建筑飾面玻璃破碎原因及應(yīng)對(duì)措施

張啟良

(蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院,蚌埠 233018)

建筑飾面玻璃破碎原因及應(yīng)對(duì)措施

張啟良

(蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院,蚌埠 233018)

現(xiàn)代建筑物飾面越來(lái)越多地采用玻璃作為幕墻材料,各種玻璃在上墻后破碎現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,給現(xiàn)代城市帶來(lái)了一定的安全隱患。該文概述了建筑飾面玻璃破碎的原因及影響因素,并針對(duì)幾種常見(jiàn)建筑用玻璃的破碎原因提出了相應(yīng)的處理對(duì)策。

玻璃; 破碎; 原因; 影響

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和玻璃技術(shù)的發(fā)展及人民生活水平的提高,作為現(xiàn)代建筑的重要組成部分,玻璃得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。它具有自重輕、可光控、保溫隔熱隔聲性能好、外表美觀、安裝方便等傳統(tǒng)建筑材料所不具有的優(yōu)點(diǎn),除在傳統(tǒng)的玻璃窗、玻璃門(mén)、浴室、隔斷等室內(nèi)應(yīng)用外,建筑外飾面也越來(lái)越多采用玻璃作為原材料。但是不同類(lèi)型的玻璃作為建筑材料,因?yàn)槠渥陨硖赜谢蚬灿械男再|(zhì),在為現(xiàn)代城市提供了優(yōu)美的觀感、良好的性能和舒適的室內(nèi)環(huán)境的同時(shí),也容易因各種原因?qū)е缕扑?。澳大利亞的研究人員對(duì)8棟建筑物進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)12年的跟蹤研究,在統(tǒng)計(jì)的17 760塊飾面玻璃中,共發(fā)生306例自爆,自爆率為1.72%[1]。建筑飾面玻璃碎裂給現(xiàn)代城市生活帶來(lái)了很大的安全隱患,而且出現(xiàn)這樣的問(wèn)題,飾面玻璃安裝施工單位和玻璃制造廠家的責(zé)任也難以分清,給建設(shè)方、施工方、生產(chǎn)方都帶來(lái)了極大的不便。該文概述了建筑飾面玻璃破碎的原因及影響因素,并針對(duì)幾種常見(jiàn)建筑用玻璃的破碎原因提出了相應(yīng)的處理對(duì)策。

1 建筑飾面玻璃常見(jiàn)類(lèi)型及性質(zhì)

1.1 普通平板玻璃

普通平板玻璃是平板玻璃中生產(chǎn)量最大,使用最多的一種,也是深加工成各種技術(shù)玻璃的基礎(chǔ)材料。普通平板玻璃也稱單元玻璃、凈片玻璃,屬于鈉玻璃類(lèi),主要用于裝配建筑物門(mén)窗,起透光、擋風(fēng)雨、保溫隔熱、隔音等作用,具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、品性脆、紫外線通過(guò)率低。普通平板玻璃大部分直接用于房屋建筑和維修,一部分加工成鋼化、夾層、鍍膜、中空等玻璃,小量用作工藝玻璃。一般建筑外飾面采光用玻璃多為3 mm厚的普通平板玻璃;用作采光屋面、建筑物外窗等,多采用厚度為8 mm和12 mm以上的厚玻璃。普通平板玻璃最大的弱點(diǎn)是質(zhì)脆、易碎,破碎后具有尖銳的棱角,容易傷人。平板玻璃多因外力而發(fā)生破碎,如溫差、機(jī)械力。

