论文部分内容阅读
【摘 要】 本文介绍了几种建筑玻璃的生产工艺及特性，并从安全的角度讨论了高层建筑玻璃幕墙上安全玻璃的选择原则。
【关键词】 玻璃幕墙；钢化玻璃；半钢化玻璃；夹层玻璃；自爆
【中图分类号】 TU532.65 【文献标识码】 D 【文章编号】 1727-5123（2012）03-135-02
１ 引言
随着使用年限的增长，玻璃幕墙的隐患逐渐暴露出来，除了光污染，玻璃幕墙的自爆、脱落都成为城市的安全隐患，而目前国家允许的钢化玻璃自爆率为３‰。虽然目前建筑玻璃的质量和强度都有足够的保障，但毕竟玻璃的抗震性和抗变形能力都有欠缺，一旦遇到台风、飓风、地震、冰雹、温差急速变化等，均有可能会导致安全事件。自２００４年１月１日起施行的《建筑安全玻璃管理规定》规定：“建筑物需要以玻璃作为建筑材料的下列部位必须使用安全玻璃：７层及７层以上建筑物外开窗、幕墙（全玻幕墙除外）”，同时规定“本规定所称安全玻璃，是指符合现行国家标准的钢化玻璃、夹层玻璃及由钢化玻璃或夹层玻璃组合加工而成的其他玻璃制品，如安全中空玻璃等”，旨在规范建筑玻璃的使用。
２ 建筑幕墙常用玻璃简述
建筑幕墙常用玻璃包括钢化玻璃、半钢化玻璃及其组合而成的夹层玻璃、中空玻璃等。
２．１ 钢化玻璃。钢化玻璃是将浮法玻璃在钢化炉中均匀加热至６２０℃，使之轻度软化膨胀，再在其表面吹冷空气使之迅速冷却，使其表面产生压应力，强度设计值和耐冲击性能大幅提高，是普通玻璃的３～５倍，并且玻璃破碎后成小颗粒状。
２．２ 半钢化玻璃。半钢化玻璃制作的热处理过程与钢化玻璃类似，只是冷却方法不同，吹风强度降低，冷却时间长。其机械性能也有较大提高，破碎时会有大的碎片和放射状的裂纹，与普通玻璃的破碎状态类似，但碎片一般没有锋利的尖角。单片半钢化玻璃不是安全玻璃。
２．３ 夹层玻璃。夹层玻璃是由一层玻璃与另外一层或多层玻璃及塑料膜中间层而成的玻璃制品。幕墙用的夹层玻璃中间层通常采用ＰＶＢ或ＥＶＡ膜。
２．４ 中空玻璃。中空玻璃是由两片或多片玻璃以有效支撑均匀隔开并周边粘结密封，使玻璃层间形成有干燥气体空间的制品。
３ 高层建筑铝合金幕墙用玻璃比较
３．１ 应力特性与破碎概率。《幕墙用钢化与半钢化玻璃》（ＧＢ１７８４１－１９９９）要求钢化玻璃其表面应力不应小于９５ＭＰａ；半钢化玻璃表面应力值在２４～６９ＭＰａ之间。美国ＡＳＴＭ标准Ｃ１０４８规定：钢化玻璃为６９Ｍｐａ以上、半钢化玻璃为２４～５２Ｍｐａ。玻璃钢化程度越高，表面应力值越大，材料强度值就越大，破碎后颗粒也越小。
３．１．１ 自爆是钢化玻璃的固有特性之一，所谓自爆，即是钢化玻璃在无直接机械外力作用下发生的自动性炸裂，普通钢化玻璃的自爆率在１～３‰左右。自爆可能在几个月内发生，也可能在几年甚至十几年后发生。
３．１．２ 产生自爆的原因。
３．１．２．１ 玻璃质量缺陷的影响。首先，玻璃中有结石、杂质，气泡：玻璃中有杂质是钢化玻璃的薄弱点，也是应力集中处。特别是结石若处在钢化玻璃的张应力区是导致炸裂的重要因素。结石存在于玻璃中，与玻璃体有着不同的膨胀系数。玻璃钢化后结石周围裂纹区域的应力集中成倍地增加。当结石膨胀系数小于玻璃，结石周围的切向应力处于受拉状态。伴随结石而存在的裂纹扩展极易发生。其次，玻璃中含有硫化镍结晶物。硫化镍夹杂物一般以结晶的小球体存在，直径在０．１～２ｍｍ。外表呈金属状，这些杂夹物是Ｎｉ７Ｓ６、ＮｉＳ、ＮｉＳ１．０１。最后，玻璃表面因加工过程或操作不当造成有划痕、炸口、深爆边等缺陷，易造成应力集中或导致钢化玻璃自爆。
