玻璃幕墙玻璃爆管原因分析及防范措施

玻璃幕墙玻璃爆管原因分析及防范措施

玻璃幕墙发生事件背景根据东方报纸的报道，2006年7月31日8:30，上海南京西路的中高档泰富大楼附近京宁街附近。36楼的商业墙面积为2.6m2玻璃突然爆炸，碎片变成碎片，像雨一样掉落。淅淅沥沥向人行道上下了1个小时15分钟的“玻璃雨”,事故造成一对年轻情侣在路过时被砸伤,所幸伤势不严重。根据不完全了解和新闻媒体报导,全国各地玻璃幕墙及采光顶不明原因的自爆事例每年都不少,有一些产生了法律纠纷,涉及人身安全和社会稳定,因此探讨钢化玻璃自爆的原因,采取防范措施十分迫切。为此,在2005年1月25日召开的北京市十二届人大三次会议和市政协十届三次会议上,吴乐山研究员提出《加强玻璃幕墙建筑立法》提案;2005年3月2日全国政协十届三次会议上,刘秀晨、田麦久委员联合提出了《关于尽快开展全国玻璃幕墙安全检查的建议》的提案,并提出以下三点建议:1.由建设部负责全国玻璃审查工作2.具体措施可以参照上海和合肥的做法。活动可以在中国建筑装饰协会的赞助下进行3.既有建筑幕墙安全特性案例的探讨为落实人大代表及政协委员的提案和建议,2005年5月27日,建设部委托中国建筑装饰协会对全国10个城市既有幕墙安全状况进行抽样调查。中国建筑装饰协会组织了一支由10个专家组成的专家组对北京、上海、天津、重庆、西安、武汉、深圳、哈尔滨、厦门、温州等十个城市的96个工程样本进行了安全状况调查。调查中发现有幕墙玻璃、石材板块碎裂、脱落。在破损的437块幕墙玻璃中,可以肯定为钢化玻璃自爆原因的47块。全玻幕墙此次共调查了17个工程,其中10个发现大玻璃碎裂,共计68块玻璃,肋断裂的有3块。为了从技术这一层面配合建设部、中装协的管理措施,根据调查结果和所了解的既有建筑幕墙安全事故案例,拟比较系统地分析既有建筑幕墙安全事例原因及技术防范措施。准备分玻璃幕墙、石材幕墙、点支承玻璃幕墙及其它幕墙四个部份,逐步陆续发表,以供参考。本文仅探讨玻璃幕墙钢化玻璃自爆的原因,玻璃幕墙玻璃破裂的其它原因将后文探讨。关于抵制混凝土自杀的原因1.中型钢钢绞线下所有含激励信息的为热膨胀引起的自杀,应根据以下几种主要机理分为第一、三钢化玻璃自爆可以表述为钢化玻璃在无外部直接作用的情况下而自动发生破碎的现象。在钢化加工、贮存、运输、安装、使用等过程中均可发生钢化玻璃自爆。自爆按起因不同可分为两种:一是由玻璃中可见缺陷引起的自爆,例如结石、砂粒、气泡、夹杂物、缺口、划伤、爆边等;二是由玻璃中硫化镍(NiS)杂质膨胀引起的自爆。这是两种不同类型的自爆,应明确分类,区别对待,采用不同方法来应对和处理。前者一般目视可见,检测相对容易,故生产中可控。后者则主要由玻璃中微小的硫化镍颗粒体积膨胀引发,无法目测检验,故不可控。在实际运作和处理上,前者一般可以在安装前剔除,后者因无法检验而继续存在,成为使用中钢化玻璃自爆的主要因素。硫化镍类自爆后更换难度大,处理费用高,同时会伴随较大的质量投诉及经济损失,造成业主的不满甚至更为严重的其他后果,称之为“玻璃癌症”。2.硫化镍自爆率高,区别于玻璃中的硫基苯磺酸盐碱和其它指标。据⑴使用中常遇到钢化玻璃自爆的问题,原因不清,责任不明。⑵钢化玻璃的自爆时间没有确定性,可能是刚出炉,也可能是出厂后1月～2月,也有出厂1年～2年才自爆的,引起钢化玻璃自爆较多的时间可能是产品生产完成后的4年～5年。⑶据不完全了解,大部份厂家的产品是3‰左右的自爆率;个别厂家的产品可能还要高。