1.2 鋼化玻璃

鋼化玻璃屬安全玻璃,是為提高玻璃的強(qiáng)度,而使用化學(xué)或物理的方法,使玻璃表面和內(nèi)部分別形成壓應(yīng)力和張應(yīng)力,從而獲得高強(qiáng)度、高韌性的玻璃。玻璃承受外力時(shí)首先抵消表層應(yīng)力,從而提高了承載能力,增強(qiáng)玻璃自身抗風(fēng)壓性、寒暑性、沖擊性等。鋼化玻璃與平板玻璃相比有許多優(yōu)點(diǎn),如韌性好、強(qiáng)度高、抗熱沖擊性能優(yōu)越及安全破裂。所謂安全破裂是指鋼化玻璃碎片鈍化了,即鋼化玻璃碎片沒(méi)有明顯的銳角,當(dāng)人體撞擊玻璃并發(fā)生玻璃破碎時(shí),給人體的切割傷或刺穿傷降低[2]。鋼化玻璃被廣泛地應(yīng)用于玻璃幕墻和門(mén)窗等工程中,但是鋼化玻璃也有自身固有的缺點(diǎn),如因內(nèi)部雜質(zhì)(主要是NiS、硅晶粒、沙粒)自爆。

2 建筑飾面玻璃破碎因素

玻璃碎裂的因素是多種多樣的,究其本質(zhì)都是受到力的作用,比如機(jī)械外力、自身重力、正常使用荷載、風(fēng)荷載、熱力等,而影響玻璃受力的因素又可以細(xì)分為密度、強(qiáng)度、形狀、是否深加工等。

玻璃受外界影響的主要因素,見(jiàn)圖1。

2.1 受機(jī)械外力作用

由于玻璃是脆性材料,在發(fā)生外力解除的情況下會(huì)發(fā)生彎曲,一旦彎曲強(qiáng)度超過(guò)其本身極限,就會(huì)發(fā)生破碎。機(jī)械破碎所受的外力是多種多樣的,一般除與自身質(zhì)量有關(guān)外,還與其幾何形狀有關(guān),其破碎也沒(méi)有明顯特征。

玻璃在機(jī)械力作用下彎曲應(yīng)力示意圖,見(jiàn)圖2。

2.2 受到荷載影響

建筑飾面玻璃安裝在建筑物外表面,安裝完成后不可避免會(huì)受到外界荷載的影響,引發(fā)自身的彎曲,常見(jiàn)的有正常使用荷載與風(fēng)荷載。使用荷載主要由于受玻璃運(yùn)輸、自重、裝配等因素影響,本體質(zhì)量對(duì)于荷載的分擔(dān)很重要,如普通平板玻璃和鋼化玻璃荷載極限不同,破碎率也不相同;安裝時(shí)施工工藝的水平也影響著玻璃的破碎率。若對(duì)玻璃進(jìn)行半鋼化、鋼化,其荷載極限強(qiáng)度就能明顯提高,能經(jīng)受彎曲、沖擊等荷載變化。當(dāng)玻璃用于外墻時(shí),會(huì)受到風(fēng)力影響,作用在玻璃表面產(chǎn)生彎曲,引發(fā)破裂,各地區(qū)風(fēng)力強(qiáng)度和頻度不同,決定了要因地區(qū)、樓層高度的不同而選擇不同規(guī)格與型號(hào)的玻璃。

2.3 熱應(yīng)力

玻璃熱應(yīng)力破碎又稱為“自爆”,是由于玻璃自身受熱導(dǎo)致應(yīng)力不均勻所致,安裝完后的建筑飾面玻璃受陽(yáng)光直射,光能轉(zhuǎn)化為熱能致使其自身溫度升高,形成內(nèi)部熱應(yīng)力,四周熱膨脹,從而對(duì)玻璃邊緣產(chǎn)生張應(yīng)力,這樣就會(huì)造成玻璃的破碎。此外,玻璃自身若質(zhì)量存在瑕疵,比如玻璃體中含有氣泡、硫化鎳、沙粒、缺口、結(jié)石之類(lèi)的缺陷,更易在熱力作用下發(fā)生“自爆”。熱應(yīng)力破碎較之機(jī)械因素破碎較難識(shí)別,一般可以觀察玻璃破裂邊緣,若破裂線多為弧線形,或?yàn)榍蹎尉€或復(fù)線且與邊緣一般成直角,裂口整齊且數(shù)量少,很大可能是熱應(yīng)力破碎,否則可能是彎曲應(yīng)力破裂,或者是玻璃邊緣缺陷所致[3]。

