建筑用鋼化玻璃自爆機(jī)理及預(yù)防措施研究

彭國容，熊渝興

（1重慶恒意建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司 重慶 400016 2重慶建工第三建設(shè)有限責(zé)任公司 重慶 400016）

建筑用鋼化玻璃自爆機(jī)理及預(yù)防措施研究

彭國容1，熊渝興2

（1重慶恒意建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司 重慶 400016 2重慶建工第三建設(shè)有限責(zé)任公司 重慶 400016）

本文揭示了鋼化玻璃及其成套設(shè)施在使用過程中存在的安全隱患及其產(chǎn)生原因，提出了控制安全隱患的主要技術(shù)措施，研究成果對鋼化玻璃自爆傷人事故的預(yù)防和控制，具有一定的參考價值。

鋼化玻璃；自爆現(xiàn)象；原因分析；防控措施

1 引言

玻璃幕墻安全隱患主要來源于鋼化玻璃自爆。這種無預(yù)兆、無外部直接作用情況下自動炸裂、墜落的自爆現(xiàn)象，成為在高樓林立的都市中懸在人們頭上隨時可能發(fā)生的重大安全隱患。

無論是國內(nèi)大型現(xiàn)代玻璃生產(chǎn)加工企業(yè)，或是象英國皮爾金頓這樣號稱“百年老廠”的專業(yè)玻璃生產(chǎn)廠家，至今都無法徹底解決普通建筑用鋼化玻璃的自爆問題。因此，業(yè)界一致公認(rèn)：迄今為止，鋼化玻璃自爆，是目前仍未解決的“玻璃幕墻癌癥”。

幕墻鋼化玻璃爆裂的原因，有內(nèi)因和外因。

外因：由于設(shè)計問題造成玻璃受力狀況不合理，即增大了玻璃平面外受力；設(shè)計選材，選型不能滿足強(qiáng)度要求；安裝施工不規(guī)范使玻璃局部受力超過承載極限等等。

內(nèi)因：一是由于玻璃生產(chǎn)加工中存在質(zhì)量缺陷，例如結(jié)石、砂粒、氣泡、夾雜物、缺口、劃傷、爆邊等；二是由于玻璃中夾雜的硫化鎳（NiS）雜質(zhì)在相變過程中，體積膨脹引起自爆。

在玻璃爆裂的外因與內(nèi)因之中，內(nèi)因是主要因素。而在作為主要因素的內(nèi)因中，硫化鎳雜質(zhì)膨脹引發(fā)的“自爆”又是最主要的因素。數(shù)據(jù)資料顯示：鋼化玻璃自爆95%左右由硫化鎳結(jié)石膨脹所致。

本文研究主要內(nèi)容是鋼化玻璃自爆機(jī)理及應(yīng)對措施。

2 鋼化玻璃特有的材質(zhì)特性——自爆現(xiàn)象

鋼化玻璃的自爆現(xiàn)象可以表述為鋼化玻璃在無外力直接作用的情況下自動發(fā)生破碎的現(xiàn)象。自爆時間無確定性，可能是剛出爐，也可能是出廠后1～2月，還可能是出廠后1～2年，甚至在產(chǎn)品生產(chǎn)完成4～5年后，仍有自爆現(xiàn)象發(fā)生。

關(guān)于自爆發(fā)生的概率，大部分生產(chǎn)廠家認(rèn)同：靜態(tài)自爆概率約2～3‰，安裝施工后使用過程中自爆概率約3～5‰左右。

如何鑒別鋼化玻璃自爆？

首先看起爆點(diǎn)（鋼化玻璃裂紋呈放射狀，均有起始點(diǎn)，稱為起爆點(diǎn)）是否在玻璃中間，如在玻璃邊緣，一般是因?yàn)椴Ａ唇?jīng)過倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷，造成應(yīng)力集中，裂紋逐漸發(fā)展造成的；如起爆點(diǎn)在玻璃中部，看起爆點(diǎn)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(xì)觀察兩小塊多邊形公用邊（蝴蝶的軀干部分）應(yīng)有肉眼可見的黑色小顆粒（硫化鎳結(jié)石），則可判斷是自爆的；否則就應(yīng)是外力破壞的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑，如圖1所示。

