中空玻璃內(nèi)外片貼片危害及防控分析

蘇 敏

（廣州鐵路局集團(tuán)有限公司長沙房建公寓段 長沙410001）

0 引言

為了保證室內(nèi)良好的采光性和視覺通透性，玻璃材料被大量應(yīng)用于建筑中，是一種不可替代的產(chǎn)品。我國生產(chǎn)的平板玻璃中，80%應(yīng)用于建筑上，而建筑上應(yīng)用的玻璃，80%又應(yīng)用于玻璃幕墻上。我國是世界上玻璃幕墻生產(chǎn)與使用量最多的國家，既有玻璃幕墻存量超過10 億m2，每年新增產(chǎn)量超過1 億m2，均超過全球的50%以上。為了保證建筑良好的保溫隔熱性能，應(yīng)用于幕墻上的玻璃必須為節(jié)能玻璃，中空玻璃作為一種優(yōu)異的節(jié)能玻璃品種，是目前應(yīng)用最廣泛的節(jié)能玻璃，也被號(hào)稱為“今天的玻璃”［1］。為達(dá)到建筑節(jié)能要求，近年來，我國新建的玻璃幕墻大部分都使用了中空玻璃［2］。隨著人們對(duì)審美標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)室內(nèi)通透性要求的不斷提高，追求超大面板尺寸的中空玻璃已成為設(shè)計(jì)師和業(yè)主的選擇，因此，面積超過5 m2以上的中空玻璃已越來越多地應(yīng)用在幕墻上。然而，隨著中空玻璃尺寸的增大，中空玻璃產(chǎn)生貼片（內(nèi)、外兩片玻璃吸帖并接觸在一起，一般接觸部位在板中心位置）現(xiàn)象屢見不鮮，并給中空玻璃外觀及節(jié)能功效帶來較大的影響。目前，我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并沒有明確要求中空玻璃不允許產(chǎn)生凹陷變形及貼片現(xiàn)象，人們普遍關(guān)注的是中空玻璃制備過程中的材料性能、制備工藝及氣密耐久性［3-6］及自爆［7］等問題。但制備良好的中空玻璃產(chǎn)品，其在應(yīng)用過程中不應(yīng)出現(xiàn)貼片現(xiàn)象。

1 中空玻璃貼片危害及原因分析

良好制備的中空玻璃，應(yīng)在使用過程中不會(huì)發(fā)生貼片現(xiàn)象，但隨著中空玻璃長寬尺寸的增大，如果采取了一些不當(dāng)?shù)闹苽涔に嚕瑒t有可能導(dǎo)致后續(xù)服役過程中帶來貼片現(xiàn)象。一旦中空玻璃內(nèi)、外片發(fā)生貼片現(xiàn)象，其最大的危害就是在貼片部位，因接觸產(chǎn)生玻璃或膜層接觸損傷現(xiàn)象，并降低中空玻璃的節(jié)能功效。因接觸部位損傷形成肉眼可見斑點(diǎn)，嚴(yán)重影響玻璃表觀。下面以我國北方某城市某一幕墻工程檢測案例進(jìn)行分析，說明中空玻璃內(nèi)外片貼片現(xiàn)象及其帶來的危害表現(xiàn)。該工程采用了低輻射鍍膜單腔中空玻璃，中空玻璃長寬尺寸為2 600 mm×2 500 mm，幕墻玻璃于2016 年夏天全部安裝完畢，但自2017 年入冬以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多片中空玻璃出現(xiàn)群族性數(shù)量不等的白色或乳白色斑點(diǎn)，且隨著時(shí)間推移，部分斑點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)長大現(xiàn)象，這些玻璃斑點(diǎn)在安裝前均未出現(xiàn)。通過現(xiàn)場勘察，對(duì)玻璃斑點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場照相及觀察分析，總結(jié)出斑點(diǎn)分布特征如下：

⑴所有斑點(diǎn)均群族性密集分布在長、寬各30 cm以下的中空玻璃板中心區(qū)域內(nèi)，斑點(diǎn)大部分呈單個(gè)分布，較少連成一體，斑點(diǎn)照片如圖1所示。

圖1 中空玻璃板中心部位玻璃斑點(diǎn)放大照片F(xiàn)ig.1 Enlarged Picture of Spots Distributed at the Center of the Insulating Glass

⑵斑點(diǎn)均分布在中空層腔體內(nèi)對(duì)應(yīng)的玻璃內(nèi)表面處，在斑點(diǎn)附近，均可見圓形或橢圓形的牛頓環(huán)（見圖2）。

