一、前 言
中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)幕墻工程委員會(huì)受建設(shè)部委托，對(duì)北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門、溫州１０個(gè)城市進(jìn)行了既有幕墻安全狀況調(diào)查，調(diào)查樣本的選取是在１０個(gè)城市自檢自查基礎(chǔ)上，由城市建設(shè)行政主管部門推薦提供的１２０項(xiàng)既有建筑幕墻項(xiàng)目，在本次調(diào)查中，幕墻玻璃破損４３７塊。全玻幕墻此次調(diào)查有１７項(xiàng)，其中１０項(xiàng)發(fā)現(xiàn)大玻璃碎裂，共計(jì)６８塊，玻璃肋斷裂３塊，還發(fā)現(xiàn)很多玻璃幕墻無肋玻璃。中空玻璃漏氣１８０塊，鍍膜玻璃脫膜現(xiàn)象個(gè)別城市也比較多。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了９項(xiàng)有重要隱患的幕墻工程，占調(diào)查項(xiàng)目總數(shù)的９．３８％． 如果去掉鋼化玻璃自爆破裂，比例下降到２．３％。幕墻門窗采用鋼化玻璃致使玻璃幕墻和門窗的玻璃破裂事故居高不下，改變這種狀況已迫在眉捷。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)、外幕墻和門窗的玻璃破裂事故的分析，建議幕墻及門窗應(yīng)采用防飛散玻璃。
二、鋼化玻璃自爆及其分類
1、鋼化玻璃自爆分類
從鋼化玻璃誕生開始，就伴隨著自爆問題。鋼化玻璃自爆可以表述為鋼化玻璃在無外部直接作用的情況下而自動(dòng)發(fā)生破碎的現(xiàn)象。在鋼化加工、貯存、運(yùn)輸、安裝、使用等過程中均可發(fā)生鋼化玻璃自爆。自爆按起因不同可分為兩種：
一是由玻璃中可見缺陷引起的自爆，例如結(jié)石、砂粒、氣泡、夾雜物、缺口、劃傷、爆邊等；
二是由玻璃中硫化鎳（ＮｉＳ）雜質(zhì)和異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。Ｂａｌｌａｎｔｙｎｅ于１９６１年首次提出鋼化玻璃自爆的硫化鎳機(jī)制。Ｂｏｒｄｅａｕｘ和Ｋａｓｐｅｒ通過對(duì)２５０例自爆的研究，發(fā)現(xiàn)引起自爆的硫化鎳直徑在０．０４～０．６５ ｍｍ之間，平均粒徑為０．２ｍｍ。新發(fā)現(xiàn)異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。
這是兩種不同類型的自爆，應(yīng)明確分類，區(qū)別對(duì)待，采用不同方法來應(yīng)對(duì)和處理。前者一般目視可見，檢測(cè)相對(duì)容易，故生產(chǎn)中可控。后者則主要由玻璃中微小的硫化鎳顆粒體積膨脹引發(fā)，無法目測(cè)檢驗(yàn)，故不可控。在實(shí)際運(yùn)作和處理上，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無法檢驗(yàn)而繼續(xù)存在，成為使用中的鋼化玻璃自爆的主要因素。
2、不可控鋼化玻璃自爆的特點(diǎn)
鋼化玻璃原因不清自爆的問題，責(zé)任難明。自爆時(shí)間沒有確定性，可能是剛出爐，也可能是出廠后１～２月，也有出廠１～２年才自爆的，引起鋼化玻璃較多自爆的時(shí)間可能是產(chǎn)品生產(chǎn)完成后的４～５年。據(jù)不完全了解，大部份廠家產(chǎn)品的概率是３‰左右的自爆率；個(gè)別廠家產(chǎn)品的概率可能還要高。鋼化玻璃自爆的根本原因是因?yàn)椴Ａе泻辛蚧嚰爱愘|(zhì)相顆粒雜質(zhì)，雜質(zhì)是如何混入的現(xiàn)還未根本查清，玻璃中是如何混入鎳的，可能的來源是設(shè)備上使用的各種含鎳合金部件及窯爐上使用的各種耐熱合金。對(duì)于燒油的熔窯，曾報(bào)道在小爐中發(fā)現(xiàn)富鎳的凝結(jié)物。硫毫無疑問來源于配合料中及燃料中的含硫成份。當(dāng)溫度超過１０００℃時(shí)，硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中，這些小液滴的固化溫度為７９７℃。１克硫化鎳就能生成約１０００個(gè)直徑為０．１５ｍｍ的小結(jié)石。硫化鎳可以在生產(chǎn)完成后任何時(shí)候發(fā)生，故現(xiàn)在還不能完全杜絕，至今無有效地防止辦法稱為“玻璃幕墻的癌癥”。