3 常見(jiàn)建筑飾面玻璃安裝后的自爆原因及防治

現(xiàn)代建筑飾面玻璃多采用鋼化玻璃作為材料,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)組裝做成各種幕墻材料,在安裝后產(chǎn)生破碎的原因因制作、安裝方法不同而存在差異。

3.1 鋁合金框幕墻玻璃

在建筑墻體外飾面玻璃最常采用鋁合金框幕墻玻璃,設(shè)計(jì)、制造簡(jiǎn)單,安裝便易,用料較多,結(jié)構(gòu)統(tǒng)一為玻璃直接通過(guò)機(jī)械方法鑲嵌在鋁合金結(jié)構(gòu)框架上。這種結(jié)構(gòu)幕墻的自重和荷載通過(guò)鑲嵌點(diǎn)由玻璃直接傳遞至鋁材框體上,對(duì)于鋁合金框幕墻玻璃其破碎有以下原因:

1)自身質(zhì)量不良(平整度差,厚薄不均,玻璃內(nèi)有雜質(zhì)),受陽(yáng)光照射產(chǎn)生熱力影響,導(dǎo)致熱效應(yīng)不均勻發(fā)生破碎。

2)人工裁切時(shí)產(chǎn)生瑕疵,邊緣不平直光滑或有崩邊、牙邊、崩角等缺陷,在這種傷殘狀態(tài)下,易產(chǎn)生破碎點(diǎn),發(fā)生破碎。

3)安裝時(shí)施工工藝存在問(wèn)題,導(dǎo)致與玻璃直接接觸的鋁框扭擰不平,幾何精度無(wú)法保證而導(dǎo)致飾面玻璃安裝后就存在彎曲變形,長(zhǎng)期處于受力狀態(tài),較易發(fā)生破碎。

鋁合金框幕墻玻璃產(chǎn)生應(yīng)力的原因較簡(jiǎn)單,防治起來(lái)主要注意以下幾點(diǎn):

1)減少玻璃與邊框材料硬對(duì)硬的接觸,邊框四周增加彈性墊塊,當(dāng)玻璃熱脹冷縮時(shí),能自由伸縮,減少破碎幾率。

2)鑲嵌玻璃的鋁框采用質(zhì)量好、精度高的原材料,盡量消除安裝后產(chǎn)生的彎曲,使玻璃上墻后不處于時(shí)時(shí)受到應(yīng)力的狀態(tài)。

3)玻璃厚度的選擇要綜合考慮地區(qū)風(fēng)力、光照、使用荷載等因素影響,選取合適厚度及面積的玻璃進(jìn)行安裝。

鋁材的長(zhǎng)度變化公式計(jì)算如下

式中,ΔI為長(zhǎng)度變化;at為膨脹系數(shù);I為鋁材長(zhǎng)度;ΔT為溫度差。

由公式看出,鋁材愈長(zhǎng),冬夏季溫差愈大,則鋁材長(zhǎng)度變化也愈大,因此溫差越大的地區(qū)越應(yīng)采用長(zhǎng)度短的鋁材,保證伸縮縫可以因溫度變化而自由變化,從而保證鋁合金玻璃幕墻框架牢固度及框架的完整性。如玻璃面積大,厚度小,則抗彎曲、抗熱應(yīng)力能力小,極易破碎。幕墻玻璃厚度選擇要進(jìn)行計(jì)算,低層、高層同一面積的玻璃受力就差別較大[4]。