⑶斑點(diǎn)產(chǎn)生的部位，有含膜面玻璃位置（膜層損傷），也有不含膜面的玻璃面位置（玻璃損傷）。

圖2 斑點(diǎn)附近的牛頓環(huán)Fig.2 Newton's Ring Near The Spot

⑷通過測量有斑點(diǎn)附近對(duì)應(yīng)處的中空層腔體厚度，其值均較小，大部分在5 mm 以下，部分甚至已接近0，說明內(nèi)外片相互接近甚至接觸，現(xiàn)場測量如圖3所示。

圖3 中空玻璃厚度現(xiàn)場測量值Fig.3 Thickness of the Insulating Glass Measurement on Site（說明：P1為內(nèi)片玻璃厚度；P2為中間片玻璃厚度；AIR為第一中空腔厚度）

《中空玻璃：GB/T 11944-2012》E.2（資料性附錄）中對(duì)牛頓環(huán)定義如下：中空玻璃由于制造或環(huán)境條件等原因，其兩塊玻璃在中心部位相接觸或接近相接觸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一系列由于光干涉產(chǎn)生的彩色同心圓環(huán)，這種光學(xué)效應(yīng)稱作牛頓環(huán)。其中心是在兩塊玻璃的接觸點(diǎn)或接近點(diǎn)。這些環(huán)基本上都是圓形的或橢圓形的。

根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果可知，中空玻璃凹陷使內(nèi)、外兩片玻璃貼片接觸是導(dǎo)致可見斑點(diǎn)形成的元兇，中空玻璃內(nèi)外片接觸原因，是由中空玻璃制作時(shí)導(dǎo)致的凹陷變形與使用時(shí)環(huán)境溫度降低導(dǎo)致的中空玻璃凹陷變形疊加作用形成的。由于鋼化玻璃表面并不是絕對(duì)平整，因此，在接觸部位附近會(huì)首先形成一點(diǎn)或多點(diǎn)的點(diǎn)接觸，同時(shí)，在外界溫度變化、風(fēng)載荷或振動(dòng)載荷作用下，玻璃點(diǎn)接觸部位會(huì)形成應(yīng)力集中、相互疲勞擠壓與摩擦，造成該部位玻璃出現(xiàn)接觸損傷或膜層損傷及脫膜，且表面變粗糙，形成光漫反射，造成肉眼可見斑點(diǎn)。另外，在接觸部位的膜層，還可因靜電作用導(dǎo)致膜層發(fā)生“接觸分離”現(xiàn)象［8］，造成斑點(diǎn)的形成。

2 中空玻璃貼片控制措施

要控制中空玻璃內(nèi)外片貼片，一是要控制中空玻璃制造時(shí)造成初始凹陷變形量，盡量使中空玻璃合片后其板中心部位的空腔層厚度與邊部空腔層厚度相近，二是控制服役過程中因溫差導(dǎo)致的凹陷變形。

2.1 中空玻璃中空層初始凹陷變形產(chǎn)生原因與控制

中空玻璃中空層凹陷變形導(dǎo)致的中空層厚度變薄量的許可值，目前國家標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確規(guī)定。因制造原因?qū)е碌闹锌詹Ａе锌諏映跏及枷葑冃?，主要考慮如下加工工藝問題：

⑴采用水平（臥式）封膠工藝替代正常的立式工藝，因玻璃自重導(dǎo)致玻璃凹陷變形，致使內(nèi)、外兩片玻璃板中心部位接觸或接近，封膠后因玻璃中空腔內(nèi)外氣體不流通，致使玻璃立放后變形的玻璃不能恢復(fù)平整，由此產(chǎn)生永久凹陷變形。水平封膠法要解決大尺寸中空玻璃的中部凹陷問題，可以采用充氣法，即在制作間隔框時(shí)，使用一個(gè)充氣插角，涂覆外封膠時(shí)，將該角部留出，將中空玻璃立起來后，從充氣插角處充入一定量的氬氣或干燥空氣，消除玻璃中部凹陷，然后塞緊充氣插角配套塞子，再手工補(bǔ)上密封膠。

⑵對(duì)于雙中空充氬氣的中空玻璃，充氣控制不當(dāng)易導(dǎo)致玻璃中空腔體變形。若使用離線充氬氣，2個(gè)中空腔體充入氣體的數(shù)量不一致，或其中一面漏充氣，或充氣壓強(qiáng)不一致，易導(dǎo)致玻璃雙中空腔體變形產(chǎn)生該項(xiàng)目玻璃缺陷。另外，充氬氣時(shí)玻璃要立放，且控制立放角度。立放角度過大玻璃會(huì)因單側(cè)受力過大導(dǎo)致受壓一側(cè)的中空腔體變形。

⑶采用弓形彎曲較大的鋼化玻璃原片進(jìn)行合片，會(huì)增大中空玻璃中空層厚度值大小的不確定性，易導(dǎo)致合片后增大板中心中空層初始厚度值過小的概率，且玻璃板塊越大，出現(xiàn)板中心中空層初始厚度值過小的概率也越大。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)中空玻璃凹陷變形影響

