不同檢測環(huán)境和條件下鋼化玻璃表面應(yīng)力檢測分析

張海梁 李會(huì)興 王蕾 劉耀文 尤海陽

（1. 東莞南玻工程玻璃有限公司 東莞 523141；2. 中國建筑玻璃與工業(yè)玻璃協(xié)會(huì) 北京 100037；3. 北京海陽順達(dá)玻璃有限公司 北京 102699）

0 引言

玻璃作為建筑幕墻的主要材料之一，因其優(yōu)良的采光、節(jié)能特點(diǎn)而不可替代。為了增加玻璃的強(qiáng)度和安全性能，通常采用物理風(fēng)冷鋼化處理。物理風(fēng)冷鋼化處理的玻璃按照碎片狀態(tài)分為鋼化玻璃和半鋼化玻璃。在國家政策和地方法規(guī)的引導(dǎo)下，國內(nèi)建筑幕墻普遍采用鋼化玻璃或半鋼化夾層玻璃及其復(fù)合產(chǎn)品。隨著人們對人身和財(cái)產(chǎn)安全、產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的注重，部分業(yè)主把鋼化玻璃表面應(yīng)力檢測作為樓盤驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)之一，偶有發(fā)生因出廠檢測結(jié)果與安裝后檢測結(jié)果不同而引發(fā)糾紛。因此，有必要厘清鋼化玻璃安裝后檢測結(jié)果與鋼化生產(chǎn)時(shí)檢測結(jié)果存在差異的原因，為廠商和業(yè)主解決爭議提供參考數(shù)據(jù)。

1 檢測儀器介紹

目前使用最廣泛的鋼化玻璃表面應(yīng)力無損檢測方法有兩種，一是差量表面折射儀法，簡稱DSR法，常用的儀器是我國生產(chǎn)的SSM-II型表面應(yīng)力儀；另一種是臨界角表面偏光儀法，簡稱GASP法，常用的儀器是美國Strainoptic Technologies公司生產(chǎn)GASP應(yīng)力儀。由于兩者采用的工作原理存在差異，致使儀器的構(gòu)造、視場圖像和讀數(shù)方式存在差異。

SSM-II應(yīng)力儀［1］工作原理是利用浮法玻璃表面錫擴(kuò)散層的光波導(dǎo)效應(yīng)來測定因應(yīng)力引起的玻璃折射率的變化。圖1為SSM-II應(yīng)力儀光路系統(tǒng)圖。

圖1 SSM-II應(yīng)力儀光路系統(tǒng)圖［1］

從光源（白熾燈） 發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過狹縫，由高折射率柱面棱鏡匯聚后變成平行光，通過調(diào)節(jié)光源位置，使一束平行光以臨界角入射至玻璃與棱鏡的交界面，由于玻璃表面存在應(yīng)力，在應(yīng)力雙折射作用下，光線分解成為兩個(gè)振動(dòng)面相互垂直的矢 量光，兩束矢量光在浮法玻璃的錫擴(kuò)散層中傳播速度不同，因此以不同的全反射角折射到棱鏡。從棱鏡射出的光經(jīng)反光鏡反射進(jìn)入干涉濾光片，由望遠(yuǎn)物鏡系統(tǒng)聚焦，再經(jīng)過分析鏡后在分劃板成像而形成如圖2所示的一個(gè)清晰的明暗臺(tái)階圖像。通過測微目鏡，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)旋鈕，使內(nèi)置的對位線對準(zhǔn)臺(tái)階平面，分別測量上下兩個(gè)臺(tái)階的讀數(shù)，計(jì)算臺(tái)階高度差，并計(jì)算出表面應(yīng)力值。

圖2 SSM-II應(yīng)力儀視場示意圖［1］

GASP應(yīng)力儀［2］的工作原理是利用應(yīng)力雙折射效應(yīng)產(chǎn)生的干涉條紋，通過測定干涉條紋傾角來計(jì)算應(yīng)力值。如圖3所示，GASP應(yīng)力儀光源散發(fā)出的激光束以臨界角ic和45°偏振角入射到棱鏡邊緣導(dǎo)入玻璃表面的錫擴(kuò)散層，在錫擴(kuò)散層中以平行玻璃表面的方向運(yùn)行一小段距離，應(yīng)力雙折射效應(yīng)導(dǎo)致激光束發(fā)生干涉效應(yīng)，再經(jīng)過一個(gè)石英補(bǔ)償片Wc和分析器A，在視鏡中產(chǎn)生圖4所示的可見且穩(wěn)定的等距條紋，即干涉條紋。通過測微目鏡，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)表盤，使內(nèi)置的雙對位線平行于等距條紋，讀取表盤旋轉(zhuǎn)角度q，通過換算得到表面應(yīng)力值。