3.2 隱框幕墻玻璃

隱框幕墻玻璃是一種綜合性技術(shù)新產(chǎn)品,該種玻璃較之鋁合金框幕墻玻璃少了用以?shī)A持玻璃并承重的鋁合金外框,取而代之以硅酮密封膠把多塊鍍膜玻璃直接粘合至鋁型材框架上。這樣可以很好地隱蔽玻璃外墻飾面節(jié)點(diǎn),更添美觀作用。同時(shí),比起普通鋁合金幕墻玻璃結(jié)構(gòu),隱框幕墻玻璃之間間隙用幕墻硅酮密封膠密封,周邊無(wú)鋁框鑲嵌,玻璃產(chǎn)生的熱脹冷縮變形應(yīng)力均由密封膠吸收,產(chǎn)生的溫差熱應(yīng)力較小,不存在較大的鑲嵌玻璃邊內(nèi)和邊外溫差;而且玻璃面受到的水平風(fēng)壓力和自重也能更均勻地傳給內(nèi)部金屬框架和主結(jié)構(gòu)件,使荷載更為均衡,破碎率要降低很多。

但半隱框玻璃幕墻仍有一個(gè)對(duì)應(yīng)邊嵌在鋁框內(nèi),仍應(yīng)考慮嵌鋁框內(nèi)外玻璃的熱應(yīng)力,以防破碎。對(duì)于隱框玻璃幕墻,其破碎的因素及預(yù)防措施如下:

1)鍍膜玻璃的邊緣質(zhì)量非常重要,是影響玻璃破裂的重要因素。因玻璃是脆性材料,邊緣允許張應(yīng)力的大小與邊緣缺陷非常密切,像崩角,崩角和參差不齊、牙邊等,都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中,嚴(yán)重降低允許張應(yīng)力。邊緣有缺陷點(diǎn),其正常的彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力等都可能造成自爆破裂。對(duì)大面積隱框幕墻的鍍膜玻璃,最好采用裁剪機(jī)切割,手工切割時(shí),要嚴(yán)格檢查玻璃切割邊緣質(zhì)量或打磨邊緣。

2)依然需要考慮吸收太陽(yáng)輻射熱應(yīng)力影響。鍍膜玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射能的吸收產(chǎn)生的熱應(yīng)力均遠(yuǎn)大于一般透明玻璃,所以對(duì)玻璃的原片質(zhì)量要求較嚴(yán)。原片的厚薄度、平整度較差,表面有疤痕,都易形成內(nèi)應(yīng)力不均而自行破裂。

3)玻璃的熱應(yīng)力自爆,可對(duì)鍍膜玻璃采取鋼化后均化處理,處理后可以明顯減少熱應(yīng)力自爆的機(jī)率,但會(huì)增加玻璃生產(chǎn)制造成本。

4)玻璃厚度選擇很重要,因玻璃使用高低不同、地區(qū)不同,應(yīng)有所調(diào)整,應(yīng)以計(jì)算為準(zhǔn),一些鍍膜玻璃生產(chǎn)廠家會(huì)給出一個(gè)關(guān)系比作為參考。

3.3 中空破璃

中空玻璃用兩片或多片玻璃與周邊用鋁合金間隔分開(kāi)一定距離,并用二次密封膠密封,使之形成兩玻璃間有干燥氣體的玻璃。其結(jié)構(gòu)本質(zhì)決定了該種玻璃具有優(yōu)良的隔熱保溫隔音性能,有時(shí)可能優(yōu)于混凝土墻,但強(qiáng)度很低。此外,中空玻璃在應(yīng)用于建筑飾面尤其是作為盈眶幕墻玻璃時(shí),密封膠易被紫外線直接照射老化[5],產(chǎn)生變位,其變位能力一般為5%左右,但也會(huì)對(duì)中空玻璃的間距產(chǎn)生較大影響,隨時(shí)間變化其承受荷載及應(yīng)力能力發(fā)生退化。