３．１．２．２ 钢化玻璃中应力分布不均匀、偏移。玻璃在加热或冷却时沿玻璃厚度方向产生的温度梯度不均匀、不对称。使钢化制品有自爆的趋向，有的在激冷时就产生“风爆”。如果张应力区偏移到制品的某一边或者偏移到表面则钢化玻璃形成自爆。
３．１．２．３ 钢化程度的影响，实验证明，当钢化程度提高到１级／cm时自爆数达２０～２５％。由此可见应力越大钢化程度越高，自爆量也越大。
３．２ 破碎特性。钢化玻璃的自爆没有征兆，十分突然，并且破碎后成小颗粒状，在风荷载作用下容易洒落，残余强度较低，所以路人较难有时间躲闪。有些玻璃碎片散落在地面的距离达１０ｍ宽。钢化玻璃的表面应力为２．８～４．８ＭＰａ时，玻璃破碎后碎片相对较大，与普通浮法玻璃的破碎状态类似，碎片趋于相互锁在一起并保持在玻璃框上，尤其是玻璃四边是用结构胶粘结在框上的构造更是如此，残余强度较大，路人通常有时间避让，工程人员也有时间维修。
３．３ 经济性。钢化玻璃若自爆后需要成本进行维修，更让人头疼的是玻璃自爆后洒落地面时可能带来的意外伤害，以及维修前室外风雨给房间内可能带来的损坏。为了降低钢化玻璃的自爆率，可以采用如下方案：
３．３．１ 降低钢化玻璃的应力值。钢化玻璃中应力的分布是钢化玻璃的两个表面为压应力，板芯层处于张应力，在玻璃厚度上应力分布类似抛物线。玻璃厚度的中央是抛物线的顶点，即张应力最大处；两侧接近玻璃两表面处是压应力；零应力面大约位于厚度的１／３处。通过分析钢化急冷的物理过程，可知钢化玻璃表面张力和内部的最大张应力在数值上有粗略的比例关系，即张应力是压应力的１／２～１／３。国内厂家一般将钢化玻璃表面压应力设定在１００ＭＰａ左右，实际情况可能更高一些。钢化玻璃自身的张应力约为３２～４６ＭＰａ，玻璃的抗张强度是５９～６２ＭＰａ，只要硫化镍膨胀产生的张应力在３０ＭＰａ，则足以引发自爆。若降低其表面应力，相应地会降低钢化玻璃本身自有的张应力，从而有助于减少自爆的发生。
美国标准ＡＳＴＭＣ１０４８中规定钢化玻璃的表面应力范围为大于６９ＭＰａ；半钢化（热增强）玻璃为２４～５２ＭＰａ。幕墙玻璃标准ＢＧ１７８４１则规定为半钢化应力范围为２４～６９ＭＰａ。新国家标准ＧＢ１５７６３．２－２００５《建筑用安全玻璃第２部分：钢化玻璃》要求其表面应力不应小于９０ＭＰａ，这比此前老标准中规定的９５ＭＰａ降低了５ＭＰａ，有利于减少自爆。 ３．３．２ 使玻璃的应力均匀一致。钢化玻璃的应力不均，会明显增大自爆率，已经到了不容忽视的程度。应力不均引发的自爆有时表现得非常集中，特别是弯钢化玻璃的某具体批次的自爆率会达到令人震惊的严重程度，且可能连续发生自爆。其原因主要是局部应力不均和张力层在厚度方向的偏移，玻璃原片自身质量也有一定的影响。应力不均会大幅降低玻璃的强度，在一定程度上相当于提高了内部的张应力，从而自爆率提高了。如果能使钢化玻璃的应力均匀分布，则可有效降低自爆率。
