鋼化玻璃自爆的原因是什么.doc

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自爆及其分類 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發(fā)生破碎的現(xiàn)象。在鋼化加工、貯存、運輸、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)膨脹引起的自爆。 這是兩種不同類型的自爆，應(yīng)明確分類，區(qū)別對待，采用不同方法來應(yīng)對和處理。前者一般目視可見，檢測相對容易，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)，無法目測檢驗，故不可控。在實際運作和處理上，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無法檢驗而繼續(xù)存在，成為使用中的鋼化玻璃自爆的主要因素。硫化鎳類自爆后更換難度大，處理費用高，同時會伴隨較大的質(zhì)量投訴及經(jīng)濟損失，造成業(yè)主的不滿甚至更為嚴重的其他后果。所以，硫化鎳引發(fā)的自爆是我們討論的重點。 鋼化玻璃自爆機理 鋼化玻璃內(nèi)部的硫化鎳膨脹是導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的主要原因。玻璃經(jīng)鋼化處理后，表面層形成壓應(yīng)力。內(nèi)部板芯層呈張應(yīng)力，壓應(yīng)力和張應(yīng)力共同構(gòu)成一個平衡體。玻璃本身是一種脆性材料，耐壓但不耐拉，所以玻璃的大部分破碎是張應(yīng)力引發(fā)的。 鋼化玻璃中硫化鎳晶體發(fā)生相變時，其體積膨脹，處于玻璃板芯張應(yīng)力層的硫化鎳膨脹使鋼化玻璃內(nèi)部產(chǎn)生更大的張應(yīng)力，當(dāng)張應(yīng)力超過玻璃自身所能承受的極限時，就會導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。國外研究證明：玻璃主料石英砂或砂巖帶入鎳，燃料及輔料帶入硫，在1400℃～1500℃高溫熔窯燃燒熔化形成硫化鎳。當(dāng)溫度超過1000℃時，硫化鎳以液滴形式隨機分布于熔融玻璃液中。當(dāng)溫度降至797℃時，這些小液滴結(jié)晶固化，硫化鎳處于高溫態(tài)的α-NiS晶相（六方晶體）。當(dāng)溫度繼續(xù)降至379℃時，發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變成為低溫狀態(tài)的β-NiS（三方晶系），同時伴隨著2.38%的體積膨脹。這個轉(zhuǎn)變過程的快慢，既取決于硫化鎳顆粒中不同組成物（包括Ni7S6、NiS、NiS1.01）的百分比含量，還取決于其周圍溫度的高低。如果硫化鎳相變沒有轉(zhuǎn)換完全，則即使在自然存放及正常使用的溫度條件下，這一過程仍然繼續(xù)，只是速度很低而已。 當(dāng)玻璃鋼化加熱時，玻璃內(nèi)部板芯溫度約620℃，所有的硫化鎳都處于高溫態(tài)的α-NiS相。隨后，玻璃進入風(fēng)柵急冷，玻璃中的硫化鎳在379℃發(fā)生相變。與浮法退火窯不同的是，鋼化急冷時間很短，來不及轉(zhuǎn)變成低溫態(tài)β-NiS而以高溫態(tài)硫化鎳α相被“凍結(jié)”在玻璃中?？焖偌崩涫共ＡУ靡凿摶?，形成外壓內(nèi)張的應(yīng)力統(tǒng)一平衡體。在已經(jīng)鋼化了的玻璃中硫化鎳相變低速持續(xù)地進行著，體積不斷膨脹擴張，對其周圍玻璃的作用力隨之增大。鋼化玻璃板芯本身就是張應(yīng)力層，位于張應(yīng)力層內(nèi)的硫化鎳發(fā)生相變時體積膨脹也形成張應(yīng)力，這兩種張應(yīng)力疊加在一起，足以引發(fā)鋼化玻璃的破裂即自爆。 進一步實驗表明：對于表面壓應(yīng)力為100MPa的鋼化玻璃，其內(nèi)部的張應(yīng)力為45MPa左右。此時張應(yīng)力層中任何直徑大于0.06mm的硫化鎳均可引發(fā)自爆。另外，根據(jù)自爆研究統(tǒng)計結(jié)果分析，95%以上的自爆是由粒徑分布在0.04mm～0.65mm之間的硫化鎳引發(fā)。根據(jù)材料斷裂力學(xué)計算出硫化鎳引發(fā)自爆的平均粒徑為0.2mm.因此，國內(nèi)外玻璃加工行業(yè)一致認定硫化鎳是鋼化玻璃自爆的主要原因。 鋼化玻璃自爆還有一些其他因素：玻璃開槽及鉆孔的不合理、玻璃原片質(zhì)量較差、厚度不均如壓花玻璃、應(yīng)力分布不均例如彎鋼化玻璃及區(qū)域鋼化玻璃等。 