刘忠伟：钢化玻璃自爆原因分析与解决方法

1前言

    将平板玻璃经过物理或化学的方法处理，使玻璃表面形成压应力，内部形成张应力，从而获得高强度、高韧性的玻璃，称为钢化玻璃。应用于建筑上通常是物理钢化玻璃。钢化玻璃与平板玻璃相比有许多优点，如钢化玻璃的强度高，韧性好，抗热冲击性能优越，安全破裂。所谓安全破裂是指钢化玻璃碎片钝化了，即钢化玻璃碎片没有明显的锐角，当人体撞击玻璃并发生玻璃破碎时，给人体的切割伤或刺穿伤降低。因此钢化玻璃被广泛地应用于玻璃幕墙和门窗等工程中。但是钢化玻璃也有缺点，如自爆。严格意义上说，钢化玻璃只有在无荷载作用下发生的自发性-炸裂才称为钢化玻璃的自爆。实际工程中，对于没有外力冲击、正常使用条件下、具有典型自爆裂纹的钢化玻璃破裂也归结为钢化玻璃自爆。自爆是钢化玻璃固有的弱点之一，但钢化玻璃自爆原本应当是罕见事件，至少应当是少见现象，如汽车、火车和轮船用钢化玻璃都极少发生自爆。而建筑上用钢化玻璃却经常发生自爆，以至于发展成一种普遍现象，甚至发生伤人、损物事件，已到了必须解决的地步。本文全面分析了钢化玻璃自爆的原因，提出了降低钢化玻璃自爆率的方法，进行了相关的试验研究，所得结果将应用于《建筑门窗幕墙应钢化玻璃》建筑工程行业标准制订中。

    2硫化镍及其他缺陷

    钢化玻璃自爆的原因很多，最主要原因是硫化镍粒子的膨胀。玻璃中含有硫化镍夹杂物 ，硫化镍夹杂物一般以结晶体（NiS）存在，室温下存在着 相向 相转变的热力学倾向，并伴有2—3%的体积膨胀。硫化镍粒子存在于平板玻璃中，因而才存在于半钢化玻璃和钢化玻璃中。但平板玻璃和半钢化玻璃没有自爆现象，只有钢化玻璃才有自爆，原因是仅有硫化镍粒子由 相向 相转变的热力学倾向是不够的，必须具备一定的动力学条件才能实现这种相变，进而造成玻璃的自爆。平板玻璃是退火玻璃，其内部无应力。半钢化玻璃和钢化玻璃经淬火后其内部具有应力，属于预应力材料。半钢化玻璃和钢化玻璃内部应力状态见图1。

    图1半钢化玻璃和钢化玻璃内部应力

    由图1可见，半钢化玻璃和钢化玻璃内部应力分布趋势是一致的，都是外表面处于压应力，内部处于张应力，两者的区别是钢化玻璃表面压应力和内部张应力比半钢化玻璃的表面压应力和内部张应力都大。只有玻璃中的硫化镍粒子位于足够大的张应力区，硫化镍粒子才具备相变的动力学条件，因为硫化镍粒子相变伴随体积膨胀，足够大的张应力为硫化镍粒子体积膨胀提供了动力学条件，这就是平板玻璃和半钢化玻璃不发生自爆，钢化玻璃自爆的原因。玻璃中的硫化镍粒子是随机分布的，如果玻璃中的硫化镍粒子位于钢化玻璃最大张应力部位，该粒子就可能成为钢化玻璃自爆的起爆点。由硫化镍粒子造成的钢化玻璃自爆其爆裂点裂纹形状往往与蝴蝶相似，被称为蝴蝶形裂纹，有些在爆裂点中部有一个有色颗粒，被认为是硫化镍粒子，这两个特性往往被用来作为钢化玻璃是否是自爆的判据。硫化镍粒子在钢化玻璃自爆前后的体积是不同的，爆裂前体积小，不易被看见；自爆后其体积增大，地点确定，很容易被看见，这也是钢化玻璃自爆不易预见的原因之一。钢化玻璃自爆裂纹见图2。

图2钢化玻璃自爆裂纹

    硫化镍粒子造成的钢化玻璃自爆具有主动性、自发性、无外因，是真正意义上的自爆。
    硫化镍粒子造成钢化玻璃自爆需要两个条件：其一硫化镍粒子所处位置的张应力大小；其二硫化镍粒子的尺寸。硫化镍粒子尺寸越大，它需要的张应力越小，即对应不同的张应力，硫化镍粒子存在临界尺寸，钢化玻璃中张应力越大，硫化镍粒子的临界尺寸越小，产生自爆硫化镍粒子越多，钢化玻璃自爆的概率越大。
此外，风荷载、温差作用、装配应力等会改变钢化玻璃内部的应力分布，见图3。