３．３．３ 热浸处理。热浸处理又称均质处理，俗称“引爆”。热浸处理是将钢化玻璃加热到２９０℃±１０℃，并保温一定时间，促使硫化镍在钢化玻璃中快速完成晶相转变，让原本使用后才可能自爆的钢化玻璃人为地提前破碎在工厂的热浸炉中，从而减少安装后使用中的钢化玻璃自爆。该方法一般用热风作为加热的介质。
热浸难点。从原理上看，热浸处理既不复杂，也无难度。但实际上达到这一工艺指标非常不易。研究显示，玻璃中硫化镍的具体化学结构式有多种，如Ｎｉ７Ｓ６、ＮｉＳ、ＮｉＳ１．０１等，不但各种成分的比例不等，而且可能掺杂其他元素。其相变快慢高度依赖于温度的高低。研究表明，２８０℃时的相变速率是２５０℃时的１００倍，因此必须确保炉内的各块玻璃经历同样的温度制度。否则一方面温度低的玻璃因保温时间不够，硫化镍不能完全相变，减弱了热浸的功效。另一方面，当玻璃温度太高时，甚至会引起硫化镍逆向相变，造成更大的隐患。这两种情况都会导致热浸处理劳而无功甚至适得其反。热浸炉工作时温度的均匀性是如此的重要，而三年前多数国产热浸炉热浸保温时炉内的温差甚至达到６０℃，国外引进炉存在３０℃左右的温差也不少见。所以有的钢化玻璃虽经热浸处理，自爆率依然居高不下。
尽管热浸处理不能保证绝对不发生自爆，但确实降低了自爆的发生，实实在在地解决了困扰工程各方的自爆问题。所以热浸是世界上一致认可的彻底解决自爆问题的最有效方法。
半钢化玻璃由于通常不自爆而一般不存在上述问题。
由于玻璃钢化和半钢化的价格基本一样，有人可能希望通过提高玻璃的强度值来降低玻璃的厚度，但实际上，在很多工程中，幕墙的分格尺寸都比较大，使得玻璃的厚度是由挠度而不是强度来控制，此时玻璃的高强度值并不会减少玻璃的厚度，节省材料。
3.4 美观性。虽然《幕墙用钢化与半钢化玻璃》（GB17841-1999）中规定钢化和半钢化玻璃的弯曲度相同，但由于两种玻璃热处理后的冷却方法不一样，实际得到的弯曲度也不一样。钢化玻璃的冷却方法是在其表面吹冷空气使之迅速冷却，而半钢化玻璃冷却时的吹风强度大为降低，冷却时间较长，因此弓形和波形都比钢化玻璃好，镀上金属膜形成热反射玻璃或低辐射玻璃后平整度更好，外观效果更理想。
4 实际应用
钢化玻璃和半钢化玻璃在国内外很多建筑幕墙都使用过，但香港和国外工程在高层建筑幕墙上更趋向于采用半钢化玻璃和其制成的中空玻璃，如上海金茂大厦、香港金融中心二期和美国西尔斯大厦。而且现在更多地采用半钢化玻璃制成的夹层中空玻璃，玻璃破碎后有更大的残余强度，一般情况不会坠落。香港廉政公署新办公大楼，大面幕墙采用半钢化夹胶中空玻璃，并特意在局部采用钢化玻璃，并设置明显标志，以便在发生紧急情况时室内外的人员可以敲碎此处玻璃进行逃生和营救。因此建议在建筑上的一般部位采用半钢化玻璃及其组合的夹层中空玻璃；在易遭受撞击、冲击而造成人体伤害的部位，如门和标高在5m以下的玻璃拦板，选用应力大于90Mpa的钢化玻璃及其组合玻璃。玻璃幕墙下应设置绿化带或雨蓬，防止路人靠近。总之，设计以人为本，应该根据实际情况采用更安全的材料。
参考文献
1 建筑安全玻璃管理规定.发改运行[2003]2116号
2 玻璃幕墙工程技术规范.JGJ102～2003.中国建筑工业出版社，2003
3 建筑玻璃应用技术规程.JGJ 113～2009