圖1 玻璃自爆典型特征蝴蝶斑

玻璃碎片呈放射狀分布，放射中心有兩塊形似蝴蝶翅膀的玻璃塊，俗稱“蝴蝶斑”。圖示自爆點(diǎn)即NiS結(jié)石位置處于兩塊狀似蝴蝶翅膀碎塊的界面上。

通過對多起自爆的研究，發(fā)現(xiàn)引起自爆的硫化鎳直徑在0.04mm～0.65mm，平均粒徑為0.2mm。硫化鎳在玻璃中一般位于張應(yīng)力區(qū)，大部分集中在板芯部位的高張應(yīng)力區(qū)。處在壓應(yīng)力區(qū)的NiS,一般不會導(dǎo)致自爆。

3 鋼化玻璃自爆現(xiàn)象之原因分析

3.1 自爆現(xiàn)象內(nèi)因分析

鋼化玻璃自爆現(xiàn)象主要由玻璃中微小的硫化鎳 （NiS）顆粒體積膨脹引發(fā)，迄今為止，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家無法對其目測檢驗(yàn)，故不可控，成為鋼化玻璃自爆的主要因素，被稱之為“幕墻玻璃的癌癥”。自爆原因之內(nèi)在因素主要如下：

3.1.1 硫化鎳（NiS）相變引發(fā)自爆

《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ102)條文說明第3.4.5條：“浮法玻璃由于存在著肉眼不易看見的硫化鎳結(jié)石，在鋼化后這種結(jié)石隨著時間的推移會發(fā)生晶態(tài)變化而可能導(dǎo)致鋼化玻璃自爆”。什么是晶態(tài)變化？為什么晶態(tài)變化可能導(dǎo)致鋼化玻璃自爆？

生產(chǎn)玻璃的原料中通常含有微量的鎳和硫，熔化過程中鎳合金碎片也會增加玻璃中的鎳含量。當(dāng)玻璃被加熱時，這些原子發(fā)生反應(yīng)，形成微小的硫化鎳晶體。熔爐中0.1克鎳可以形成的晶體數(shù)量多達(dá)5萬個。

這些晶體以兩種方式存在：高溫下穩(wěn)定的密度較大的α相和室溫下穩(wěn)定的密度小一些的β相。浮法玻璃中硫化鎳晶體基本上以β相存在,用浮法玻璃加工鋼化玻璃的強(qiáng)化過程中的高溫把所有的硫化鎳晶體都轉(zhuǎn)化成高密度的α相。但是接下來的冷卻過程如此迅速，以致于硫化鎳晶體沒有足夠的時間重新轉(zhuǎn)化成β相。這在玻璃中遺留下不穩(wěn)定的α相晶體，它就像被壓縮的彈簧一樣隨時準(zhǔn)備毫無征兆地重新轉(zhuǎn)化為β相。

硫化鎳晶體由α相轉(zhuǎn)化成β相時體積膨脹4%。如果α相晶體位于張力最大的玻璃中央，膨脹產(chǎn)生的壓力可以使整塊玻璃破裂。

玻璃廠家迄今沒有找到從源頭上消除這種雜質(zhì)的方法。因此，硫化鎳晶體相變所產(chǎn)生的膨脹變形，是鋼化玻璃發(fā)生自爆的主要內(nèi)因。

3.1.2 玻璃在溫度變化影響下熱脹冷縮使玻璃破裂

玻璃的線膨脹系數(shù)為α＝1X10-5，如果在玻璃安裝時與鑲嵌槽底緊密接觸，一旦伸長就會產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，這種應(yīng)力很大，足以使玻璃破壞。

