陳穎，季清，史陽，楊健，劉清風

(1.北京建筑技術發(fā)展有限責任公司，北京100055;2.上海交通大學海洋船舶與建筑工程學院，上海200240)

近年來，玻璃材料因其優(yōu)異的透光性能而被廣泛應用于各類建筑物中，在現(xiàn)代建筑中扮演了愈加重要的角色。玻璃是典型的脆性材料，其實際強度比理論強度要低2～3個數(shù)量級［1］。這是由于玻璃表面存在著大量的細小裂紋，外力作用下，裂紋尖端存在著非常顯著的應力集中現(xiàn)象，從而降低了玻璃的強度。根據(jù)斷裂力學的相關知識，玻璃的強度受裂紋長度、裂紋尖端曲率等多方面的因素影響［2］，故其離散性較大，需要大量實驗數(shù)據(jù)來對其強度值作統(tǒng)計學上的確定。國內對玻璃強度測定的標準有JC/T676實驗方法，國外較常見的標準有美國標準ASTM、英國標準BS EN以及俄羅斯標準，其對實驗試件以及加載條件要求各不相同。玻璃按不同的幾何位置破壞又可分為大面破壞和邊緣破壞，相應的強度稱為大面強度和邊緣強度，本文從大面強度和邊緣強度兩方面對比四國標準在實驗試件以及加載環(huán)境的區(qū)別。

1 玻璃邊緣強度實驗標準

1.1 美國標準

1.1.1 實驗試件

美國標準規(guī)定［3］，進行試驗需要至少30個試件，每個試件長為 250 mm，寬為 38.1 mm±3.2 mm。從一端到另一端寬度和厚度的變化不得超過5%。

1.1.2 加載條件

ASTM C158－02標準規(guī)定，加載試驗環(huán)境溫度為23℃ ±2℃，相對濕度為40% ±10%。實驗中，對玻璃進行兩點加載，兩點支承方法。兩加載點相距100 mm，兩支承點相距200 mm。實驗加載速率為(1.1 ±0.2)MPa/s。

1.2 英國標準

1.2.1 試件要求

根據(jù)英國標準［4］規(guī)定，玻璃的邊緣強度測定采用四點加載試驗。試件長度為1 100 mm±5 mm，試件寬度取360 mm±5 mm。試件寬度的量測誤差需在1 mm之內，試件厚度的測量誤差需在0.01 mm之內。

1.2.2 加載條件

對試件進行四點加載實驗，兩支承點間距為1 000 mm±2 mm，兩加載點間距為200 mm±1 mm。抗彎實驗需在溫度為23℃ ±5℃、相對濕度為40% ～70%的環(huán)境下進行。實驗中，環(huán)境溫度變化需保持1℃以內。整個實驗過程對試件進行勻速加載，試件應力增加速率為(2±0.4)N/mm2。

1.3 俄羅斯標準

根據(jù)俄羅斯標準［5］，玻璃邊緣強度測定采取三點抗折強度測試方法。

1.3.1 試件要求

試驗試件為矩形玻璃板，其規(guī)格及相應加載跨度如表1所示。樣品的寬度和厚度誤差不得大于 0.01 mm。

表1 實驗樣品規(guī)格及相應跨度Tab.1 The experimental sample specifications and corresponding span

1.3.2 加載條件

試驗機械需保證靜態(tài)加載，且加載誤差不得大于1%。試驗加載的速率為(5±0.5)mm/min。實驗過程中，環(huán)境溫度需保持在21℃ ±3℃，相對空氣濕度需保持在45% ～80%之間，大氣壓力需為 866.4 ～1 066.4 kPa。

1.4 我國標準

1.4.1 實驗試件

我國《玻璃材料彎曲強度試驗方法》JC/T696－1997［6］中規(guī)定，玻璃試樣選取長為120 mm ±1 mm，寬20 mm±1 mm，且橫截面四角均為90°±0.5°。每組試樣個數(shù)不得少于15個。

