，也是处于一个不断调整的过程中。

表5 各国标准对钢化玻璃应力值的要求

事实上，钢化玻璃的应力越高，自爆率越高，不但无益，反而有害。早些年，很多企业普遍没有应力检测设备，靠砸试片数颗粒数来判定钢化玻璃合格与否。另一方面，由于钢化设备相对落后，应力不均匀，为了确保最少颗粒数一次达标，往往会采用大幅提高钢化表面应力的方式，最终也导致了自爆率居高不下。

孙文迁等［7］通过实验数据分析得出，当钢化应力在90 MPa时，对应的碎片数大约为52片，并且随着钢化玻璃表面应力的增大，对应的玻璃碎片数也在增多。通过大量实验测试，结果显示对于5～12 mm的玻璃，表面应力＞82 MPa就能满足颗粒数要求，达到安全玻璃标准，与孙文迁等人的实验结果相符。图9为玻璃表面应力与碎片数对照［7］。

图9 玻璃表面应力与碎片数对照［7］

随着科学技术不断进步，现今的加工设备和工艺技术已能够通过过程监控和应力检测将钢化玻璃表面应力控制在一个合理的范围内，可以既满足颗粒数要求，又避免过高的自爆率。

4 总结与建议

（1）由于玻璃安装后，受到外力作用，且检验环境发生较大改变，很难精准检测玻璃表面应力值，导致检测结果与工厂检测的结果存在较大差异。且根据国家标准规范的要求，玻璃安装后的检验环境已不符合标准要求。因此，幕墙玻璃的表面应力检测只能作为定性分析，即判定玻璃是否经过钢化处理，不能作为玻璃合格与否的判定依据。

（2）钢化玻璃过高的表面应力将导致自爆率偏高，工厂生产钢化玻璃时应将钢化应力控制在合理的范围内，建议不超过110 MPa。

（3）随着国家和人们对安全的重视程度提高，半钢化夹层玻璃由于没有自爆和碎片坠落风险，可取代钢化玻璃。目前沿海地区一线城市多采用半钢化夹层中空节能玻璃，但内陆城市和地区使用比例较低，有待国家、地方和行业的推广。