環(huán)境溫度是導(dǎo)致中空玻璃貼片的一大重要因素。當(dāng)中空玻璃使用時(shí)的環(huán)境溫度低于中空玻璃生產(chǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度時(shí)，因密閉的空腔空氣冷縮氣壓下降，造成中空玻璃面板兩側(cè)存在氣壓差，壓差作用下使中空玻璃內(nèi)凹。環(huán)境差導(dǎo)致的中空玻璃內(nèi)凹變形在板中心處最大，可以通過理論進(jìn)行計(jì)算。

在不考慮外荷載作用條件下，對(duì)于密閉于中空層的氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)平衡方程為［9］：

式中：P0為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)；V0為中空玻璃中空層初始體積；T0為中空玻璃生產(chǎn)時(shí)的溫度；T為服役時(shí)的環(huán)境溫度；△P為受溫差作用后的中空層的氣壓變化量，△V為體積變化量，其值可以通過積分得到為［10］：

將式⑵代入式⑴，即可得到中空玻璃中空層氣體因溫度變化而產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化，計(jì)算式為：

則得：

假設(shè)中空玻璃面板為四邊簡支狀態(tài)，在受△P作用后，在板中心的最大撓度和應(yīng)力計(jì)算公式為［11］：

其中，k與板的長、短邊長之比有關(guān)，取值如表1所示。

表1 k值取值Tab.1 Values of k

將式⑷得到的△P代入式⑸即可得到中空玻璃因環(huán)境溫差而產(chǎn)生的最大變形。

為了定量分析環(huán)境溫度對(duì)中空玻璃板中心處凹陷變形的影響，假設(shè)中空玻璃規(guī)格為6 mm+12 mm+6 mm，生產(chǎn)環(huán)境溫度為20℃，使用環(huán)境溫度為-30℃，則根據(jù)上述計(jì)算方法，計(jì)算不同邊長尺寸（長寬相等）下中空玻璃的板最大變形如圖4所示。由圖4 可以看出，隨著中空玻璃邊長尺寸的增大，因溫差產(chǎn)生的最大變形不斷增大，但其不呈線性關(guān)系，當(dāng)玻璃尺寸增大到1.0 m 以上時(shí)，玻璃變形量遞增速率迅速減緩，并趨于一個(gè)極限值，該值大約為3.5 mm 左右。也就是說，在溫差作用下導(dǎo)致的中空層凹陷變形值（厚度減小的最大值）大約為7 mm 左右（內(nèi)、外兩片玻璃最大變形值之和）。由于我國目前大部分玻璃的中空層厚度為12 mm，部分為9 mm，因此，在溫差單獨(dú)作用下，中空玻璃內(nèi)外片不會(huì)接觸在一起。

圖4 溫差引起不同尺寸的中空玻璃最大變形Fig.4 Maximum Deformation of Imsulating Glass with Different Sizes Caused by Temperature Difference

因環(huán)境溫差引起的中空玻璃凹凸變形不可避免，為使中空玻璃內(nèi)、外片在后期服役過程中不產(chǎn)生貼片現(xiàn)象，則應(yīng)控制制備時(shí)在板中心處產(chǎn)生的初始最大凹陷變形量，即當(dāng)板中心處初始最大凹陷變形量小于中空玻璃空腔設(shè)計(jì)厚度值（一般為12 mm）減去環(huán)境溫差引起的板中心處最大凹陷變形值（可取值為7 mm）時(shí)，則一般可以避免中空玻璃內(nèi)外片貼片現(xiàn)象。因此，中空玻璃生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)盡量控制生產(chǎn)時(shí)導(dǎo)致的中空玻璃板中心處的中空層初始凹陷變形值。

3 小結(jié)

⑴中空玻璃內(nèi)外片貼片可導(dǎo)致接觸部位產(chǎn)生接觸損傷并形成可見斑點(diǎn)，影響玻璃表觀，并降低玻璃節(jié)能功效。

⑵中空玻璃內(nèi)外片貼片是因中空玻璃制造因素形成的板中心處中空層初始最大凹陷變形，與環(huán)境溫度降低導(dǎo)致的板中心處中空玻璃中空層厚度變化疊加作用導(dǎo)致。

⑶因溫差產(chǎn)生的中空玻璃板中心處中空層最大凹陷變形值隨中空玻璃尺寸增大而不斷增大，但其極限值為7 mm左右。

⑷中空玻璃生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)盡量控制生產(chǎn)時(shí)導(dǎo)致的中空玻璃板中心處的中空層初始凹陷變形值，對(duì)于中空層設(shè)計(jì)厚度為12 mm 的中空玻璃，當(dāng)板中心處初始凹陷變形值小于5 mm 時(shí)，則一般可避免后續(xù)使用過程中發(fā)生貼片現(xiàn)象。