一處商業(yè)購物中心幕墻玻璃自爆分析

王海龍 梅國永 馬建村

【摘要】本文介紹了一大型商業(yè)購物中心投入使用兩年多，外立面玻璃幕墻已有41片鋼化玻璃自爆，自爆比例達到了9.5‰。經(jīng)過現(xiàn)場取樣分析，鋼化玻璃自爆的起爆點均呈現(xiàn)蝴蝶斑，在斑片的中心均有異質(zhì)相顆粒，經(jīng)SEM掃描電鏡顯微分析，雜質(zhì)主要有NiS、Na2Al2Si5O10等，并提出降低鋼化玻璃服役中的自爆率方法。

【關(guān)鍵詞】鋼化玻璃;自爆;幕墻

一處大型商業(yè)購物中心于2015年2月投入使用，該項目外立面包括石材幕墻、半隱框玻璃幕墻（橫隱豎明，以下簡稱玻璃幕墻）等，其中玻璃幕墻約7500m2。截至2017年8月，玻璃板塊已有41片由于自爆而破裂，鋼化玻璃的自爆比例達到了9.5‰，部分玻璃碎片散落地上，幸運的是無人員傷亡。行業(yè)內(nèi)，正常的鋼化玻璃自爆應(yīng)控制在3‰以內(nèi)，對于客流量較多的商業(yè)購物中心，過高的自爆率嚴重影響了商業(yè)中心的運行。玻璃幕墻作為當(dāng)今寫字樓、商業(yè)購物中心不可或缺的外裝形式，鋼化玻璃的使用非常廣泛，嚴格控制產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。

1. 商業(yè)購物中心鋼化玻璃取樣

破裂的鋼化玻璃如下圖1，從外面表面上看，玻璃碎片較小、尺寸相近，鋼化比較均勻。在玻璃的中間部位均能找到蝴蝶斑狀

起爆點。從起爆點可以判斷現(xiàn)場破裂的鋼化玻璃均為自爆。從圖2起爆點蝴蝶斑局部放大也能看到中心有異質(zhì)相的夾雜顆粒。可知產(chǎn)生破裂的鋼化玻璃都是由于異質(zhì)相雜質(zhì)引起的自爆。

2. 鋼化玻璃自爆原因分析

鋼化玻璃自爆的原因大致可以分為兩類：一類是原片玻璃的自身缺陷，例如損傷、爆邊、缺陷、氣泡、夾雜物等引起的自爆;另一類則是由于硫化鎳等異質(zhì)相雜質(zhì)的相變體積膨脹而引起的自爆。其中第一類引起的自爆，可以通過觀察鋼化玻璃的外觀篩查出存在爆裂隱患的鋼化玻璃，而第二類相變體積膨脹引起的自爆很難在生產(chǎn)安裝過程中被人察覺，很難避免此類自爆的發(fā)生。根據(jù)不完全統(tǒng)計結(jié)果分析：95%以上的鋼化玻璃自爆是由粒徑分布在0.04～0.65mm之間的硫化鎳等雜質(zhì)引起的[1]。

GB15763.2-2005《建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》對鋼化玻璃碎片狀態(tài)有具體要求，對于4～12mm的平面鋼化玻璃在任何50mm×50mm區(qū)域內(nèi)的最少碎片數(shù)量為40片，現(xiàn)場統(tǒng)計3片破碎鋼化玻璃的的碎片狀態(tài)如下表1。

JGT455-2014《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》對鋼化玻璃碎片狀態(tài)有上限要求，對4～19mm厚度的平面鋼化玻璃，在任何50mm×50mm區(qū)域內(nèi)的最多碎片數(shù)為90片?？梢姳?中三個樣品的碎片數(shù)均超過90，碎片的數(shù)量在一定程度上能反應(yīng)鋼化玻璃表面應(yīng)力的大小，碎片數(shù)越多，表面應(yīng)力越大，導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的異質(zhì)相雜質(zhì)的臨界直越小，鋼化玻璃越容易發(fā)生自爆。