“玻璃幕墻的癌癥”。建筑師福斯特最早稱：硫化鎳雜質(zhì)引起的鋼化玻璃自爆為“玻璃幕墻的癌癥”，斯特事務(wù)所設(shè)計(jì)的倫敦市政廳幾塊從地板到天花板高度的玻璃破裂。這座市政廳靠近倫敦塔橋，全部用玻璃做覆面，承包商不得不著手檢查所有的內(nèi)部玻璃。大倫敦市議會(huì)發(fā)言人說，根據(jù)初步調(diào)查，問題出在玻璃含有鎳硫化物上，也就是說，在建造過程中玻璃被鎳元素污染，鎳和玻璃中的硫化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，造成破裂。硫化鎳類自爆后更換難度大，處理費(fèi)用高，同時(shí)會(huì)伴隨較大的質(zhì)量投訴及經(jīng)濟(jì)損失，造成業(yè)主的不滿甚至更為嚴(yán)重的其他后果。稱之為“玻璃幕墻的癌癥”。
三、鋼化玻璃自爆率及自爆原因
1、自爆率
國(guó)內(nèi)的自爆率各生產(chǎn)廠家并不一致，從３％～０．３％不等。一般自爆率是按片數(shù)為單位計(jì)算的，沒有考慮單片玻璃的面積大小和玻璃厚度，所以不夠準(zhǔn)確，也無法進(jìn)行更科學(xué)的相互比較。為統(tǒng)一測(cè)算自爆率，必須確定統(tǒng)一的假設(shè)。定出統(tǒng)一的條件：每５～８噸玻璃含有一個(gè)足以引發(fā)自爆的硫化鎳；每片鋼化玻璃的面積平均為１．８㎡；硫化鎳均勻分布。則計(jì)算出６ｍｍ厚的鋼化玻璃計(jì)算自爆率為０．３４％～０．５４％，即６ｍｍ鋼化玻璃的自爆率約為３‰～５‰。這與國(guó)內(nèi)高水平加工企業(yè)的實(shí)際值基本吻合。
即使完全按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，也不能徹底避免鋼化玻璃自爆。大型建筑物輕易就會(huì)用上幾百噸玻璃，這意味著玻璃中硫化鎳和異質(zhì)相雜質(zhì)存在的幾率很大，所以鋼化玻璃雖經(jīng)熱浸處理，自爆依然不可避免。
2、鋼化玻璃不可控自爆的原因－硫化鎳（ＮｉＳ）及異質(zhì)相顆粒
鋼化玻璃不可控自爆的來源不僅是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的ＮｉＳ微粒，還有許多其它異質(zhì)相顆粒。
玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展主要是由于在顆粒附近處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的。
這類應(yīng)力可分為兩類，一類是相變膨脹過程中的相變應(yīng)力，另一類是由熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
硫化鎳（ＮｉＳ）及異質(zhì)相顆粒。玻璃內(nèi)部包含硫化鎳雜質(zhì)，以小水晶狀態(tài)存在，在一般情況下，不會(huì)造成玻璃破損，但是由于鋼化玻璃重新加熱，改變了硫化鎳雜質(zhì)的相態(tài)，硫化鎳的高溫α態(tài)在玻璃急冷時(shí)被凍結(jié)，他們?cè)诨謴?fù)到β態(tài)可能需要幾年的時(shí)間，由于低溫β態(tài)的硫化鎳雜質(zhì)將產(chǎn)生體積增大，在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，這時(shí)鋼化玻璃自爆將發(fā)生。然而，僅僅比較大的雜質(zhì)將引起自爆，而且僅僅當(dāng)雜質(zhì)在拉應(yīng)力的核心部位時(shí)才能發(fā)生鋼化玻璃自爆。ＮｉＳ是一種晶體，存在二種晶相： 高溫相α－ＮｉＳ和低溫相β－ＮｉＳ，相變溫度為３７９℃，玻璃在鋼化爐內(nèi)加熱時(shí)，因加熱溫度遠(yuǎn)高于相變溫度，ＮｉＳ全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。然而在隨后的淬冷過程中，α－ＮｉＳ來不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢危椋?，從而被凍結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下，α－ＮｉＳ是不穩(wěn)定的，有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢危椋拥内厔?shì)。這種轉(zhuǎn)變伴隨著約２～４％的體積膨脹，使玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力，從而導(dǎo)致自爆。典型的ＮｉＳ引起的自爆碎片見圖１。圖２是從自爆后玻璃碎片中提取的ＮｉＳ 結(jié)石的掃描電鏡照片，其表面起伏不平、非常粗糙。
異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。破裂源處玻璃碎片的橫截面照片，顯示一個(gè)球形微小顆粒引起的首次開裂痕跡與二次碎裂的邊界區(qū)