中空玻璃的自爆與中空玻璃選材、制作、安裝均有明顯的關(guān)系,使用時(shí)應(yīng)注意。為防止中空玻璃的破碎,一般應(yīng)從以下角度著重考慮:

1)做中空玻璃的單片玻璃質(zhì)量要好,要求玻璃平整、厚薄均勻,玻璃不準(zhǔn)有疤痕和雜質(zhì),否則在制成中空玻璃后,玻璃受彎應(yīng)力熱應(yīng)力影響,易在上述玻璃缺陷處產(chǎn)生自爆。做中空玻璃的透明玻璃一定要用浮法玻璃,不能用廉價(jià)的平板玻璃。

2)對(duì)中空玻璃的兩片玻璃要考慮其吸熱性能,一般采用一片透明玻璃和一片鍍膜玻璃,或用帶顏色的透明玻璃。選用何種顏色和厚度的兩片玻璃,均對(duì)中空玻璃的破裂有明顯的影響。

由于各種玻璃的可見(jiàn)光透過(guò)率、反射率、吸收率不同,制成的中空玻璃效果也不一樣。不同類(lèi)型和厚度的兩片玻璃制成的中空玻璃,其可見(jiàn)光反射率和可見(jiàn)光透射率也大相徑庭,如果吸收率過(guò)大,會(huì)造成中空夾層高溫,這對(duì)中空玻璃的破裂影響極大,所以選用中空玻璃的兩片玻璃時(shí),不僅要考慮顏色美觀,玻璃厚度安全,也要考慮鍍膜玻璃吸熱性能,這也和全國(guó)不同地區(qū)氣候溫差條件有關(guān)。在炎熱地區(qū),晴天13時(shí)左右中空玻璃表面最高溫度可達(dá)80℃左右,甚至更高。中空玻璃夾層溫度也較高,如因風(fēng)雨等原因溫度急劇下降,極易造成中空玻璃的破碎。中空玻璃厚度公差沒(méi)有硬性規(guī)定,一些中空玻璃生產(chǎn)廠家會(huì)給出數(shù)據(jù)作參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

總之,各種飾面玻璃安裝后的破碎問(wèn)題,因其性能、地區(qū)差異和安裝方法不同,原因迥異。因此,要根據(jù)實(shí)際情況,認(rèn)真分析,找出原因,在安裝和使用過(guò)程中避免大面積破碎現(xiàn)象發(fā)生;普通平板玻璃注意運(yùn)輸時(shí)的機(jī)械安全和安裝時(shí)荷載設(shè)計(jì),避免彎曲應(yīng)力過(guò)大;鋼化玻璃作為幕墻材料,要嚴(yán)格控制玻璃體中的雜質(zhì)、玻璃邊角,根據(jù)成本控制可以采用均化處理后的鋼化玻璃;鋁合金框架幕墻玻璃作為飾面玻璃發(fā)生破裂,多要從制造、加工、安裝等方面找原因;中空玻璃作為飾面材料安裝后自爆,要從生產(chǎn)中空玻璃和安裝環(huán)節(jié)上找原因。

[1] 石新勇.安全玻璃[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] 劉忠偉,邱 科.鋼化玻璃自爆原因分析與解決辦法[J].建筑玻璃與工業(yè)玻璃,2013,36(4):6-9.

[3] 彭國(guó)容,熊渝興.建筑用鋼化玻璃自爆機(jī)理及預(yù)防措施研究[J].重慶建筑,2010,29(8):19-27.

[4] 吳曉偉.試論高層建筑中玻璃幕墻施工質(zhì)量控制[J].福建建材,2014,36(9):13-14.

[5] 包東望,萬(wàn)德田,劉立忠,等.石新勇鋼化玻璃自爆源和自爆機(jī)理分析[J].建筑玻璃與工業(yè)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.

張啟良(1986-),助理工程師.E-mail:aynamirei@hotmail.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.014