⑷钢化玻璃自爆的根本原因是因为玻璃中含有硫化镍杂质,杂质是如何混入的现在还未根本查清。玻璃中是如何混入镍的,最大可能的来源是设备上使用的各种含镍合金部件及窑炉上使用的各种耐热合金。对于烧油的熔窑,曾报道在小炉中发现富镍的凝结物。硫毫无疑问来源于配合料中及燃料中的含硫成份。当温度超过1000℃时,硫化镍以液滴形式存在于熔融玻璃中,这些小液滴的固化温度为797℃。1g硫化镍就能生成约1000个直径为0.15mm的小结石。硫化镍引起的爆炸可以在生产完成后任何时候发生,现在还不能完全杜绝,至今尚无有效的防止办法,故称为“玻璃癌症”。内部控制机制和影响因素1.硫化镍改性玻璃NiS是一种晶体,存在二种晶相:高温相α-NiS和低温相β-NiS,相变温度为379℃。玻璃在钢化炉内加热时,因加热温度远高于相变温度,NiS全部转变为α相。然而在随后的淬冷过程中,α-NiS来不及转变为β-NiS,从而被冻结在钢化玻璃中。在室温环境下,α-NiS是不稳定的,有逐渐转变为β-NiS的趋势。这种转变伴随着约2%～4%的体积膨胀,使玻璃承受巨大的相变张应力,从而导致自爆。玻璃内部可能包含硫化镍杂质,以小水晶状态存在,在一般情况下,不会造成玻璃破损,但是由于钢化玻璃重新加热,改变了硫化镍杂质的相态,硫化镍的高温α态在玻璃急冷时被冻结,他们恢复到β态可能需要几年的时间,β态硫化镍将产生体积增大,在玻璃内部产生局部的应力集中,这时钢化玻璃自爆将发生。实际上,只有比较大的杂质才引起自爆,而且也仅仅当杂质在拉应力的核心部位时才能发生钢化玻璃自爆。2.角磨边处理首先看起爆点(钢化玻璃裂纹呈放射状,均有起始点)是否在玻璃中间,如在玻璃边缘,一般是因为玻璃未经过倒角磨边处理或玻璃边缘有损伤,造成应力集中,裂纹逐渐发展造成的;如起爆点在玻璃中部,看起爆点是否有两小块多边形组成的类似两片蝴蝶翅膀似的图案(蝴蝶斑),如有,仔细观察两小块多边形公用边(蝴蝶的躯干部分)应有肉眼可见的黑色小颗粒(硫化镍结石),则可判断是自爆的;否则就应是外力破坏的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑。3.引起氧化和铜腐化剂玻璃强度的特点1.莫硬度的切割玻璃常温下玻璃有许多优异的力学性能:高的抗压强度、好的弹性、高的硬度,莫氏硬度在5～6之间,用一般的金属刻化玻璃很难留下痕迹,切割玻璃要用硬度极高的金刚石。玻璃与常用建筑材料的强度比较如表1。2.应变非线性表现,应力随应变非线性动玻璃的应力应变拉伸曲线与钢和塑料是不同的,钢和塑料的拉伸应力在没有超过比例极限以前,应力与应变呈线性直线关系,超过弹性极限并小于强度极限,应变增加很快,而应力几乎没有增加,超过屈服极限以后,应力随应变非线性增加,直至钢材断裂。玻璃是典型的脆性材料,其应力应变关系呈线性关系直至破坏,没有屈服极限,与其它建筑材料不同的是:玻璃在它的应力峰值区,不能产生屈服和应力重新分布,一旦强度超过则立即发生破坏。3.材料的断裂强度玻璃的理论断裂强度远大于实际强度。玻璃的理论断裂强度就是玻璃材料断裂强度在理论上可能达到的最高值,计算玻璃理论断裂强度应该从原子间结合力入手,因为只有克服了原子间的结合力,玻璃才有可能发生断裂。Kelly在1973年的研究表明:理想的玻璃理论断裂强度一般处于材料弹性模量的1/10～1/20之间,大约为0.7×104MPa,远大于实际强度,在实际材料中,只有少量的经过精心制作极细的玻璃纤维的断裂强度,能够达到或者接近这一理论的计算结果。