一、前言 中國建筑裝飾協(xié)會幕墻工程委員會受建設(shè)部委托，對北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門、溫州10個城市進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項既有建筑幕墻項目，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，其中１０項發(fā)現(xiàn)大玻璃碎裂，共計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)象個別城市也比較多。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了９項有重要隱患的幕墻工程，占調(diào)查項目總數(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發(fā)生破碎的現(xiàn)象。在鋼化加工、貯存、運輸、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制。BORDEAUX和KASPERｒ通過對250例自爆的研究，發(fā)現(xiàn)引起自爆的硫化鎳直徑在0.04～0.65mm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)別對待，采用不同方法來應(yīng)對和處理。前者一般目視可見，檢測相對容易，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)，無法目測檢驗，故不可控。在實際運作和處理上，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無法檢驗而繼續(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 鋼化玻璃原因不清自爆的問題，責(zé)任難明。自爆時間沒有確定性，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為玻璃中含有硫化鎳及異質(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，最大可能的來源是設(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。對于燒油的熔窯，曾報道在小爐中發(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，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”出自著名建筑師福斯特之口：那年，由斯特事務(wù)所設(shè)計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，處理費用高，同時會伴隨較大的質(zhì)量投訴及經(jīng)濟損失，造成業(yè)主的不滿甚至更為嚴重的其他后果。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，所以不夠準確，也無法進行更科學(xué)的相互比較。為統(tǒng)一測算自爆率，必須確定統(tǒng)一的假設(shè)。定出統(tǒng)一的條件：每5～8噸玻璃含有一個足以引發(fā)自爆的硫化鎳；每片鋼化玻璃的面積平均為1.8m2；硫化鎳均勻分布。則計算出6mm厚的鋼化玻璃計算自爆率為0.64%～0.54%，即6mm鋼化玻璃的自爆率約為3‰～5‰。這與國內(nèi)高水平加工企業(yè)的實際值基本吻合。 即使完全按標(biāo)準生產(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)認識中的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)在玻璃急冷時被凍結(jié)，他們在恢復(fù)到β態(tài)可能需要幾年的時間，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，因加熱溫度遠高于相變溫度，nis全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料唷Ｈ欢陔S后的淬冷過程中，α－nis來不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢璶is，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)棣拢璶is的趨勢。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。