圖3 GASP應(yīng)力儀光路系統(tǒng)圖

圖4 GASP應(yīng)力儀視場示意圖

GASP應(yīng)力儀的對位線是平行的雙線，以便于目視觀察，微調(diào)幅度一般為±1°范圍，即儀器測量誤差在±（3～8）MPa以內(nèi)，精度相對較高。而SSM-II應(yīng)力儀的對位線是單線，且需要分兩次調(diào)節(jié)對位線，微調(diào)幅度一般為±（0.03～0.05）mm，即儀器測量誤差在±（9～15）MPa之間，是GASP儀器測量誤差的2～3倍，因此GASP儀器的測量準(zhǔn)確度相對更高。

2 影響因素分析

影響檢測結(jié)果的因素一般從兩個(gè)方面進(jìn)行分析，一是檢測儀器及檢測條件是否有差異，二是有沒有受到外部因素的干擾。通過對比工廠生產(chǎn)檢測環(huán)境和安裝后檢測環(huán)境，逐條列舉差異，并采用SSM-II和GASP兩種應(yīng)力儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，找出影響因素。

2.1 檢測條件的影響

2.1.1 測量角度

根據(jù)應(yīng)力儀的工作原理，只有垂直于光路的應(yīng)力才能被測出，如果主應(yīng)力平行于光透射方向，則會(huì)得出不存在應(yīng)力的錯(cuò)誤結(jié)論。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生檢測不到應(yīng)力的情況，換一個(gè)角度或測量點(diǎn)又能檢測到應(yīng)力。為驗(yàn)證不同的測量角度是否會(huì)影響到應(yīng)力的檢測結(jié)果，分別使用GASP和SSM-II兩種儀器對多塊鋼化玻璃在同一位置點(diǎn)沿平行玻璃的短邊和垂直玻璃的短邊兩個(gè)角度進(jìn)行表面應(yīng)力檢測，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 同一位置點(diǎn)不同檢測角度的應(yīng)力檢測記錄 MPa

檢測數(shù)據(jù)顯示，平行于玻璃短邊方向和垂直于玻璃短邊方向的應(yīng)力值相差最大為8.75 MPa，平均相差約為5.00 MPa。檢測時(shí)還發(fā)現(xiàn)，沿鋼化進(jìn)爐方向測量時(shí)，應(yīng)力儀位于鋼化波形的波峰位置，有較好的貼合面，容易觀察到應(yīng)力儀的臺(tái)階或傾斜條紋；而當(dāng)應(yīng)力儀位于波谷位置時(shí)，如果波形較大則儀器與玻璃無法良好貼合，視區(qū)臺(tái)階或斜條紋較模糊，影響測量準(zhǔn)確性。為避免由于檢測角度不同導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生差異，通常的做法是參照美標(biāo)ASTM C1048的方法［3］，同一測量點(diǎn)分別沿相互垂直的兩個(gè)角度測量，取其平均值作為該位置點(diǎn)的應(yīng)力值，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)尚未見到有關(guān)要求。

2.1.2 玻璃溫度

溫度的變化會(huì)改變棱鏡、折射油、玻璃的光學(xué)參數(shù)，從而導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)失真。表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為SSM-II應(yīng)力儀檢測不同溫度下同一塊玻璃的表面應(yīng)力值數(shù)據(jù)。

表2 溫度與應(yīng)力測量值的對應(yīng)關(guān)系

數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)玻璃表面溫度從常溫升高到60℃時(shí)應(yīng)力值降低7～11 MPa，當(dāng)溫度升高到90 ℃時(shí)應(yīng)力值降低14～21 MPa，平均溫度每升高1℃則應(yīng)力值下降0.25 MPa。這說明鋼化玻璃表面溫度越高，應(yīng)力檢測值將越低。為此，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18144—2008 條款4.1.4明確規(guī)定：為了避免熱應(yīng)力的產(chǎn)生，試樣內(nèi)外溫度應(yīng)一致并與周圍的環(huán)境溫度相同［1］。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)避免在玻璃處于較高溫度的情況下檢測應(yīng)力。