断裂强度的理论值和建筑玻璃的实际值之间存在着悬殊的差异,造成玻璃强度减弱的原因是因为玻璃在制造过程中不可避免地在表面产生很多肉眼看不见的裂纹,深度约5μm,宽度只有0.01μm～0.02μm,每mm2面积有几百条,又称格里菲思裂纹。至使断裂强度的理论值远大于实际值。1913年,Inglis提出应力集中理论,指出截面的急剧变化和裂纹缺陷附近的区域将产生显著的应力集中效应,即这些区域中的最大拉应力要比平均拉应力大或者大很多。对于韧性材料,当最大拉应力超过屈服强度之后,由于材料的屈服效应使应力的分布愈来愈均匀,应力集中效应下降;对玻璃这样的脆性材料,高度的应力集中效应保持到断裂时为止,所以对玻璃结构除了要考虑应力集中效应之外,还要考虑断裂韧性。4.断裂强力分析(1)断裂强度大小不一,离散度很大。(2)由于拉应力作用,断裂一般起源于玻璃表面。(3)断裂强度与裂纹深度有直接关系。(4)断裂强度与荷载的持续时间有一定的关系。5.设计安全系数与续时间的关系玻璃的断裂强度离散性大,强度的测定与测试条件如加载方式、加载速率、持续时间等密切相关。很多国家往往采用统计分析方法推断出玻璃强度的估算公式,通常将几百片玻璃破坏的试验结果进行统计处理,求出平均值和标准差,推断玻璃的力学强度,给出设计安全系数与失效关系如表2。防范自爆的对策1.应力控制规范钢化应力越大,硫化镍结石的临界半径就越小,能引起自爆的结石就越多。显然,钢化应力应控制在适当的范围内,这样既可保证钢化碎片颗粒度满足有关标准,也能避免高应力引起的不必要自爆风险。平面应力(钢化均匀度)应越小越好,这样不仅减小自爆风险,而且能提高钢化玻璃的平整度。2.均质炉t均质处理是公认的彻底解决自爆问题的有效方法。将钢化玻璃再次加热到290℃左右并保温一定时间,使硫化镍在玻璃出厂前完成晶相转变,让今后可能自爆的玻璃在工厂内提前破碎。这种钢化后再次热处理的方法,国外称作“HeatSoakTest”,简称HST。我国通常将其译成“均质处理”,也俗称“引爆处理”。从原理上看,均质处理似乎很简单,许多厂家对此并不重视,认为可随便选择外购甚至自制均质炉。实际并非如此,玻璃中的硫化镍夹杂物往往是非化学计量的化合物,含有比例不等的其他元素,其相变速度高度依赖于温度。研究结果表明,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。否则一方面有些玻璃温度太高,会引起硫化镍逆向相变;另一方面温度低的玻璃因保温时间不够,使得硫化镍相变不完全。两种情况均会导致无效的均质处理。笔者曾测试了多台均质炉的温度制度,发现最好的进口炉也存在30℃以上的温差,多台国产炉内的温差甚至超过55℃。这或许解释了经均质处理的玻璃仍然出现许多自爆的原因。3.玻璃中空气加热均质炉必须采用强制对流加热的方式加热玻璃。对流加热靠热空气加热玻璃,加热元件布置在风道中,空气在风道中被加热,然后进入炉内。这种加热方式可避免元件直接辐射加热玻璃,引起玻璃局部过热。4.玻璃片与片之间的间隙均质炉内的玻璃片之间是热空气的对流通道,因此玻璃的堆置方式对于均质处理的质量是极其重要的。首先玻璃的堆置方向应顺应气流方向,不可阻碍空气流。其次,玻璃片与片之间的空隙须足够大,分隔物不能堵塞空气通道,玻璃片之间至少须有20mm的间隙,片之间不能直接接触。对于大片玻璃,玻璃很容易因相互紧贴引起温差过大而破碎。5.玻璃的自爆率均质处理的温度制度也是决定均质质量的一个决定性因素。