3.1.3 玻璃受熱不均勻產(chǎn)生熱炸裂

玻璃暴露在陽光直射的部分吸引紅外線和可見光線轉(zhuǎn)化為熱量，溫度升高，這一部分玻璃受熱膨脹，而沒有受熱或者鑲嵌在槽底或者陰影下的那一部分玻璃因受不到陽光的輻射，不能同步膨脹，內(nèi)部的熱應(yīng)力即形成，受熱多的區(qū)域?qū)κ軣嵘俚膮^(qū)域產(chǎn)生張應(yīng)力，這種張應(yīng)力超過玻璃本身的抗拉強(qiáng)度就會導(dǎo)致玻璃的破裂，在玻璃邊緣存在微小裂紋情況下更易引發(fā)熱炸裂。

3.1.4 玻璃生產(chǎn)加工過程中的缺陷使玻璃破裂

玻璃生產(chǎn)加工過程中的可見缺陷，如氣泡、砂粒、結(jié)石、夾雜質(zhì)、缺口、劃傷、爆邊等，若質(zhì)檢把關(guān)不嚴(yán)或漏檢，在一定條件下也可引發(fā)玻璃自爆。

3.2 自爆現(xiàn)象外因分析

3.2.1 施工質(zhì)量是關(guān)系到玻璃開裂的重要原因

規(guī)范JGJ102規(guī)定了玻璃邊緣與槽口的配合尺寸，它的目的就是保證玻璃在溫度變化和其他因素影響下能自由伸縮。一旦出現(xiàn)阻礙玻璃自由伸縮的因素，玻璃就會破裂，玻璃槽口兩側(cè)不能用硬性材料阻塞，玻璃在平面外力作用的影響下會產(chǎn)生翹曲，如果嵌縫材料阻礙玻璃翹曲變形也會使玻璃破裂，必須用彈性材料填縫，填縫材料要保持必要的彈性以保證玻璃自由翹曲變形。

3.2.2 玻璃幕墻所依附的主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或地震作用下產(chǎn)生層間的變化也能使玻璃破裂

主體結(jié)構(gòu)在荷載或地震作用下產(chǎn)生變化時，它必然強(qiáng)制玻璃框格和它同步變化，這時框格的形狀由矩形變成了菱形，如果玻璃邊緣與鑲嵌槽底板間沒有足夠的間隙適應(yīng)這種變化，也會將玻璃擠碎。

3.2.3 玻璃的切割產(chǎn)生的微小裂口造成玻璃的破裂

玻璃在裁劃切斷時，沿玻璃周邊隱藏著許多微小裂口，這些裂口在各種效應(yīng)與熱應(yīng)力影響下，會擴(kuò)展成裂縫，裂縫進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致玻璃破裂，因此在裁劃玻璃后，要用磨邊機(jī)進(jìn)行處理，消除周邊隱藏的微小的裂口。

3.2.4 設(shè)計不當(dāng)引發(fā)玻璃破裂

設(shè)計應(yīng)根據(jù)規(guī)范及工程實(shí)際的受力情況，選擇最佳的幕墻形式，并選擇合適的材料，使整個幕墻結(jié)構(gòu)處于最佳受力狀態(tài)，以避免額外應(yīng)力，增加結(jié)構(gòu)使用的安全性。如設(shè)計選型不當(dāng)，使玻璃處于不良應(yīng)力狀態(tài)，會加大玻璃破損幾率；如遇內(nèi)力、外力疊加，超過承載力，會導(dǎo)致玻璃破碎。

4 防范鋼化玻璃自爆的對策

4.1 源頭質(zhì)量把關(guān)

鋼化玻璃一般采用浮法玻璃作原片。建筑級浮法玻璃外觀質(zhì)量各項(xiàng)性能及檢測方法應(yīng)符合 《建筑用鋼化玻璃第2部份：鋼化玻璃》（GB15673.2-2005）有關(guān)規(guī)定。