圖5 不同溫度對玻璃表面應(yīng)力測量的影響

2.1.3 水平放置和豎直放置

由于玻璃鋼化后存在弓形以及玻璃自身具有一定彈性，當(dāng)玻璃豎直放置時(shí)會(huì)受到自身重力和底部支撐力作用，不能保證玻璃完全處于自然伸直狀態(tài)，從而導(dǎo)致玻璃表面應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。且玻璃豎直測試時(shí)，不方便檢測人員的測量作業(yè)，影響測量準(zhǔn)確度。表3實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)顯示，國產(chǎn)SM-II應(yīng)力儀水平測量和豎直測量結(jié)果最大差異為14 MPa，進(jìn)口GASP應(yīng)力儀水平測量和豎直測量結(jié)果最大差異為10.49 MPa。為避免豎直放置產(chǎn)生的影響，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18144—2008 條款4.1.6明確規(guī)定：將被檢測試樣的錫擴(kuò)散層朝上水平平穩(wěn)放置［1］，其目的是使玻璃處于自然狀態(tài)，消除外界作用力的約束。

表3 鋼化玻璃水平放置測量和豎直放置測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) MPa

2.1.4 不同儀器測量結(jié)果差異

從表1、表3可以看出，對于同一塊鋼化玻璃同一檢測點(diǎn)，且在相同的檢測條件下，GASP應(yīng)力儀和SSM-II應(yīng)力儀由于工作原理不同，導(dǎo)致測量的結(jié)果存在差異。在實(shí)際檢測中，應(yīng)考慮由于檢測儀器的不同引起的測量誤差，從而避免誤判。

2.2 受外力作用的影響

當(dāng)鋼化玻璃受到外力作用時(shí)，會(huì)改變玻璃表面壓應(yīng)力狀態(tài)。如圖6所示，玻璃在受到外力荷載時(shí)，受壓面的表面壓應(yīng)力增大，而拉伸面的表面壓應(yīng)力首先用于抵消荷載產(chǎn)生的彎曲張應(yīng)力，此時(shí)表面壓應(yīng)力會(huì)降低，當(dāng)荷載彎曲張應(yīng)力大于表面壓應(yīng)力時(shí)，拉伸面就會(huì)出現(xiàn)張應(yīng)力，當(dāng)張應(yīng)力達(dá)到玻璃能夠承受的極限時(shí)，玻璃就會(huì)破裂。因此，在鋼化玻璃受到外力作用的時(shí)候，檢測到的表面應(yīng)力值與自然狀態(tài)下的表面應(yīng)力值存在差異，是外在荷載力和玻璃表面壓應(yīng)力的矢量和。

圖6 鋼化玻璃受外力作用下的應(yīng)力分布情況

外力來源主要包括復(fù)合產(chǎn)品的粘結(jié)力、玻璃安裝方式、安裝約束力和重心遷移導(dǎo)致的自重力、環(huán)境風(fēng)壓引起的撓度形變、氣溫變化導(dǎo)致的中空玻璃凹凸變形等，這些都會(huì)導(dǎo)致鋼化玻璃表面應(yīng)力測量值失真。

2.2.1 復(fù)合產(chǎn)品的粘結(jié)力

由于鋼化玻璃的熱加工特性，玻璃本身會(huì)產(chǎn)生一定程度的彎曲變形。在兩片鋼化玻璃加工成夾層玻璃或中空玻璃時(shí)，PVB/密封膠的厚度是無法填補(bǔ)鋼化玻璃彎曲引起的空隙，這就需要PVB/密封膠通過自身的粘結(jié)力克服鋼化玻璃的彎曲變形，使兩片玻璃很好的吻合在一起，由此也會(huì)造成鋼化玻璃表面應(yīng)力值的改變。圖7為鋼化玻璃加工成夾層、中空復(fù)合產(chǎn)品后的三種典型情況。

圖7 鋼化玻璃加工成夾層、中空復(fù)合產(chǎn)品后的三種典型情況

如圖7所示，（a）當(dāng)兩片玻璃同向彎曲時(shí)，夾層/中空后的鋼化玻璃受力較小，表面應(yīng)力值改變較??；（b）當(dāng)鋼化玻璃朝外凸，夾層/中空時(shí)中間間隙大，受到向內(nèi)的拉力，表面應(yīng)力值增大；（c）當(dāng)鋼化玻璃朝內(nèi)凹，夾層/中空時(shí)中間間隙小，受到向外的擠壓力，表面應(yīng)力值減小。另外，實(shí)際生產(chǎn)過程中也存在平直的鋼化玻璃夾層后出現(xiàn)彎曲，鋼化玻璃的各個(gè)位置的彎曲變形方向和程度有所區(qū)別，表面應(yīng)力值變化存在隨機(jī)性，有的位置增大，有的位置減小，有的位置不變。測量夾層前后的玻璃表面應(yīng)力值，如表4所示。從表4可以看出，當(dāng)單片鋼化玻璃弓形為1‰～2‰時(shí)，夾層后表面應(yīng)力變化最大到達(dá)13.48 MPa。