4 建筑用安全玻璃(第2部分)：钢化玻璃.GB15763.2-2005
【关键词】 玻璃幕墙；钢化玻璃；半钢化玻璃；夹层玻璃；自爆
【中图分类号】 TU532.65 【文献标识码】 D 【文章编号】 1727-5123（2012）03-135-02
１ 引言
随着使用年限的增长，玻璃幕墙的隐患逐渐暴露出来，除了光污染，玻璃幕墙的自爆、脱落都成为城市的安全隐患，而目前国家允许的钢化玻璃自爆率为３‰。虽然目前建筑玻璃的质量和强度都有足够的保障，但毕竟玻璃的抗震性和抗变形能力都有欠缺，一旦遇到台风、飓风、地震、冰雹、温差急速变化等，均有可能会导致安全事件。自２００４年１月１日起施行的《建筑安全玻璃管理规定》规定：“建筑物需要以玻璃作为建筑材料的下列部位必须使用安全玻璃：７层及７层以上建筑物外开窗、幕墙（全玻幕墙除外）”，同时规定“本规定所称安全玻璃，是指符合现行国家标准的钢化玻璃、夹层玻璃及由钢化玻璃或夹层玻璃组合加工而成的其他玻璃制品，如安全中空玻璃等”，旨在规范建筑玻璃的使用。
２ 建筑幕墙常用玻璃简述
建筑幕墙常用玻璃包括钢化玻璃、半钢化玻璃及其组合而成的夹层玻璃、中空玻璃等。
２．１ 钢化玻璃。钢化玻璃是将浮法玻璃在钢化炉中均匀加热至６２０℃，使之轻度软化膨胀，再在其表面吹冷空气使之迅速冷却，使其表面产生压应力，强度设计值和耐冲击性能大幅提高，是普通玻璃的３～５倍，并且玻璃破碎后成小颗粒状。
２．２ 半钢化玻璃。半钢化玻璃制作的热处理过程与钢化玻璃类似，只是冷却方法不同，吹风强度降低，冷却时间长。其机械性能也有较大提高，破碎时会有大的碎片和放射状的裂纹，与普通玻璃的破碎状态类似，但碎片一般没有锋利的尖角。单片半钢化玻璃不是安全玻璃。
２．３ 夹层玻璃。夹层玻璃是由一层玻璃与另外一层或多层玻璃及塑料膜中间层而成的玻璃制品。幕墙用的夹层玻璃中间层通常采用ＰＶＢ或ＥＶＡ膜。
２．４ 中空玻璃。中空玻璃是由两片或多片玻璃以有效支撑均匀隔开并周边粘结密封，使玻璃层间形成有干燥气体空间的制品。
３ 高层建筑铝合金幕墙用玻璃比较
３．１ 应力特性与破碎概率。《幕墙用钢化与半钢化玻璃》（ＧＢ１７８４１－１９９９）要求钢化玻璃其表面应力不应小于９５ＭＰａ；半钢化玻璃表面应力值在２４～６９ＭＰａ之间。美国ＡＳＴＭ标准Ｃ１０４８规定：钢化玻璃为６９Ｍｐａ以上、半钢化玻璃为２４～５２Ｍｐａ。玻璃钢化程度越高，表面应力值越大，材料强度值就越大，破碎后颗粒也越小。
３．１．１ 自爆是钢化玻璃的固有特性之一，所谓自爆，即是钢化玻璃在无直接机械外力作用下发生的自动性炸裂，普通钢化玻璃的自爆率在１～３‰左右。自爆可能在几个月内发生，也可能在几年甚至十几年后发生。
３．１．２ 产生自爆的原因。
３．１．２．１ 玻璃质量缺陷的影响。首先，玻璃中有结石、杂质，气泡：玻璃中有杂质是钢化玻璃的薄弱点，也是应力集中处。特别是结石若处在钢化玻璃的张应力区是导致炸裂的重要因素。结石存在于玻璃中，与玻璃体有着不同的膨胀系数。玻璃钢化后结石周围裂纹区域的应力集中成倍地增加。当结石膨胀系数小于玻璃，结石周围的切向应力处于受拉状态。伴随结石而存在的裂纹扩展极易发生。其次，玻璃中含有硫化镍结晶物。硫化镍夹杂物一般以结晶的小球体存在，直径在０．１～２ｍｍ。外表呈金属状，这些杂夹物是Ｎｉ７Ｓ６、ＮｉＳ、ＮｉＳ１．０１。最后，玻璃表面因加工过程或操作不当造成有划痕、炸口、深爆边等缺陷，易造成应力集中或导致钢化玻璃自爆。