1.4.2 加載條件

JC/T696－1997標準中未對實驗的溫度和濕度作明確要求。但標準規(guī)定，實驗加載采取位移速率控制加載，加載速率為5 mm/min。實驗采取單點加載、兩點支承的方法。

2 玻璃大面強度測試

2.1 美國標準

2.1.1 試件要求

按照美國標準要求［7］，大面強度測定需進行至少10組實驗;當需要得到玻璃強度值的Weibull分布，需進行至少30組實驗。實驗試件可為圓形或方形試件，建議取圓形試件為佳。標準中對試件的幾何尺寸要求如下:

(1)試件的厚度h需滿足下式要求:

式中，DS為支撐環(huán)直徑;σf為預期大面斷裂強度;E為試件的彈性模量。

(2)對于圓形試件，試件的直徑與支撐環(huán)直徑需滿足如下要求:

式中，D為圓形試件的直徑。對于尺寸大或邊緣處理弱的試件，上式取值應取上限12。對矩形試件，可按下式換算成等效試件直徑:

式中，l1、l2為矩形試件的邊長，需滿足0.98≤l1/l2≤1.02。

2.1.2 加載條件

實驗中，加載環(huán)直徑為DL，支承環(huán)直徑為DS，兩者之比需滿足 0.2≤DL/DS≤0.5。

2.2 英國標準

2.2.1 試件要求

英國標準［8］規(guī)定，玻璃樣品試件為正方形形狀，邊長為1 000 mm±4 mm，標準未對試件數(shù)量作要求。實驗前，需對玻璃試件邊緣至少八個點進行厚度測量。

2.2.2 加載條件

加載環(huán)境溫度需保持在23℃ ±5℃，實驗過程中，溫度變化需保持在1℃以內，相對濕度需保持在40%～70%。實驗中的加載環(huán)直徑為300 mm±1 mm，支撐環(huán)直徑為400 mm±1 mm。

2.3 俄羅斯標準

2.3.1 試件要求

俄羅斯標準［9］規(guī)定，試件形狀為正方形。玻璃板的規(guī)格以及相應的支撐環(huán)與壓環(huán)的直徑如表2所示。

表2 實驗樣本及雙環(huán)幾何尺寸Tab.2 Experimental samples and geometrical size of two loops

2.3.2 加載條件

俄羅斯標準規(guī)定，實驗中環(huán)境需滿足空氣溫度為21℃ ±3℃，相對大氣濕度為45% ～80%，大氣壓力為 866.4 kPa ～1 066.4 kPa。實驗中，試驗機的加載速率為(5±0.5)mm/min。

3 標準比較

3.1 試件比較

3.1.1 邊緣強度

英國BS EN1288－3:2000標準、美國ASTM C158－02標準對玻璃的邊緣強度測試采取四點加載試驗方式，而俄羅斯1.232.46－87標準以及我國JC/T696－1997標準均采取三點加載的方式，它們玻璃試件的要求詳見表3所示。

由表3可知，英、美、中國標準對玻璃試件的尺寸都做了較硬性的要求，而俄羅斯標準的要求更為寬泛。英國標準要求的玻璃試件尺寸最大，是美國標準的玻璃試件面積的41.6倍，故其加載跨度也較大。而俄羅斯標準中，對玻璃試件的尺寸要求較小，即使在選擇范圍內最大的玻璃試件尺寸也只有200 mm×30 mm，為美國標準玻璃試件面積的62.9%，為英國標準的1.52%。英國標準中對玻璃試件個數(shù)未做要求，而美、俄標準都對玻璃試件的個數(shù)做了具體要求。

3.1.2 大面強度

英國、美國、俄羅標準對于玻璃的大面強度測定均采用雙環(huán)加載的試驗方法，其對玻璃試件及加載支承環(huán)的尺寸要求如表4所示。中國標準沒有關于大面強度測試的闡述。

由表4可得，英國標準對于玻璃試件的要求最明確。而美國標準對玻璃試件以及加載支撐環(huán)的尺寸均未作明確規(guī)定。俄羅斯標準未對玻璃的尺寸做硬性要求，其最大面積比英國標準規(guī)定的玻璃試件面積小。英國標準未對樣本數(shù)量作要求，而美、俄標準都對玻璃試件的個數(shù)做了具體要求。