表4 鋼化玻璃夾層前后的應(yīng)力值檢測情況 MPa

2.2.2 安裝受力

玻璃產(chǎn)品安裝時(shí)靠周邊的框架或連接桿支撐，玻璃四周會(huì)受到約束力并向中間區(qū)域傳遞。這種約束力相對復(fù)雜，與玻璃的安裝方式和組裝作業(yè)有很大關(guān)系，會(huì)改變鋼化玻璃的應(yīng)力狀態(tài)，并在一定程度上引起反射影像變形。

2.2.3 風(fēng)壓及氣溫變化

幕墻玻璃會(huì)受到風(fēng)壓影響產(chǎn)生撓度變形［4］，同時(shí)氣溫變化會(huì)引起中空玻璃內(nèi)腔氣壓變化而產(chǎn)生外凸和內(nèi)凹［5］。玻璃的變形會(huì)引起表面應(yīng)力值的改變，因此，在高溫天氣或風(fēng)壓較大的情況下檢測幕墻玻璃的應(yīng)力值會(huì)存在一定程度的偏差。圖8為氣候變化對幕墻玻璃產(chǎn)生的撓度變形示意圖。

圖8 氣候變化對幕墻玻璃產(chǎn)生的撓度變形示意圖

2.3 小結(jié)

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出影響鋼化玻璃表面應(yīng)力檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的因素主要有：

（1）不同的檢測儀器誤差不同，SSM-II應(yīng)力儀測量誤差為9～15 MPa，GASP應(yīng)力儀測量誤差為3～5 MPa，GASP儀器的測量準(zhǔn)確度相對更高；

（2）不同的測量角度會(huì)影響應(yīng)力測量結(jié)果，平均差異為5.00 MPa；

（3）玻璃溫度越高應(yīng)力測量值越低，在29～94 ℃的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，玻璃溫度每升高1 ℃則應(yīng)力檢測值下降0.25 MPa；

（4）玻璃水平放置和豎直放置的應(yīng)力測量結(jié)果有差異，用SM-II應(yīng)力儀測量最大差異14 MPa，用GASP應(yīng)力儀測量的最大差異10.49 MPa；

（5）單片鋼化玻璃經(jīng)過夾層或中空后會(huì)引起表面應(yīng)力的改變，弓形為1‰～2‰，表面應(yīng)力測量值變化最大到達(dá)13.48 MPa；

（6）玻璃安裝受框架約束會(huì)引起表面應(yīng)力的改變；

（7）風(fēng)壓及氣溫變化會(huì)引起玻璃撓度形變，外凸時(shí)表面應(yīng)力變小，內(nèi)凹時(shí)表面應(yīng)力變大。

檢測儀器、測量角度、玻璃溫度、玻璃放置狀態(tài)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝、風(fēng)壓和氣溫變化都會(huì)影響到鋼化玻璃表面應(yīng)力測量結(jié)果，且玻璃安裝后的檢測環(huán)境相對于工廠的檢測環(huán)境已發(fā)生較大變化，很難精準(zhǔn)檢測玻璃表面應(yīng)力值，因此玻璃安裝后檢測結(jié)果與工廠生產(chǎn)過程檢測結(jié)果會(huì)存在較大差異。

3 安全玻璃的標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15763.2—2005［6］和GB/T 18144—2008將鋼化玻璃的應(yīng)力檢測作為推薦標(biāo)準(zhǔn)而非強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼化玻璃表面應(yīng)力應(yīng)≥90 MPa，每片檢測5個(gè)位置點(diǎn)，以算術(shù)平均值作為最終結(jié)果，即同一塊玻璃允許個(gè)別點(diǎn)存在應(yīng)力不滿足90 MPa。檢測時(shí)需將試樣水平平穩(wěn)放置，且試樣內(nèi)外溫度應(yīng)一致并與周圍的環(huán)境溫度相同。以3塊玻璃為一組，3塊全部滿足要求為合格，2塊滿足要求則再增加3塊試樣進(jìn)行檢測，全部滿足要求則判定這批玻璃合格。對于復(fù)合產(chǎn)品和安裝使用后的玻璃，在國家和行業(yè)的有關(guān)規(guī)范中沒有見到有關(guān)表面應(yīng)力的測試要求。因此，從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的角度來看，玻璃安裝后檢測玻璃的表面應(yīng)力并作為判定玻璃合格與否的依據(jù)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