３．１．２．２ 钢化玻璃中应力分布不均匀、偏移。玻璃在加热或冷却时沿玻璃厚度方向产生的温度梯度不均匀、不对称。使钢化制品有自爆的趋向，有的在激冷时就产生“风爆”。如果张应力区偏移到制品的某一边或者偏移到表面则钢化玻璃形成自爆。
３．１．２．３ 钢化程度的影响，实验证明，当钢化程度提高到１级／cm时自爆数达２０～２５％。由此可见应力越大钢化程度越高，自爆量也越大。
３．２ 破碎特性。钢化玻璃的自爆没有征兆，十分突然，并且破碎后成小颗粒状，在风荷载作用下容易洒落，残余强度较低，所以路人较难有时间躲闪。有些玻璃碎片散落在地面的距离达１０ｍ宽。钢化玻璃的表面应力为２．８～４．８ＭＰａ时，玻璃破碎后碎片相对较大，与普通浮法玻璃的破碎状态类似，碎片趋于相互锁在一起并保持在玻璃框上，尤其是玻璃四边是用结构胶粘结在框上的构造更是如此，残余强度较大，路人通常有时间避让，工程人员也有时间维修。
３．３ 经济性。钢化玻璃若自爆后需要成本进行维修，更让人头疼的是玻璃自爆后洒落地面时可能带来的意外伤害，以及维修前室外风雨给房间内可能带来的损坏。为了降低钢化玻璃的自爆率，可以采用如下方案：
３．３．１ 降低钢化玻璃的应力值。钢化玻璃中应力的分布是钢化玻璃的两个表面为压应力，板芯层处于张应力，在玻璃厚度上应力分布类似抛物线。玻璃厚度的中央是抛物线的顶点，即张应力最大处；两侧接近玻璃两表面处是压应力；零应力面大约位于厚度的１／３处。通过分析钢化急冷的物理过程，可知钢化玻璃表面张力和内部的最大张应力在数值上有粗略的比例关系，即张应力是压应力的１／２～１／３。国内厂家一般将钢化玻璃表面压应力设定在１００ＭＰａ左右，实际情况可能更高一些。钢化玻璃自身的张应力约为３２～４６ＭＰａ，玻璃的抗张强度是５９～６２ＭＰａ，只要硫化镍膨胀产生的张应力在３０ＭＰａ，则足以引发自爆。若降低其表面应力，相应地会降低钢化玻璃本身自有的张应力，从而有助于减少自爆的发生。
美国标准ＡＳＴＭＣ１０４８中规定钢化玻璃的表面应力范围为大于６９ＭＰａ；半钢化（热增强）玻璃为２４～５２ＭＰａ。幕墙玻璃标准ＢＧ１７８４１则规定为半钢化应力范围为２４～６９ＭＰａ。新国家标准ＧＢ１５７６３．２－２００５《建筑用安全玻璃第２部分：钢化玻璃》要求其表面应力不应小于９０ＭＰａ，这比此前老标准中规定的９５ＭＰａ降低了５ＭＰａ，有利于减少自爆。 ３．３．２ 使玻璃的应力均匀一致。钢化玻璃的应力不均，会明显增大自爆率，已经到了不容忽视的程度。应力不均引发的自爆有时表现得非常集中，特别是弯钢化玻璃的某具体批次的自爆率会达到令人震惊的严重程度，且可能连续发生自爆。其原因主要是局部应力不均和张力层在厚度方向的偏移，玻璃原片自身质量也有一定的影响。应力不均会大幅降低玻璃的强度，在一定程度上相当于提高了内部的张应力，从而自爆率提高了。如果能使钢化玻璃的应力均匀分布，则可有效降低自爆率。