優(yōu)先選用大廠出廠的原片玻璃，他們選材、工藝控制較嚴(yán)，混入雜質(zhì)的機(jī)率較小。

鋼化玻璃邊緣應(yīng)進(jìn)行倒角磨邊處理，減小應(yīng)力集中。

做好玻璃的成品保護(hù)，防止蹦邊、掉角，對蹦邊、掉角不大的用拋光機(jī)磨成圓弧面，減小應(yīng)力集中。

采購時要求玻璃廠進(jìn)行鋼化后的均質(zhì)處理 （引爆處理），一般小廠沒有均質(zhì)爐，或者有也出于成本考慮不用。因此，購買時要與其約定自爆率，以備日后索賠。

4.2 鋼化質(zhì)量把關(guān)

4.2.1 控制鋼化應(yīng)力

鋼化應(yīng)力越大，硫化鎳結(jié)石的臨界半徑就越小，能引起自爆的結(jié)石就越多。顯然，鋼化應(yīng)力應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，這樣既可保證鋼化碎片顆粒滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也能避免高應(yīng)力引起的不必要自爆風(fēng)險。平面應(yīng)力應(yīng)越小越好，這樣不僅減小自爆風(fēng)險，而且能提高鋼化玻璃的平整度。

4.2.2 均質(zhì)處理（HST）

均質(zhì)處理是公認(rèn)的徹底解決自爆問題的有效方法。將鋼化玻璃再次加熱到290℃左右并保溫一定時間，使硫化鎳在玻璃出廠前完成晶相轉(zhuǎn)變，讓今后可能自爆的玻璃在工廠內(nèi)提前破碎。這種鋼化后再次處理的方法，我國通常將其譯成“均質(zhì)處理”，也俗稱“引爆處理”，簡稱HST。

從原理上看，均質(zhì)處理似乎很簡單，許多廠家對此并不重視，認(rèn)為可隨便選擇外購甚至自制均質(zhì)爐。實(shí)際并非如此，玻璃中的硫化鎳夾雜物往往是非化學(xué)計量的化合物，含有比例不等的其他元素，其相變速度高度依賴于溫度。研究結(jié)果表明，280℃時的相變速率是250℃時的100倍，因此必須確保爐內(nèi)的各塊玻璃經(jīng)歷同樣的溫度制度，否則一方面有些玻璃溫度太高，會引起硫化鎳逆向相變；另一方面溫度低的玻璃因保溫時間不夠，使得硫化鎳相變不完全。兩種情況均會導(dǎo)致無效的均質(zhì)處理。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，最好的進(jìn)口爐也存在30℃以上的溫差，多臺國產(chǎn)爐內(nèi)的溫差甚至超過55℃。這或許解釋了經(jīng)均質(zhì)處理的玻璃仍然出現(xiàn)許多自爆的原因。

4.2.3 均質(zhì)爐

均質(zhì)處理的關(guān)鍵設(shè)備是均質(zhì)爐，均質(zhì)爐必須采用強(qiáng)制對流加熱的方式加熱玻璃。對流加熱靠熱空氣加熱玻璃，加熱元件布置在風(fēng)道中，空氣在風(fēng)道中被加熱，然后進(jìn)入爐內(nèi)。這種加熱方式可避免元件直接輻射加熱玻璃，引起玻璃局部過熱（圖2）。

圖2 均質(zhì)爐

4.2.4 均質(zhì)爐內(nèi)玻璃堆置方式及支撐間隔，均質(zhì)溫控制度，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 設(shè)計、施工及使用過程中質(zhì)量把關(guān)

型材設(shè)計時充分考慮玻璃的熱脹冷縮和層間位移變形，留出變形空間，施工時注意玻璃下部墊塊的厚度和硬度以及玻璃與框周邊的間隙。

設(shè)計應(yīng)充分重視玻璃幕墻所依附的主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或地震作用下產(chǎn)生層間的變化使玻璃破裂，允許的層間位移變形值，應(yīng)根據(jù)主體結(jié)構(gòu)彈性層間位移限值的3倍來確定。