3. 起爆點蝴蝶斑碎片中雜質(zhì)SEM顯微分析

對表1中三塊破裂的鋼化玻璃起爆點蝴蝶斑碎片中的異質(zhì)相雜質(zhì)進行SEM分析及點掃描能譜成分分析。

由圖3可知樣品1和樣品2中的異質(zhì)相顆粒為球狀的NiS，直徑約為150μm。Ni是由玻璃主料石英砂或砂巖帶入，S是通過燃料及輔料帶入的，在1400℃～1500℃高溫熔窯燃燒后在非晶玻璃中析出的NiS，它是晶體，并且存在多種晶體結(jié)構(gòu)，高溫相和低溫相（相變轉(zhuǎn)換溫度為379℃）。這種相變的發(fā)生需要特定的溫度和一定的時間才能完成。玻璃的鋼化是高溫淬冷的過程，高溫相NiS來不及發(fā)生相變而在玻璃鋼化結(jié)束后在室溫下保留下來，高溫相的NiS在常溫下是不穩(wěn)定的，處于亞穩(wěn)狀態(tài)，始終有向低溫相轉(zhuǎn)變的趨勢。由于晶體結(jié)構(gòu)的差異，NiS相變的發(fā)生伴隨著約2%～4%的體積膨脹，在玻璃的內(nèi)部產(chǎn)生巨大的張應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中，在NiS周圍產(chǎn)生微裂紋，裂紋在鋼化玻璃內(nèi)部擴展導(dǎo)致自爆的發(fā)生。由NiS相變引發(fā)的鋼化玻璃自爆可以通過均質(zhì)處理人工引爆的方法降低鋼化玻璃在服役過程自爆。

而樣品3的異質(zhì)相夾雜物是Na2Al2Si5O10，在玻璃生產(chǎn)的降溫過程中，由于溫度以及冷卻速度的不均勻，有部分的硅酸鹽析出硅鋁酸鈉，夾雜在非晶玻璃中保留下來。Na2Al2Si5O10異質(zhì)相與非晶玻璃玻璃的熱膨脹系數(shù)存在差異，鋼化玻璃服役過程中受到外力或者溫度變化時，在兩相交界處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種應(yīng)力集中變化放大后就會產(chǎn)生微裂紋，直至在玻璃的內(nèi)部擴展直至表面發(fā)生自爆。這種夾雜物很難通過常規(guī)的均質(zhì)處理來提前引爆鋼化玻璃，只能通過后期鋼化玻璃檢測來排查降低鋼化玻璃的自爆率。

4. 降低鋼化玻璃服役中的自爆率方法

進一步統(tǒng)計所收集的18塊鋼化玻璃發(fā)現(xiàn)，引起自爆的異質(zhì)相離子中有13塊是NiS、有4塊是Na2Al2Si5O10，1塊是玻璃種存在缺陷。對于NiS引發(fā)的的自爆，可通過二次回火處理（均質(zhì)處理），人工的完成相變，提前引爆鋼化玻璃。對于熱膨脹系數(shù)的差異引發(fā)的自爆，則很難通過熱處理的方法降低自爆，但可以在遠離人群的地方采用半鋼化玻璃，有研究表明鋼化玻璃表面應(yīng)力越小，引發(fā)鋼化玻璃自爆的異質(zhì)相離子的直徑越大，自爆率越低。

此外，對于正在服役的鋼化玻璃可以通過自爆源在線檢測技術(shù)[2]來排查玻璃內(nèi)部存在的異質(zhì)相顆粒。該實驗裝置通過掃描和采集圖像以及應(yīng)力分析系統(tǒng)，可以檢測玻璃幕墻的雜質(zhì)和缺陷類型、位置和尺寸，對保障處于服役中玻璃幕墻的安全具有重要意義。

參考文獻

[1] 屠智革. 鋼化玻璃的自爆機理及影響因素[J]. 中國玻璃，2017， 6：39-41.

[2] 萬德田. 門窗幕墻用鋼化玻璃自爆源和自爆機理分析及在線檢測技術(shù)[J]. 中國建材科技，2010（S2）：178-184

（作者單位：山東省建筑科學(xué)研究院）

【中圖分類號】TU227

【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）06-0056-02