從自爆后玻璃碎片中提取的nis結(jié)石的掃描電鏡照片中可看到，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，可以破裂源處玻璃碎片的橫截面照片中看到，一個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) 3、如何鑒別鋼化玻璃的自爆 首先看起爆點（鋼化玻璃裂紋呈放射狀，均有起始點）是否在玻璃中間，如在玻璃邊緣，一般是因為玻璃未經(jīng)過倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷，造成應(yīng)力集中，裂紋逐漸發(fā)展造成的；如起爆點在玻璃中部，看起爆點是否有兩小塊多邊形組成的類似兩片蝴蝶翅膀似的圖案（蝴蝶斑），如有仔細觀察兩小塊多邊形公用邊（蝴蝶的軀干部分）應(yīng)有肉眼可見的黑色小顆粒（硫化鎳結(jié)石），則可判斷是自爆的；否則就應(yīng)是外力破壞的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑。玻璃碎片呈放射狀分布，放射中心有二塊形似蝴蝶翅膀的玻璃塊，俗稱“蝴蝶斑”。nis結(jié)石位于二塊"蝴蝶斑"的界面上。 4、鋼化玻璃自爆機理理論探討 徑向應(yīng)力r≥a 切向應(yīng)力r≥a 顆粒與玻璃之間界面的應(yīng)力 對于異質(zhì)顆粒在玻璃基體中，降溫過程溫差是負的，所以顆粒周邊的徑向應(yīng)力是壓力，切向應(yīng)力是拉力。 玻璃中間層球形單質(zhì)硅顆粒的掃描電鏡圖像和邊緣擠壓形貌，顆粒周邊的徑向應(yīng)力是壓力，切向應(yīng)力是拉力，所以切向應(yīng)力是裂紋啟始的根源。 四、玻璃幕墻使用全鋼化玻璃問題值得探討 1、鋼化玻璃自爆是當(dāng)前玻璃幕墻安全迫切需要解決的重要問題。但是對于安全玻璃的概念，傳統(tǒng)的概念是，（全）鋼化玻璃屬于安全玻璃。其根據(jù)除了強度較高外，主要是由于（全）鋼化玻璃破碎時會整塊玻璃全部破碎成蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人。通過這次調(diào)查和眾多事故實踐，對于這一概念提出了質(zhì)疑，關(guān)于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃問題，有討論的必要。對于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃，其安全的主要擔(dān)心是玻璃破碎墜落傷人。這里應(yīng)該包含三部分要求： 一是玻璃具有足夠的強度，使其承受設(shè)計荷載不破壞。 二是玻璃萬一破裂要具有防碰碎散落性，使其處于破碎狀態(tài)時保證不會墜落飛散。 三是足夠斷裂韌度k1c。 2、（全）鋼化玻璃具備較高強度和其破壞形態(tài)為鈍角小顆粒這兩個安全因素。但不具備防破碎散落性這一對高層建筑玻璃幕墻而言關(guān)鍵性的安全因素、因此而帶來的不安全后果，（全）鋼化玻璃破碎后的大群呈鈍角的碎片，從高空散落而下，即使顆粒較小，但速度已很大，同樣能傷人。其中的罪魁禍首便是自由落體的重力加速度。對高層建筑玻璃幕墻的玻璃不論何種形態(tài)的玻璃碎片，如高層建筑上散落而下，都是危險的甚至是致命的。此外，（全）鋼化玻璃自爆破壞無先兆，目前尚無有效的完全防止的方法，是玻璃幕墻的癌癥，玻璃自爆破碎和高空散落，高層建筑玻璃幕墻使用（全）鋼化玻璃并不安全。安全是一個相對的概念，是有條件的；不是絕對的，無條件的。脫離使用條件，僅僅只從其碎片形態(tài)來定義玻璃幕墻安全玻璃，是不全面的，鋼化玻璃并不是不破裂，只是玻璃之碎粒較小，但碎片容易下落和飛濺而造成意外事故，因此，在很多國外玻璃幕墻技術(shù)標(biāo)準和規(guī)范中都明確玻璃幕墻不宜使用單片鋼化玻璃，應(yīng)采用防飛散玻璃，日本高層建筑玻璃幕墻上使用（全）鋼化玻璃，必須增貼一層防飛散膜，以確保安全?！皬姸黄扑椋扑椴簧⒙洹保里w散玻璃才是玻璃幕墻使用的安全玻璃。 3、推薦采用半鋼化玻璃。半鋼化玻璃生產(chǎn)采用與鋼化玻璃類似的工藝方法．只是冷卻速度較慢．因此其表面應(yīng)力略小于鋼化玻璃。半鋼化玻璃在機械強度、抗風(fēng)壓性能、抗沖擊性能和抗熱震性方面明顯優(yōu)子普通退火玻璃，較適合使用于玻璃幕墻中。半鋼化玻璃特性：強度為普通玻璃的２倍；可以有效地抵抗熱應(yīng)力作用．避免玻璃的熱炸裂，一旦破裂．半鋼化玻璃裂紋全部是延伸到邊．其碎片可以保留在框架內(nèi)而不會墜落；不易發(fā)生鋼化玻璃的自爆現(xiàn)象；比鋼化玻璃具有更好的平整度。 五、結(jié)論 1、國內(nèi)玻璃幕墻造成危害主要來源是鋼化玻璃自爆。 2、鋼化玻璃自爆的來源不僅是傳統(tǒng)認識中的ＮｉＳ微粒，還有許多其它異質(zhì)相顆粒。 3、玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴展主要是由于在顆粒附近處產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力。 4、鋼化玻璃自爆不可控，事前無任何征兆。稱為“玻璃幕墻的癌癥”。 5、幕墻及門窗應(yīng)采用防飛散玻璃，推薦采用半鋼化玻璃。