防止玻璃受熱不均勻產(chǎn)生熱炸裂。玻璃暴露在陽光直射的部分吸引紅外線和可見光線轉(zhuǎn)化為熱量，溫度升高，這一部分玻璃受熱膨脹，而沒有受熱或者鑲嵌在槽底或者陰影下的那一部分玻璃因受不到陽光的輻射，不能同步膨脹，內(nèi)部的熱應(yīng)力即形成，受熱多的區(qū)域?qū)κ軣嵘俚膮^(qū)域產(chǎn)生張應(yīng)力，這種張應(yīng)力超過玻璃本身的抗拉強(qiáng)度就會導(dǎo)致玻璃的破裂，在玻璃邊緣存在微小裂紋情況下更易引發(fā)熱炸裂，因此在施工及使用過程中應(yīng)采取必要的構(gòu)造措施來防止熱炸裂。

采光頂和天窗等非垂直安裝的場合，當(dāng)屋面玻璃最高點(diǎn)離地＞3m時，必須使用夾層玻璃，不允許使用鋼化玻璃；當(dāng)屋面玻璃最高點(diǎn)離地≤3m時，允許使用鋼化玻璃，但應(yīng)采用均質(zhì)鋼化玻璃。在重要場所或特殊位置使用鋼化玻璃時為杜絕玻璃炸裂傷人，應(yīng)考慮增貼防飛濺安全膜。

鋼化玻璃與窗框之間宜選用高彈性密封材料填充。

室內(nèi)空調(diào)設(shè)備不宜直接面對幕墻鋼化玻璃吹熱風(fēng)。

四邊支承鋼化玻璃的最大許用面積為相同厚度普通退火玻璃的2.0～3.0倍。由于國內(nèi)各鋼化玻璃生產(chǎn)廠家的質(zhì)量參差不齊，具體取值應(yīng)經(jīng)抗風(fēng)壓試驗(yàn)確定。

鋼化后的玻璃不能切割、鉆孔和開槽。

5 結(jié)束語

（1）建筑用熱鋼化玻璃的自爆現(xiàn)象，是由鋼化玻璃本身的材質(zhì)特性和生產(chǎn)加工方式所決定的一種特性。迄今為止，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家尚不能有效解決鋼化玻璃自爆問題，被業(yè)界視為“建筑用玻璃幕墻的癌癥”，因此，屬于安全玻璃范疇的鋼化玻璃并不真正安全，業(yè)界和社會應(yīng)對此有所認(rèn)識和防范。

（2）鋼化玻璃自爆的主要原因是由于玻璃中所含硫化鎳結(jié)石（NiS）相變產(chǎn)生體積膨脹所致。解決鋼化玻璃自爆的較有效辦法，是進(jìn)行科學(xué)有效的均質(zhì)處理，即二次加熱引爆處理。經(jīng)正規(guī)引爆處理后的鋼化玻璃，其自爆概率比未作二次處理下降50%以上。

（3）國家建設(shè)部和發(fā)改委、質(zhì)監(jiān)總局等四部委局，早在2003年就發(fā)布了《建筑安全玻璃管理規(guī)定》。其中第二條明確指出：本規(guī)定所稱安全玻璃，是指符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的鋼化玻璃……生產(chǎn)廠家“應(yīng)有完整的工藝設(shè)備”。

目前高層建筑大量采用的節(jié)能中空鋼化玻璃，其玻璃厚度大多采用8mm以下規(guī)格。按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)（如《裝飾裝修工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50210－2001）；《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ113-2009）），均要求對這類玻璃進(jìn)行均質(zhì)處理，以大幅降低潛在隱患。

但是，本人在調(diào)研考察中發(fā)現(xiàn)：上述國家標(biāo)準(zhǔn)在部分廠家未能執(zhí)行，甚至根本缺乏關(guān)鍵設(shè)備就大量生產(chǎn)供應(yīng)不符合國家標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品上市，這必然帶來潛在的安全風(fēng)險。媒體大量報道的玻璃自爆事故，提示我們應(yīng)高度重視并加強(qiáng)行業(yè)管理。

