光彈掃描法在既有幕墻玻璃缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

王文歡

（廣州安德信幕墻有限公司 廣州 510400）

0 引言

我國(guó)是鋼化玻璃生產(chǎn)與應(yīng)用最多的國(guó)家，2018年全年產(chǎn)量超過(guò)4.7 億m2，鋼化玻璃80%以上被應(yīng)用于建筑上，而其中一半被應(yīng)用于玻璃幕墻上。引發(fā)玻璃幕墻安全問(wèn)題最多的事故就是鋼化玻璃自爆，高空墜落玻璃碎片殺傷力堪比子彈，我國(guó)高樓幕墻大部分處于城市繁華地段，底部人員來(lái)往密集，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年因上述問(wèn)題導(dǎo)致的安全事故上萬(wàn)起。因此，檢測(cè)與預(yù)測(cè)高層幕墻鋼化玻璃自爆成為防控風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵所在。鋼化玻璃自爆是指在無(wú)任何外力作用下的突發(fā)性破裂，一般認(rèn)為，玻璃內(nèi)部含缺陷（如異質(zhì)顆粒、成分不均，氣泡、表面劃傷、灼傷，邊部加工缺陷等）是引發(fā)鋼化玻璃自爆的原因［1］，而其中以硫化鎳引發(fā)鋼化玻璃自爆為最主要因素，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因硫化鎳引發(fā)的鋼化玻璃自爆約占總自爆數(shù)的80%以上。為降低鋼化玻璃自爆概率，使用優(yōu)質(zhì)浮法玻璃作為原片的鋼化玻璃，減小含缺陷鋼化玻璃的使用，或者在使用前對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行均質(zhì)處理，但上述兩種方法無(wú)法處理已安裝在建筑或結(jié)構(gòu)上的鋼化玻璃。為解決既有建筑幕墻鋼化玻璃的自爆風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)，Bao 等人［2-4］首先證明了引發(fā)鋼化玻璃自爆最根本原因是玻璃內(nèi)部的應(yīng)力集中存在，而這種應(yīng)力集中最有效簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法就是光彈法，在此基礎(chǔ)上提出了光彈掃描法檢測(cè)既有建筑幕墻鋼化玻璃缺陷，以評(píng)價(jià)被檢測(cè)玻璃是否存在自爆風(fēng)險(xiǎn)［5-6］。本文在采用該方法的基礎(chǔ)上，對(duì)大量的既有玻璃幕墻工程鋼化玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了檢測(cè)，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)流程，給出了被檢測(cè)的鋼化玻璃的典型缺陷及其特征，對(duì)各種缺陷的自爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)給出了評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

1 鋼化玻璃自爆機(jī)理及光彈掃描法檢測(cè)原理

1.1 鋼化玻璃自爆機(jī)理

應(yīng)用于工程上的鋼化玻璃，會(huì)存在許多缺陷，有些是玻璃內(nèi)部本身存在的缺陷（如氣泡、異質(zhì)顆粒等），有些是加工帶來(lái)的缺陷（如邊部切割帶來(lái)的微裂紋、崩邊等），有些是安裝或應(yīng)用過(guò)程中帶來(lái)的缺陷（如表面劃傷、灼傷等）。這些缺陷因受各種因素影響，會(huì)在其附近產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，比如玻璃內(nèi)部含的硫化鎳雜質(zhì)，因其相變體積膨脹約2～4%，會(huì)給其周邊的玻璃產(chǎn)生很大的擠壓應(yīng)力，造成應(yīng)力集中［7］。另外，分布于玻璃內(nèi)部的各種異質(zhì)顆粒，因其和玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配會(huì)形成內(nèi)拉伸或壓縮應(yīng)力集中。玻璃內(nèi)部的裂紋尖端及劃痕及灼傷根部等也會(huì)存在應(yīng)力集中。當(dāng)這些應(yīng)力集中與服役過(guò)程中其他環(huán)境載荷（如風(fēng)載荷、振動(dòng)載荷、溫度載荷）等作用下形成的應(yīng)力疊加值超過(guò)該處玻璃局部強(qiáng)度時(shí)，即可引發(fā)鋼化玻璃自爆。因此，引發(fā)鋼化玻璃自爆的準(zhǔn)則是缺陷附近的集中應(yīng)力值超過(guò)該處玻璃局部強(qiáng)度值。