行業(yè)內(nèi)判定是否為鋼化玻璃并非完全取決于玻璃表面應(yīng)力，而是依據(jù)玻璃的碎片狀態(tài)判定。鋼化玻璃，破碎后呈碎顆粒狀，避免對人身造成致命傷害，因此鋼化玻璃也稱為鋼化安全玻璃。國內(nèi)外對鋼化玻璃碎片狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致，即鋼化玻璃采用標(biāo)準(zhǔn)的破碎方式，4～12 mm平面鋼化玻璃在50 mm×50 mm的區(qū)域內(nèi)，碎片顆粒數(shù)應(yīng)不少于40粒。對于鋼化安全玻璃的表面應(yīng)力范圍界定，現(xiàn)行的各國標(biāo)準(zhǔn)差異較大，在國際上沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法，如表5所示，我國標(biāo)準(zhǔn)要求鋼化玻璃表面應(yīng)力值≥90 MPa，為最高；歐盟國家為≥75 MPa；美國和澳洲標(biāo)準(zhǔn)相同，規(guī)定鋼化玻璃應(yīng)力≥69 MPa，為最低。我國的國標(biāo)在1999年版本中應(yīng)力值為95 MPa，到2005年修訂時(shí)降低為90 MPa，也是處于一個(gè)不斷調(diào)整的過程中。

表5 各國標(biāo)準(zhǔn)對鋼化玻璃應(yīng)力值的要求

事實(shí)上，鋼化玻璃的應(yīng)力越高，自爆率越高，不但無益，反而有害。早些年，很多企業(yè)普遍沒有應(yīng)力檢測設(shè)備，靠砸試片數(shù)顆粒數(shù)來判定鋼化玻璃合格與否。另一方面，由于鋼化設(shè)備相對落后，應(yīng)力不均勻，為了確保最少顆粒數(shù)一次達(dá)標(biāo)，往往會(huì)采用大幅提高鋼化表面應(yīng)力的方式，最終也導(dǎo)致了自爆率居高不下。

孫文遷等［7］通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，當(dāng)鋼化應(yīng)力在90 MPa時(shí)，對應(yīng)的碎片數(shù)大約為52片，并且隨著鋼化玻璃表面應(yīng)力的增大，對應(yīng)的玻璃碎片數(shù)也在增多。通過大量實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果顯示對于5～12 mm的玻璃，表面應(yīng)力＞82 MPa就能滿足顆粒數(shù)要求，達(dá)到安全玻璃標(biāo)準(zhǔn)，與孫文遷等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。圖9為玻璃表面應(yīng)力與碎片數(shù)對照［7］。

圖9 玻璃表面應(yīng)力與碎片數(shù)對照［7］

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)今的加工設(shè)備和工藝技術(shù)已能夠通過過程監(jiān)控和應(yīng)力檢測將鋼化玻璃表面應(yīng)力控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，可以既滿足顆粒數(shù)要求，又避免過高的自爆率。

4 總結(jié)與建議

（1）由于玻璃安裝后，受到外力作用，且檢驗(yàn)環(huán)境發(fā)生較大改變，很難精準(zhǔn)檢測玻璃表面應(yīng)力值，導(dǎo)致檢測結(jié)果與工廠檢測的結(jié)果存在較大差異。且根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，玻璃安裝后的檢驗(yàn)環(huán)境已不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，幕墻玻璃的表面應(yīng)力檢測只能作為定性分析，即判定玻璃是否經(jīng)過鋼化處理，不能作為玻璃合格與否的判定依據(jù)。

（2）鋼化玻璃過高的表面應(yīng)力將導(dǎo)致自爆率偏高，工廠生產(chǎn)鋼化玻璃時(shí)應(yīng)將鋼化應(yīng)力控制在合理的范圍內(nèi)，建議不超過110 MPa。

（3）隨著國家和人們對安全的重視程度提高，半鋼化夾層玻璃由于沒有自爆和碎片墜落風(fēng)險(xiǎn)，可取代鋼化玻璃。目前沿海地區(qū)一線城市多采用半鋼化夾層中空節(jié)能玻璃，但內(nèi)陸城市和地區(qū)使用比例較低，有待國家、地方和行業(yè)的推廣。