表3 各國邊緣強度測定玻璃試件比較Tab.3 Comparison of requirements for glass specimens for different standards to measure edge strength

表4 各國大面強度測試玻璃試件尺寸要求Tab.4 Comparison of requirements for glass specimens for different standards to measure bending strength

表5 各國邊緣強度測定實驗環(huán)境對比Tab.5 Comparison of experimental environments for different countries to measure edge strength

表6 各國大面強度測定實驗環(huán)境對比Tab.6 Comparison of experimental environments for different countries to measure face strength

3.2 加載條件比較

3.2.1 邊緣強度

各國標準中邊緣強度測定實驗的加載環(huán)境詳見表5。加載環(huán)境主要分為加載時的環(huán)境溫度、相對濕度以及加載速率。由表5可得，英、美、俄三國實驗溫度均大致為室溫條件下進行，美國標準對溫度要求最高，而英國要求最低。美國標準對于相對濕度的要求同樣最高，誤差僅限在10%以內，俄羅斯標準在相對濕度要求上最寬泛。中國標準對加載環(huán)境的溫度濕度均未作明確的要求。英美兩國標準對于加載速率的要求均為應力增速要求，而俄羅斯和中國標準對于加載速率的要求為位移增速要求。

3.2.2 大面強度

英、美、俄標準對于大面強度測定實驗環(huán)境的要求詳見表6所示。由表可得，美國標準對實驗環(huán)境的相對濕度及溫度未做出明確的要求。而英、俄對實驗環(huán)境中溫度及相對濕度的要求與邊緣強度測定實驗相同。美國標準要求的加載速率取決于試件的幾何尺寸，而英、俄標準加載速率的要求與邊緣強度測定標準所要求的相同。

4 結語

在邊緣強度和在面強度測定標準中:

1)英國標準所需的試件尺寸最大，俄羅斯標準要求的試件尺寸最小。

2)俄羅斯對試件數(shù)量要求較多，美國、中國要求較少，而英國對試件數(shù)量未做明確要求。

3)英國與俄羅斯標準對環(huán)境溫度及相對濕度的要求均相同;美國標準在邊緣強度測定實驗中對溫度及相對濕度做了要求，而在大面強度測定實驗中未對溫度及相對濕度作要求;中國標準也無相應環(huán)境的要求。

4)邊緣強度測定實驗標準中，英國與美國標準均對應力加載速率提出要求，而俄羅斯和中國標準對位移加載速率提出了要求。大面強度測定實驗標準中，美國標準未對加載速率提出要求，而英國與俄羅斯標準提出的要求與邊緣強度測定實驗中的相同。

5)綜合比較各個標準，俄羅斯標準對試件要求成本最低，對實驗條件要求具體可行;而我國目前對玻璃測試的標準制定最為粗糙，具體細節(jié)有待提高。

［1］李維紅.玻璃材料破壞過程的數(shù)值模擬與分析［M］.北京:北京師范大學出版社，2011.

［2］張曉敏，萬 玲，嚴 波，等.斷裂力學［M］.北京:清華大學出版社，2012.

［3］ASTM 158 －02，Standard test methods for strength of glass by flexure(determination of modulus of rupture)［S］.

［4］BS EN 1288 －3:2000，Glass in building－Determination of the bending strength of glass－Part3:Test with specimen supported at two points(four point bending)［S］.

［5］1.234.44—87，三點抗折強度測試方法［S］.

［6］JC/T676－1997，中華人民共和國建材行業(yè)標準玻璃材料彎曲強度試驗方法［S］.

［7］ASTM 1499 － 05，Standard test method for monotonic equibiaxial flexural strength of advanced ceramics at ambient temperature［S］.

［8］BS EN 1288－2:2000，Glass in building－Determination of the bending strength of glass－Part2:Coaxial double ring test on flat specimens with large test surface areas［S］.

［9］1.232.46—87，雙環(huán)試驗方法［S］.