1.2 光彈掃描法檢測(cè)玻璃內(nèi)部應(yīng)力集中

在玻璃內(nèi)部，任何原因引發(fā)的應(yīng)力集中附近，其應(yīng)力分布均為三向應(yīng)力狀態(tài)，因玻璃內(nèi)部缺陷相對(duì)玻璃來(lái)說(shuō)非常微小，因此，玻璃可看作無(wú)限大體，對(duì)于一微小顆粒對(duì)玻璃形成擠壓應(yīng)力集中，其附近玻璃內(nèi)部受力簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示。根據(jù)對(duì)稱性可知：在玻璃體內(nèi)任意一點(diǎn)的徑向截面、環(huán)向截面及橫向截面上，無(wú)剪應(yīng)力作用，其相應(yīng)的正應(yīng)力，即周向應(yīng)力（切向應(yīng)力）和徑向應(yīng)力（軸向應(yīng)力）均為主應(yīng)力［8］。根據(jù)光彈性原理，在等差線上，條紋存在如下關(guān)系［9-10］：

式中：c 為應(yīng)力光學(xué)常數(shù)；λ為光波波長(zhǎng)；h 為玻璃厚度；N 為條紋值。如應(yīng)力集中附近存在主應(yīng)力值差，在光彈儀觀測(cè)下，即可表現(xiàn)為應(yīng)力光彈條紋斑。

圖1 缺陷附近玻璃應(yīng)力分布示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Stress Distribution around the Defect in Glass

玻璃為一種典型光彈性材料，根據(jù)光彈性原理，材料在外力作用下會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)雙折射現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象是可以通過(guò)光彈儀檢測(cè)得到的。根據(jù)上面的分析，通過(guò)光彈儀看到的玻璃內(nèi)部應(yīng)力集中光斑大小和明亮程度及條紋數(shù)與該點(diǎn)的主應(yīng)力差值有關(guān)。光彈儀結(jié)構(gòu)采用平面偏振光原理，分為透射式和反射式兩種，光路圖如圖2所示。通過(guò)光彈儀可以觀測(cè)到缺陷附近的應(yīng)力集中光斑（圖3為采用該方法觀測(cè)到的玻璃內(nèi)部異質(zhì)顆粒附近的應(yīng)力集中光斑）。因應(yīng)力集中光斑直徑大約為缺陷本身直徑的2 倍，且與玻璃其他部位形成明顯的光強(qiáng)差，因此，相比直接檢測(cè)缺陷而言，檢測(cè)應(yīng)力集中光斑更易于識(shí)別。

圖2 平面偏振光彈儀光路圖Fig.2 Optical Path Diagram of Photoelastic Instrument

圖3 玻璃內(nèi)部異質(zhì)顆粒附近的應(yīng)力光斑Fig.3 Stress Spots near the Inclusion in Glass

2 既有幕墻鋼化玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 檢測(cè)流程

⑴建筑幕墻基本設(shè)計(jì)資料勘察，確定幕墻玻璃的品種、規(guī)格，幕墻玻璃安裝形式，幕墻玻璃是否為鍍膜玻璃及彩釉玻璃等。根據(jù)上述信息，確定幕墻玻璃是否適合光彈檢測(cè)，如適合，則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件，確定檢測(cè)方法。一般檢測(cè)方法分為透射式和反射式檢測(cè)，透射式檢測(cè)需在玻璃一面布置起偏光源，另一面布置檢偏片。反射式檢測(cè)是將起偏光源和檢偏片布置在玻璃的同一測(cè)檢測(cè)。

⑵對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，以確定玻璃幕墻規(guī)格是否與設(shè)計(jì)相符，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢查玻璃表面潔凈程度，對(duì)于玻璃表面灰塵較多并影響檢測(cè)效果的，需先對(duì)幕墻玻璃進(jìn)行清潔再檢測(cè)。

⑶現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，采用光彈掃描儀，對(duì)幕墻玻璃表面進(jìn)行整體掃描，掃描過(guò)程中，可以人工識(shí)別玻璃內(nèi)部是否存在應(yīng)力集中光斑，也可采用工業(yè)相機(jī)拍攝圖像或視頻，計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別玻璃內(nèi)部是否存在應(yīng)力集中光斑。

⑷對(duì)檢測(cè)到玻璃內(nèi)部的應(yīng)力集中光斑，采用數(shù)碼放大鏡，進(jìn)一步對(duì)檢測(cè)到的導(dǎo)致應(yīng)力集中光斑的缺陷的形貌、分布深度、尺寸等進(jìn)行測(cè)量。數(shù)碼放大鏡應(yīng)具有放大倍數(shù)調(diào)節(jié)及尺寸測(cè)量功能，檢測(cè)示意圖如圖4所示。

圖4 缺陷信息檢測(cè)示意圖Fig.4 Detection Schematic Diagram of Defect Information

⑸綜合以上檢測(cè)結(jié)果，對(duì)幕墻玻璃進(jìn)行自爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，確定其自爆風(fēng)險(xiǎn)程度。