图3钢化玻璃在荷载作用下的应力

    由图3可见，在荷载作用下，原本处于不具备自爆条件的硫化镍粒子可能变为具备自爆条件而自爆，这就是工程上钢化玻璃安装后，特别是采光顶钢化玻璃自爆的主要原因。
    平板玻璃中除含有硫化镍粒子外，还含有结石、气泡和杂质，玻璃是典型的脆性材料，其力学行为服从断裂力学。玻璃中的结石、气泡和杂质在玻璃中将会形成裂纹，是钢化玻璃的薄弱点，特别是裂纹尖端是应力集中处。如果结石、气泡或杂质处在钢化玻璃的张应力区，或在荷载作用下使其处于张应力，都可能导致钢化玻璃炸裂。 
    原国家标准《浮法玻璃》GB11614—1999依据浮法玻璃中所含气泡、夹杂物、缺陷大小和多少将浮法玻璃划分为建筑级、汽车级和制镜级，建筑级浮法玻璃质量最低，汽车级居中，制镜级最高，这是汽车用钢化玻璃一般不发生自爆的主要原因之一。
    现行国家标准《平板玻璃》GB11614—2009依据平板玻璃中所含气泡、夹杂物、缺陷大小和多少将平板玻璃划分为合格品、一等品和优等品 ，合格品平板玻璃质量最低，一等品居中，优等品最高，建筑上主要使用的是合格品平板玻璃。钢化玻璃是平板玻璃的深加工产品，又有自爆的问题，因此钢化玻璃使用的平板玻璃应为一等品，当钢化玻璃板面较大时，应使用优等品平板玻璃。

    3钢化玻璃碎片数和表面压应力

    我国国家标准《建筑用安全玻璃  第二部分：钢化玻璃》GB15763.2——2005采用碎片数和表面压应力两个指标表征钢化玻璃的钢化度，对于4—12mm厚的钢化玻璃，规定在50 50mm区域内的最少碎片数必须满足40片，无上限限制；钢化玻璃表面压应力不应小于90MPa，亦无上限限制，其中碎片数是强制性的，表面压应力是推荐性的。
    欧洲标准《Glass in building —Thermally toughened soda lime silicate safety glass —Part 1: Definition and description》 BS EN 12150-1和日本标准《Tempered glass》 JIS R 3206只采用碎片数表征钢化玻璃的钢化度，其具体规定与我国国家标准相同。
    美国标准《Standard Specification for Heat-Treated Flat Glass —Kind HS, Kind FT Coated and Uncoated Glass》 ASTM C  1048—04只采用表面压应力表征钢化玻璃的钢化度，规定6mm半钢化玻璃的表面压应力为24—52MPa，钢化玻璃表面压应力最小值 69MPa。
    我国新标准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，美国标准中规定钢化玻璃的表面压应力为大于69MPa，可否将我国钢化玻璃表面压应力降低到与美国标准一致或接近非常值得研究。如果可行，将极大地降低钢化玻璃的自爆率。降低表面压应力值限值可能会造成钢化玻璃碎片偏大，不过即使钢化玻璃表面压应力很高，碎片很小，也无法保证碎片都以分裂状态存在，许多情况下碎片表现为裂而不碎，形成“钢化玻璃被”，其结果与大一点的碎片区别不大，甚至其危害性更大，因此可以考虑降低钢化玻璃表面压应力值限值。况且我国半钢化玻璃标准规定，其表面压应力值限值为不大于60MPa，钢化玻璃标准规定，其表面压应力值限值为不小于90MPa，如果玻璃表面压应力处于60—90MPa之间，既不属于半钢化玻璃，也不属于钢化玻璃，属于不合格品。从这个角度来说，也应将钢化玻璃表面压应力值限值降低，如果将半钢化玻璃表面压应力值限值与钢化玻璃表面压应力值限值连接有困难，至少可将钢化玻璃表面压应力值限值降低，缩小两者的差距。
    为达到降低钢化玻璃碎片数和表面压应力，我们进行了试验验证。试验结果表明，可将钢化玻璃碎片数确定在10—40粒之间，对应的表面压应力位于70—90MPa之间。