（4）重要場所及特殊部位使用幕墻鋼化玻璃，必須進(jìn)行技術(shù)可靠的均質(zhì)處理，并考慮增貼防飛濺安全膜。有條件時可使用“鈦金箔膜”與普通浮法玻璃復(fù)合而成的“鈦金箔膜復(fù)合安全玻璃。”這種“強(qiáng)而不自爆，碎而不散落”的防飛濺玻璃，才是真正的安全玻璃。

[1]GB50210-2001,裝飾裝修工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]JGJ113-2009,建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB15673.2-2005，建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃[S].

[4]龍文志.建筑施工[M].2006.

責(zé)任編輯：余詠梅

CAD在控制預(yù)留預(yù)埋中的應(yīng)用

針對以往施工過程中經(jīng)常發(fā)生事后補(bǔ)救等影響安裝質(zhì)量及進(jìn)度的情況，筆者在內(nèi)控作業(yè)中采用CAD軟件里的簡單命令"復(fù)制""粘貼"，較好做到了預(yù)控各專業(yè)的預(yù)留預(yù)埋工作。此方法應(yīng)用于剛竣工驗(yàn)收的兩座高層建筑中，無一錯漏，效果良好。

在預(yù)留、預(yù)埋工作較多的地下施工階段，尤其能夠體現(xiàn)出該方法的簡單高效。以某高層住宅樓地下室為例，可在CAD中新建一文件，復(fù)制出地下一層平面圖(建筑施工)到新建文件中作為平臺，然后依次打開各專業(yè)相應(yīng)的地下一層布置圖，按先簡后繁的順序依次把各專業(yè)的預(yù)留洞、預(yù)埋套管及預(yù)埋件等復(fù)制、粘貼到新建文件的地下一層平面圖(平臺)中，刪掉無關(guān)的數(shù)據(jù)，使圖紙簡單明了。注意應(yīng)使用編輯菜單下的帶基點(diǎn)復(fù)制命令，可以達(dá)到精確控制復(fù)制目標(biāo)的目的。采用不同的顏色區(qū)分不同專業(yè)的預(yù)留洞、預(yù)埋套管及預(yù)埋件等，可收到一目了然的效果。

雖然此項(xiàng)內(nèi)控工作只是簡單地"復(fù)制""粘貼"，但要求耐心細(xì)致。要把各專業(yè)需預(yù)埋的套管、預(yù)留洞的平面定位尺寸、標(biāo)高、留洞尺寸及套管直徑、材質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)明，質(zhì)量檢查過程中不用把所有專業(yè)的圖紙同時帶在身邊，只需打印出此控制圖，各專業(yè)涉及的預(yù)留、預(yù)埋工作便可同時得到控制。如果個別專業(yè)的預(yù)留、預(yù)埋較多，也可按專業(yè)單獨(dú)制作預(yù)留、預(yù)埋控制圖，靈活應(yīng)用。

（摘自：《建筑工人》）

On Glass Curtain Wall Safe Hidden Trouble Generating Mechanism and Coping Measures

This paper first reveals that the reasons causing the safe hidden troubles in toughened glass and complete facilities during the performing process.Then the author proposes some major technical measures to control the safe hidden troubles.Research results is of referential values for preventing and controlling the explosive wounding incidents concerning toughened glass.

toughened glass;explosive phenomenon;cause analysis;prevention and control measure

TQ171.72

A

1671-9107（2011）08-0012-04

注：本文主要內(nèi)容來源為重慶市建委2009年建設(shè)科研課題項(xiàng)目“城科字2009第（88）號，已于2010年通過結(jié)題驗(yàn)收。”

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.08.012

2011-06-14

彭國容（1977－），女，重慶人，本科，高級工程師，主要從事建筑材料試驗(yàn)研究工作。