2.2 幕墻玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

因引發(fā)鋼化玻璃自爆的各種缺陷受多種因素影響，如缺陷種類、大小、分布位置及玻璃所處的環(huán)境等，其中危害最大的是玻璃內(nèi)部的硫化鎳顆粒。因此，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，需對(duì)檢測(cè)到的缺陷進(jìn)行分類、并對(duì)其引發(fā)玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)。作者對(duì)被檢測(cè)到的各種缺陷自爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和歸納，給出了如下分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)供參考：

⑴Au 級(jí)：難存在自爆風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于內(nèi)部無(wú)異質(zhì)顆粒、氣泡及玻璃表面無(wú)劃傷、灼傷、磕碰等缺陷的玻璃，其自爆或破裂概率極低。

⑵Bu 級(jí)：存在一定的自爆風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于內(nèi)部存在無(wú)可見應(yīng)力集中光斑的異質(zhì)顆粒及氣泡、玻璃表面存在一定的劃傷、灼傷、磕傷等的玻璃，其存在一定的自爆風(fēng)險(xiǎn)。

⑶Cu 級(jí)：較易發(fā)生自爆。對(duì)于拉應(yīng)力區(qū)存在單個(gè)或多個(gè)異質(zhì)顆粒，且異質(zhì)顆粒附近存在較明顯應(yīng)力集中光斑，或具有很明顯應(yīng)力集中光斑但分布于壓應(yīng)力區(qū)的異質(zhì)顆粒，其具有較高的自爆風(fēng)險(xiǎn)。

⑷Du 級(jí)：極易發(fā)生自爆。對(duì)于內(nèi)部存在單個(gè)或多個(gè)異質(zhì)顆粒，且異質(zhì)顆粒附近應(yīng)力集中很明顯，同時(shí)分布于拉應(yīng)力區(qū)位置，其具有很高的自爆風(fēng)險(xiǎn)。

因幕墻玻璃自爆因素影響非常復(fù)雜，因此，其自爆本身是一個(gè)概率統(tǒng)計(jì)問(wèn)題，檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于沒(méi)有檢測(cè)到缺陷的鋼化玻璃，其自爆風(fēng)險(xiǎn)較低，但不代表100%不存在自爆可能，對(duì)于檢測(cè)到有缺陷且存在自爆風(fēng)險(xiǎn)的玻璃，不代表其100%會(huì)自爆。

2.3 鋼化玻璃缺陷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)典型樣本

因玻璃內(nèi)部缺陷非常微小，基本處于0.1～1 mm 之間，因此，采用光彈儀看到的因玻璃內(nèi)部缺陷引發(fā)的應(yīng)力集中光斑，其形貌均如圖3所示，如需更進(jìn)一步確定缺陷類型及形貌，需對(duì)缺陷進(jìn)行放大至50 倍以上進(jìn)行觀察。作者通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，驗(yàn)證了采用光彈掃描法，能夠檢測(cè)到玻璃內(nèi)部尺寸0.1 mm 以上的各種缺陷存在，對(duì)檢測(cè)到的幕墻玻璃的典型缺陷樣本歸納如下：

⑴Nis 雜質(zhì)。Nis 雜質(zhì)是引發(fā)鋼化玻璃自爆的最主要因素（占80%以上），對(duì)硫化鎳雜質(zhì)采用光學(xué)放大鏡放大觀察，可見其形貌呈球狀或橢球狀顆粒，金黃色、且與玻璃不浸潤(rùn)，如圖5a 所示。因硫化鎳相變膨脹后一般會(huì)對(duì)玻璃形成很大的擠壓應(yīng)力，這種擠壓應(yīng)力甚至?xí)谄渲苓呅纬晌⒘鸭y，如圖5b 所示。

⑵玻璃中其他異質(zhì)顆粒：一般表現(xiàn)為形狀不規(guī)則，顏色有白色、黃色及黑色不等，大部分與玻璃浸潤(rùn)且與玻璃粘結(jié)緊密，圖6為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的幾種存在于玻璃內(nèi)部的其他異質(zhì)顆粒，也是玻璃內(nèi)部最常見的幾種異質(zhì)顆粒。這類異質(zhì)顆粒如果顏色為白色，則其引發(fā)自爆風(fēng)險(xiǎn)概率不大，如為黃色或黑色等深色顆粒，因大陽(yáng)光照射容易吸熱造成溫度升高，具有一定的引發(fā)自爆風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 玻璃內(nèi)NiS 雜質(zhì)典型形貌圖（光學(xué)放大照片）Fig.5 Typical Morphology of NiS in Glass（Magnified Photo）