    4钢化玻璃边部质量

    玻璃表面和边部在加工、运输、贮存和施工过程，可能造成有划痕、炸口和爆边等缺陷，易造成应力集中而导致钢化玻璃自爆。玻璃表面本来就存在大量的微裂纹，这也是玻璃力学行为服从断裂力学的根本原因。这些微裂纹在一定的条件下会扩展，如水蒸气的作用、荷载的作用等，都可能加速微裂纹的扩展。通常情况下微裂纹的扩展速度是极其缓慢的，表现为玻璃的强度是一恒定值。但是玻璃表面的微裂纹有一临界值，当微裂纹尺寸接近或达到临界值时，裂纹快速扩张，导致玻璃破裂。如果玻璃表面和边部存在接近临界尺寸的微裂纹，如玻璃表面和边部在加工、运输、贮存和施工过程造成的划痕、炸口、爆边等缺陷尺寸就较大，玻璃可能在极小的荷载作用下就导致玻璃表面或边部微裂纹快速扩张，最终导致玻璃破裂。
    为此应提高钢化玻璃边部加工质量，明确边部加工要求，如两边完全磨边或三边不完全磨边，避免玻璃边部和表面划伤和磕碰。理论分析和实验表明，钢化玻璃边部钢化程度较低，因此应对钢化玻璃边部重点保护。对于点支式幕墙玻璃，如果对玻璃打孔，孔边一定要精磨，最好达到抛光的程度，因为玻璃孔边是应力集中部位。

    5钢化均匀度

    钢化玻璃在生产过程中需要对玻璃进行加热和冷却，玻璃在加热或冷却时沿玻璃板面方向不均匀和沿厚度方向的不对称，将导致钢化玻璃沿板面方向应力不均匀和沿厚度方向应力分布不对称，这些都有可能造成钢化玻璃自爆。钢化玻璃沿板面方向应力不均匀，可以造成玻璃局部处于张应力，如果这种张应力过大，超过玻璃的断裂强度，玻璃就会爆裂。玻璃板沿厚度方向应力分布应当是对称的，即上下两表面处于压应力，中间处于张应力，上下表面的压应力大小、应力层厚度和变化完全是对称的，玻璃板承受正负风压的能力是相同的。如果玻璃板沿厚度方向应力分布不对称，玻璃板承受正负风压的能力就不相同，一侧承受荷载的能力较强，另一侧较小，即玻璃可能在较小荷载作用下破损，严重时，玻璃板在无荷载作用下产生变形，造成幕墙玻璃影像畸变。
    为此应提高钢化玻璃表面应力均匀度和沿厚度方向的对称度。特别对于low-e玻璃的钢化更要关注其钢化玻璃应力沿厚度方向的对称度，因为low-e玻璃上下表面对热辐射吸收的差异将会造成low-e玻璃在加热时玻璃板沿厚度方向温度的差异，而这种差异最终将会导致钢化玻璃应力沿厚度方向的不对称，目前在玻璃钢化过程中采用强制对流的方法来消除这种不利因素。
    钢化玻璃内部应力不均匀，存在较大应力梯度，会造成自爆，表现为碎片颗粒大小不一且差距较大。表面压应力有五个测点，取平均值。应增加五个测点最大值和最小值之间的差值限值，用以表征钢化玻璃表面压应力均匀性。

    6钢化玻璃板面限制

    减小钢化玻璃板面尺寸，可降低钢化玻璃自爆率。目前我国在应用建筑玻璃方面呈现板面越来越大的趋势，钢化玻璃尺寸越大，玻璃板越厚，自爆概率越大。在一块钢化玻璃板中，只要有一个自爆点，并最终导致钢化玻璃自爆，无论钢化玻璃板块大小，整个钢化玻璃板都破碎。玻璃板块越大，含有杂质、硫化镍粒子、边部加工缺陷、表面划伤、应力的不均匀等等导致钢化玻璃自爆的不利因素就随之增加。在同样荷载作用下，玻璃板块越大，玻璃板就得越厚，含有杂质、硫化镍粒子、边部加工缺陷、表面划伤、应力的不均匀等等导致钢化玻璃自爆的不利因素也会增加，钢化玻璃自爆概率就会加大。因此应依据平板玻璃厚度、质量等级对钢化玻璃板面尺寸做出限制。

    7钢化玻璃变形过大

    对钢化玻璃的弓形弯曲度的要求要全面，只有弓形弯曲度的相对值要求，没有绝对值要求，对于尺寸小的钢化玻璃可满足要求，而对于尺寸较大的钢化玻璃，尽管其弓形弯曲度的相对值满足要求，但其绝对值过大，致使钢化玻璃的装配应力较大，经一段时间使用后发生钢化玻璃自爆，这也是一些工程钢化玻璃在使用几年后发生自爆的原因。
    实践工程中，钢化玻璃使用面积越来越大，对于大板面的钢化玻璃不仅对其弯曲度的相对值提出要求，而且应对其弯曲度的绝对值提出要求，以减小钢化玻璃装配应力，避免钢化玻璃经长时间使用后发生自爆。

    8结束语

    为降低钢化玻璃自爆率，保证钢化玻璃在建筑上安全使用，目前正在制定《建筑门窗幕墙用钢化玻璃》建筑工程行业标准，上述研究成果将应用于该标准中。