３．３．３ 热浸处理。热浸处理又称均质处理，俗称“引爆”。热浸处理是将钢化玻璃加热到２９０℃±１０℃，并保温一定时间，促使硫化镍在钢化玻璃中快速完成晶相转变，让原本使用后才可能自爆的钢化玻璃人为地提前破碎在工厂的热浸炉中，从而减少安装后使用中的钢化玻璃自爆。该方法一般用热风作为加热的介质。
热浸难点。从原理上看，热浸处理既不复杂，也无难度。但实际上达到这一工艺指标非常不易。研究显示，玻璃中硫化镍的具体化学结构式有多种，如Ｎｉ７Ｓ６、ＮｉＳ、ＮｉＳ１．０１等，不但各种成分的比例不等，而且可能掺杂其他元素。其相变快慢高度依赖于温度的高低。研究表明，２８０℃时的相变速率是２５０℃时的１００倍，因此必须确保炉内的各块玻璃经历同样的温度制度。否则一方面温度低的玻璃因保温时间不够，硫化镍不能完全相变，减弱了热浸的功效。另一方面，当玻璃温度太高时，甚至会引起硫化镍逆向相变，造成更大的隐患。这两种情况都会导致热浸处理劳而无功甚至适得其反。热浸炉工作时温度的均匀性是如此的重要，而三年前多数国产热浸炉热浸保温时炉内的温差甚至达到６０℃，国外引进炉存在３０℃左右的温差也不少见。所以有的钢化玻璃虽经热浸处理，自爆率依然居高不下。
尽管热浸处理不能保证绝对不发生自爆，但确实降低了自爆的发生，实实在在地解决了困扰工程各方的自爆问题。所以热浸是世界上一致认可的彻底解决自爆问题的最有效方法。
半钢化玻璃由于通常不自爆而一般不存在上述问题。
由于玻璃钢化和半钢化的价格基本一样，有人可能希望通过提高玻璃的强度值来降低玻璃的厚度，但实际上，在很多工程中，幕墙的分格尺寸都比较大，使得玻璃的厚度是由挠度而不是强度来控制，此时玻璃的高强度值并不会减少玻璃的厚度，节省材料。
3.4 美观性。虽然《幕墙用钢化与半钢化玻璃》（GB17841-1999）中规定钢化和半钢化玻璃的弯曲度相同，但由于两种玻璃热处理后的冷却方法不一样，实际得到的弯曲度也不一样。钢化玻璃的冷却方法是在其表面吹冷空气使之迅速冷却，而半钢化玻璃冷却时的吹风强度大为降低，冷却时间较长，因此弓形和波形都比钢化玻璃好，镀上金属膜形成热反射玻璃或低辐射玻璃后平整度更好，外观效果更理想。
4 实际应用
钢化玻璃和半钢化玻璃在国内外很多建筑幕墙都使用过，但香港和国外工程在高层建筑幕墙上更趋向于采用半钢化玻璃和其制成的中空玻璃，如上海金茂大厦、香港金融中心二期和美国西尔斯大厦。而且现在更多地采用半钢化玻璃制成的夹层中空玻璃，玻璃破碎后有更大的残余强度，一般情况不会坠落。香港廉政公署新办公大楼，大面幕墙采用半钢化夹胶中空玻璃，并特意在局部采用钢化玻璃，并设置明显标志，以便在发生紧急情况时室内外的人员可以敲碎此处玻璃进行逃生和营救。因此建议在建筑上的一般部位采用半钢化玻璃及其组合的夹层中空玻璃；在易遭受撞击、冲击而造成人体伤害的部位，如门和标高在5m以下的玻璃拦板，选用应力大于90Mpa的钢化玻璃及其组合玻璃。玻璃幕墙下应设置绿化带或雨蓬，防止路人靠近。总之，设计以人为本，应该根据实际情况采用更安全的材料。
参考文献
1 建筑安全玻璃管理规定.发改运行[2003]2116号
2 玻璃幕墙工程技术规范.JGJ102～2003.中国建筑工业出版社，2003
3 建筑玻璃应用技术规程.JGJ 113～2009
4 建筑用安全玻璃(第2部分)：钢化玻璃.GB15763.2-2005