圖6 檢測(cè)到玻璃內(nèi)部的異質(zhì)顆粒Fig.6 Inclusion in Glass Detected by Photoelastic Scanning Method

⑶氣泡。氣泡在玻璃內(nèi)部是比較常見的缺陷，尺寸在0.2～2 mm 之間居多，在檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)氣泡周圍的應(yīng)力集中光斑一般會(huì)比較明顯，如圖7a 所示，但因氣泡引發(fā)的鋼化玻璃自爆概率較低。通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的氣泡放入均質(zhì)爐中進(jìn)行均質(zhì)，未發(fā)現(xiàn)有在均質(zhì)爐中爆裂現(xiàn)象。圖7b 為典型氣泡光學(xué)放大照片，一般呈橢圓形狀。

圖7 玻璃內(nèi)部氣泡形貌圖Fig.7 Typical Morphology of Bubble in Glass

⑷應(yīng)力不均

在現(xiàn)場(chǎng)光彈檢測(cè)過(guò)程中，可見鋼化玻璃局部部位有明顯的亮斑，如圖8所示，說(shuō)明該處存在局部應(yīng)力不均現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)附近有異質(zhì)顆粒分布。這類現(xiàn)象一般為玻璃鋼化過(guò)程中，因鋼化爐內(nèi)保溫材料掉到玻璃表面，致使該部位因鋼化應(yīng)力不均導(dǎo)致的，這種現(xiàn)象對(duì)引發(fā)鋼化玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較低。但有另一種情況，也是在光彈儀下可見明顯應(yīng)力光斑，且肉眼無(wú)法覺(jué)察到異質(zhì)顆粒的存在，這種應(yīng)力集中一般是由透明的異質(zhì)顆粒造成的（肉眼無(wú)法與玻璃區(qū)別出來(lái)）。

圖8 玻璃內(nèi)部的應(yīng)力不均Fig.8 Inhomogeneous of the Stress in Glass

⑸玻璃表面劃傷，灼傷及磕碰。

造成玻璃表面劃傷、灼傷、磕碰等情況，主要是在幕墻施工過(guò)程中造成的。在幕墻施工焊接過(guò)程中，由于未對(duì)玻璃表面進(jìn)行有效防護(hù)，致使大量高溫焊渣掉到玻璃表面，并熔化玻璃，在后續(xù)清理玻璃表面焊渣時(shí)，會(huì)在玻璃表面形成凹坑，造成對(duì)玻璃的損傷，如圖9a 所示。另外，由于施工或使用保護(hù)不當(dāng)，當(dāng)玻璃與硬物接觸時(shí)，也易在玻璃表面形成劃痕，如圖9b 所示。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)玻璃表觀缺陷有明確要求，根據(jù)文獻(xiàn)［1］表8（鋼化玻璃外觀質(zhì)量）對(duì)劃傷的規(guī)定如下：寬度在0.1～1 mm，長(zhǎng)度小于等于100 mm 的劃傷，每平方面積內(nèi)允許存在條數(shù)不大于4 條，長(zhǎng)度大于100 mm 的劃傷不允許存在。因此，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，對(duì)灼傷或劃傷超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的玻璃，應(yīng)進(jìn)行研磨拋光修復(fù)處理，以消除其安全隱患。

圖9 采用光彈掃描法看到的玻璃表面劃傷及灼傷照片F(xiàn)ig.9 Photographs of Burns and Scratches on Glass Surfaces by Photoelastic Scanning Method

3 結(jié)語(yǔ)

幕墻鋼化玻璃自爆往往是突發(fā)性的，因此，事先預(yù)測(cè)其自爆風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于保障玻璃幕墻安全服役至關(guān)重要。在幕墻的使用與維護(hù)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)幕墻玻璃自爆比較嚴(yán)重，應(yīng)對(duì)幕墻玻璃進(jìn)行整體缺陷檢查，以排除含缺陷且自爆風(fēng)險(xiǎn)較大的鋼化玻璃繼續(xù)使用。本文通過(guò)大量實(shí)踐檢測(cè)，驗(yàn)證了光彈掃描法能夠有效、準(zhǔn)確地檢測(cè)到玻璃內(nèi)部各種缺陷的存在，并對(duì)各種缺陷引發(fā)的自爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)估?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后，如發(fā)現(xiàn)含自爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的幕墻玻璃，應(yīng)通過(guò)更換或加強(qiáng)安全維護(hù)處理等措施，以實(shí)現(xiàn)降低因幕墻玻璃自爆帶來(lái)的城市公共安全隱患。