1990年版的德国标准DIN18516笼统规定了均质炉内的平均炉温为290+/-10℃,保温时间长达8h。实践证明按此标准进行均质处理的玻璃自爆率还是较高,结果并不理想。因此,根据1994年以来的大量研究成果,2000年的欧洲新标准讨论稿将规定改为:均质炉内玻璃的温度在290+/-10℃下保温2h。多年累积的数据分析表明,严格按新标准均质处理过的玻璃,发生后续自爆的概率在0.01以下。此概率的意义是:每1万平方米玻璃,在1年之内发生1例自爆的概率小于1%。由此才可自信地称钢化玻璃为“安全玻璃”。6.浮法工业中的点缺陷检测玻璃中的硫化镍夹杂物是导致钢化玻璃自爆的本质原因,人们自然地想到是否有可能在浮法玻璃生产过程中减少或消除此杂质。从技术角度看,目前世界上最先进的玻璃缺陷自动检测仪也只能检测大于0.2mm的点缺陷,试图在浮法生产线上将有缺陷的玻璃全部挑出来几乎是不可能的。有报导在浮法原料中添加硫酸锌或硝酸锌能有效地减少硫化镍结石的数量。硫酸锌或硝酸锌都是强氧化剂,能将玻璃中的硫化物氧化成硫酸盐,后者能被玻璃液吸收,从而减少或消除硫化镍结石。7.边、-案面质⑴优先选用大厂出厂的原片玻璃,他们选材、工艺控制较严,混入杂质的机率较小。⑵钢化玻璃边缘应进行倒角磨边处理,减小应力集中。⑶做好玻璃的成品保护,防止蹦边、掉角,对蹦边、掉角不大的用抛光机磨成圆弧面,减小应力集中。⑷采购时要求玻璃厂进行钢化后的均质处理(引爆处理),一般小厂没有均质炉,或者有也出于成本考虑不用。因此,购买时要与其约定自爆率,以备日后索赔。⑸采光顶、雨蓬等接近水平、吸热较大的玻璃可考虑夹胶、半钢化夹胶(破碎后碎块较大,不易掉落)、化学钢化玻璃(强度高、价格贵)。⑹型材设计时充分考虑玻璃的热胀冷缩和层间位移变形,留出变形空间,施工时注意玻璃下部垫块的厚度和硬度以及玻璃与框周边的间隙。8.从高空散脑大粒和小颗粒材料看,表现为钢化玻璃自爆是当前玻璃幕墙安全迫切需要解决的重要问题。但是对于安全玻璃,传统的概念是:(全)钢化玻璃属于安全玻璃。其根据是:除其强度较高外,主要由于(全)钢化玻璃破碎时会整块玻璃全部破碎成蜂窝状钝角小颗粒,不易伤人。通过这次调查和众多的事故分析,对于这一概念提出了质疑,关于高层建筑玻璃幕墙使用安全玻璃问题,有讨论的必要。对于高层建筑玻璃幕墙使用安全玻璃,其安全的主要担心是玻璃破碎高空坠落伤人。这里应该包含三部分要求:⑴玻璃具有足够的强度,使其承受设计荷载不破坏。⑵玻璃具有防碰碎散落性,使其处于破碎状态时保证不会坠落飞散,即碎而不散落;⑶玻璃具有不易伤人的破坏形态,避免大块锐利碎片,而呈钝角、圆滑小颗粒状,但若从高空散落则不论什么形态都存在危险。以上三要素应该是把握与控制高层建筑玻璃幕墙安全玻璃的要点。(全)钢化玻璃具备较高强度和其破坏形态为钝角小颗粒这两个安全因素,但不具备防破碎散落性这一对高层建筑玻璃幕墙而言关键性的安全因素,由此而带来的不安全后果是:(全)钢化玻璃破碎后的大群呈钝角的碎片,从高空散落而下,即使颗粒较小,但速度已很大,同样能伤人。其中的罪魁祸首便是自由落体的重力加速度。所以,对高层建筑玻璃幕墙的玻璃是否安全,最重要的是不破坏和碎片不散落。不论何种形态的玻璃碎片,如从高层建筑上散落而下,都是危险的甚至是致命的。此外,(全)钢化玻璃自爆破坏是无先兆的,目前尚无有效的安全防止方法,是玻璃的癌症。玻璃自爆破碎和高空散落,便成为高层建筑玻璃幕墙使用(全)钢化玻璃并不安全的基本技术依据。因此,在一定高度下使用(全)钢化玻璃被认为是安全的,而超过一定高度使用它则应认为是不安全