中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)幕墻工程委員會(huì)受建設(shè)部委托，對(duì)北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門、溫州１０個(gè)城市進(jìn)行了既有幕墻安全狀況調(diào)查，調(diào)查樣本的選取是在１０個(gè)城市自檢自查基礎(chǔ)上，由城市建設(shè)行政主管部門推薦提供的１２０項(xiàng)既有建筑幕墻項(xiàng)目，在本次調(diào)查中，幕墻玻璃破損４３７塊。全玻幕墻此次調(diào)查有１７項(xiàng)，其中１０項(xiàng)發(fā)現(xiàn)大玻璃碎裂，共計(jì)６８塊，玻璃肋斷裂３塊，還發(fā)現(xiàn)很多玻璃幕墻無肋玻璃。中空玻璃漏氣１８０塊，鍍膜玻璃脫膜現(xiàn)象個(gè)別城市也比較多。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了９項(xiàng)有重要隱患的幕墻工程，占調(diào)查項(xiàng)目總數(shù)的９．３８％． 如果去掉鋼化玻璃自爆破裂，比例下降到２．３％。幕墻門窗采用鋼化玻璃致使玻璃幕墻和門窗的玻璃破裂事故居高不下，改變這種狀況已迫在眉捷。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)、外幕墻和門窗的玻璃破裂事故的分析，建議幕墻及門窗應(yīng)采用防飛散玻璃。
二、鋼化玻璃自爆及其分類
1、鋼化玻璃自爆分類
從鋼化玻璃誕生開始，就伴隨著自爆問題。鋼化玻璃自爆可以表述為鋼化玻璃在無外部直接作用的情況下而自動(dòng)發(fā)生破碎的現(xiàn)象。在鋼化加工、貯存、運(yùn)輸、安裝、使用等過程中均可發(fā)生鋼化玻璃自爆。自爆按起因不同可分為兩種：
一是由玻璃中可見缺陷引起的自爆，例如結(jié)石、砂粒、氣泡、夾雜物、缺口、劃傷、爆邊等；
二是由玻璃中硫化鎳（ＮｉＳ）雜質(zhì)和異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。Ｂａｌｌａｎｔｙｎｅ于１９６１年首次提出鋼化玻璃自爆的硫化鎳機(jī)制。Ｂｏｒｄｅａｕｘ和Ｋａｓｐｅｒ通過對(duì)２５０例自爆的研究，發(fā)現(xiàn)引起自爆的硫化鎳直徑在０．０４～０．６５ ｍｍ之間，平均粒徑為０．２ｍｍ。新發(fā)現(xiàn)異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。
這是兩種不同類型的自爆，應(yīng)明確分類，區(qū)別對(duì)待，采用不同方法來應(yīng)對(duì)和處理。前者一般目視可見，檢測(cè)相對(duì)容易，故生產(chǎn)中可控。后者則主要由玻璃中微小的硫化鎳顆粒體積膨脹引發(fā)，無法目測(cè)檢驗(yàn)，故不可控。在實(shí)際運(yùn)作和處理上，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無法檢驗(yàn)而繼續(xù)存在，成為使用中的鋼化玻璃自爆的主要因素。
2、不可控鋼化玻璃自爆的特點(diǎn)
鋼化玻璃原因不清自爆的問題，責(zé)任難明。自爆時(shí)間沒有確定性，可能是剛出爐，也可能是出廠后１～２月，也有出廠１～２年才自爆的，引起鋼化玻璃較多自爆的時(shí)間可能是產(chǎn)品生產(chǎn)完成后的４～５年。據(jù)不完全了解，大部份廠家產(chǎn)品的概率是３‰左右的自爆率；個(gè)別廠家產(chǎn)品的概率可能還要高。鋼化玻璃自爆的根本原因是因?yàn)椴Ａе泻辛蚧嚰爱愘|(zhì)相顆粒雜質(zhì)，雜質(zhì)是如何混入的現(xiàn)還未根本查清，玻璃中是如何混入鎳的，可能的來源是設(shè)備上使用的各種含鎳合金部件及窯爐上使用的各種耐熱合金。對(duì)于燒油的熔窯，曾報(bào)道在小爐中發(fā)現(xiàn)富鎳的凝結(jié)物。硫毫無疑問來源于配合料中及燃料中的含硫成份。當(dāng)溫度超過１０００℃時(shí)，硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中，這些小液滴的固化溫度為７９７℃。１克硫化鎳就能生成約１０００個(gè)直徑為０．１５ｍｍ的小結(jié)石。硫化鎳可以在生產(chǎn)完成后任何時(shí)候發(fā)生，故現(xiàn)在還不能完全杜絕，至今無有效地防止辦法稱為“玻璃幕墻的癌癥”。
“玻璃幕墻的癌癥”。建筑師福斯特最早稱：硫化鎳雜質(zhì)引起的鋼化玻璃自爆為“玻璃幕墻的癌癥”，斯特事務(wù)所設(shè)計(jì)的倫敦市政廳幾塊從地板到天花板高度的玻璃破裂。這座市政廳靠近倫敦塔橋，全部用玻璃做覆面，承包商不得不著手檢查所有的內(nèi)部玻璃。大倫敦市議會(huì)發(fā)言人說，根據(jù)初步調(diào)查，問題出在玻璃含有鎳硫化物上，也就是說，在建造過程中玻璃被鎳元素污染，鎳和玻璃中的硫化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，造成破裂。硫化鎳類自爆后更換難度大，處理費(fèi)用高，同時(shí)會(huì)伴隨較大的質(zhì)量投訴及經(jīng)濟(jì)損失，造成業(yè)主的不滿甚至更為嚴(yán)重的其他后果。稱之為“玻璃幕墻的癌癥”。
三、鋼化玻璃自爆率及自爆原因
1、自爆率
國(guó)內(nèi)的自爆率各生產(chǎn)廠家并不一致，從３％～０．３％不等。一般自爆率是按片數(shù)為單位計(jì)算的，沒有考慮單片玻璃的面積大小和玻璃厚度，所以不夠準(zhǔn)確，也無法進(jìn)行更科學(xué)的相互比較。為統(tǒng)一測(cè)算自爆率，必須確定統(tǒng)一的假設(shè)。定出統(tǒng)一的條件：每５～８噸玻璃含有一個(gè)足以引發(fā)自爆的硫化鎳；每片鋼化玻璃的面積平均為１．８㎡；硫化鎳均勻分布。則計(jì)算出６ｍｍ厚的鋼化玻璃計(jì)算自爆率為０．３４％～０．５４％，即６ｍｍ鋼化玻璃的自爆率約為３‰～５‰。這與國(guó)內(nèi)高水平加工企業(yè)的實(shí)際值基本吻合。
即使完全按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，也不能徹底避免鋼化玻璃自爆。大型建筑物輕易就會(huì)用上幾百噸玻璃，這意味著玻璃中硫化鎳和異質(zhì)相雜質(zhì)存在的幾率很大，所以鋼化玻璃雖經(jīng)熱浸處理，自爆依然不可避免。
2、鋼化玻璃不可控自爆的原因－硫化鎳（ＮｉＳ）及異質(zhì)相顆粒
鋼化玻璃不可控自爆的來源不僅是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的ＮｉＳ微粒，還有許多其它異質(zhì)相顆粒。
玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展主要是由于在顆粒附近處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的。
這類應(yīng)力可分為兩類，一類是相變膨脹過程中的相變應(yīng)力，另一類是由熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
硫化鎳（ＮｉＳ）及異質(zhì)相顆粒。玻璃內(nèi)部包含硫化鎳雜質(zhì)，以小水晶狀態(tài)存在，在一般情況下，不會(huì)造成玻璃破損，但是由于鋼化玻璃重新加熱，改變了硫化鎳雜質(zhì)的相態(tài)，硫化鎳的高溫α態(tài)在玻璃急冷時(shí)被凍結(jié)，他們?cè)诨謴?fù)到β態(tài)可能需要幾年的時(shí)間，由于低溫β態(tài)的硫化鎳雜質(zhì)將產(chǎn)生體積增大，在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，這時(shí)鋼化玻璃自爆將發(fā)生。然而，僅僅比較大的雜質(zhì)將引起自爆，而且僅僅當(dāng)雜質(zhì)在拉應(yīng)力的核心部位時(shí)才能發(fā)生鋼化玻璃自爆。ＮｉＳ是一種晶體，存在二種晶相： 高溫相α－ＮｉＳ和低溫相β－ＮｉＳ，相變溫度為３７９℃，玻璃在鋼化爐內(nèi)加熱時(shí)，因加熱溫度遠(yuǎn)高于相變溫度，ＮｉＳ全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。然而在隨后的淬冷過程中，α－ＮｉＳ來不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢危椋?，從而被凍結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下，α－ＮｉＳ是不穩(wěn)定的，有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢危椋拥内厔?shì)。這種轉(zhuǎn)變伴隨著約２～４％的體積膨脹，使玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力，從而導(dǎo)致自爆。典型的ＮｉＳ引起的自爆碎片見圖１。圖２是從自爆后玻璃碎片中提取的ＮｉＳ 結(jié)石的掃描電鏡照片，其表面起伏不平、非常粗糙。
異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。破裂源處玻璃碎片的橫截面照片，顯示一個(gè)球形微小顆粒引起的首次開裂痕跡與二次碎裂的邊界區(qū)