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一处商业购物中心幕墙玻璃自爆分析

王海龙 梅国永 马建村

【摘要】本文介绍了一大型商业购物中心投入使用两年多,外立面玻璃幕墙已有41片钢化玻璃自爆,自爆比例达到了9.5‰。经过现场取样分析,钢化玻璃自爆的起爆点均呈现蝴蝶斑,在斑片的中心均有异质相颗粒,经SEM扫描电镜显微分析,杂质主要有NiS、Na2Al2Si5O10等,并提出降低钢化玻璃服役中的自爆率方法。

【关键词】钢化玻璃;自爆;幕墙

一处大型商业购物中心于2015年2月投入使用,该项目外立面包括石材幕墙、半隐框玻璃幕墙(横隐竖明,以下简称玻璃幕墙)等,其中玻璃幕墙约7500m2。截至2017年8月,玻璃板块已有41片由于自爆而破裂,钢化玻璃的自爆比例达到了9.5‰,部分玻璃碎片散落地上,幸运的是无人员伤亡。行业内,正常的钢化玻璃自爆应控制在3‰以内,对于客流量较多的商业购物中心,过高的自爆率严重影响了商业中心的运行。玻璃幕墙作为当今写字楼、商业购物中心不可或缺的外装形式,钢化玻璃的使用非常广泛,严格控制产品质量尤为重要。

1. 商业购物中心钢化玻璃取样

破裂的钢化玻璃如下图1,从外面表面上看,玻璃碎片较小、尺寸相近,钢化比较均匀。在玻璃的中间部位均能找到蝴蝶斑状

起爆点。从起爆点可以判断现场破裂的钢化玻璃均为自爆。从图2起爆点蝴蝶斑局部放大也能看到中心有异质相的夹杂颗粒。可知产生破裂的钢化玻璃都是由于异质相杂质引起的自爆。

2. 钢化玻璃自爆原因分析

钢化玻璃自爆的原因大致可以分为两类:一类是原片玻璃的自身缺陷,例如损伤、爆边、缺陷、气泡、夹杂物等引起的自爆;另一类则是由于硫化镍等异质相杂质的相变体积膨胀而引起的自爆。其中第一类引起的自爆,可以通过观察钢化玻璃的外观筛查出存在爆裂隐患的钢化玻璃,而第二类相变体积膨胀引起的自爆很难在生产安装过程中被人察觉,很难避免此类自爆的发生。根据不完全统计结果分析:95%以上的钢化玻璃自爆是由粒径分布在0.04~0.65mm之间的硫化镍等杂质引起的[1]。

GB15763.2-2005《建筑用安全玻璃第2部分:钢化玻璃》对钢化玻璃碎片状态有具体要求,对于4~12mm的平面钢化玻璃在任何50mm×50mm区域内的最少碎片数量为40片,现场统计3片破碎钢化玻璃的的碎片状态如下表1。

JGT455-2014《建筑门窗幕墙用钢化玻璃》对钢化玻璃碎片状态有上限要求,对4~19mm厚度的平面钢化玻璃,在任何50mm×50mm区域内的最多碎片数为90片。可见表1中三个样品的碎片数均超过90,碎片的数量在一定程度上能反应钢化玻璃表面应力的大小,碎片数越多,表面应力越大,导致钢化玻璃自爆的异质相杂质的临界直越小,钢化玻璃越容易发生自爆。

3. 起爆点蝴蝶斑碎片中杂质SEM显微分析

对表1中三块破裂的钢化玻璃起爆点蝴蝶斑碎片中的异质相杂质进行SEM分析及点扫描能谱成分分析。

由图3可知样品1和样品2中的异质相颗粒为球状的NiS,直径约为150μm。Ni是由玻璃主料石英砂或砂岩带入,S是通过燃料及辅料带入的,在1400℃~1500℃高温熔窑燃烧后在非晶玻璃中析出的NiS,它是晶体,并且存在多种晶体结构,高温相和低温相(相变转换温度为379℃)。这种相变的发生需要特定的温度和一定的时间才能完成。玻璃的钢化是高温淬冷的过程,高温相NiS来不及发生相变而在玻璃钢化结束后在室温下保留下来,高温相的NiS在常温下是不稳定的,处于亚稳状态,始终有向低温相转变的趋势。由于晶体结构的差异,NiS相变的发生伴随着约2%~4%的体积膨胀,在玻璃的内部产生巨大的张应力,产生应力集中,在NiS周围产生微裂纹,裂纹在钢化玻璃内部擴展导致自爆的发生。由NiS相变引发的钢化玻璃自爆可以通过均质处理人工引爆的方法降低钢化玻璃在服役过程自爆。

而样品3的异质相夹杂物是Na2Al2Si5O10,在玻璃生产的降温过程中,由于温度以及冷却速度的不均匀,有部分的硅酸盐析出硅铝酸钠,夹杂在非晶玻璃中保留下来。Na2Al2Si5O10异质相与非晶玻璃玻璃的热膨胀系数存在差异,钢化玻璃服役过程中受到外力或者温度变化时,在两相交界处会产生应力集中,这种应力集中变化放大后就会产生微裂纹,直至在玻璃的内部扩展直至表面发生自爆。这种夹杂物很难通过常规的均质处理来提前引爆钢化玻璃,只能通过后期钢化玻璃检测来排查降低钢化玻璃的自爆率。

4. 降低钢化玻璃服役中的自爆率方法

进一步统计所收集的18块钢化玻璃发现,引起自爆的异质相离子中有13块是NiS、有4块是Na2Al2Si5O10,1块是玻璃种存在缺陷。对于NiS引发的的自爆,可通过二次回火处理(均质处理),人工的完成相变,提前引爆钢化玻璃。对于热膨胀系数的差异引发的自爆,则很难通过热处理的方法降低自爆,但可以在远离人群的地方采用半钢化玻璃,有研究表明钢化玻璃表面应力越小,引发钢化玻璃自爆的异质相离子的直径越大,自爆率越低。

此外,对于正在服役的钢化玻璃可以通过自爆源在线检测技术[2]来排查玻璃内部存在的异质相颗粒。该实验装置通过扫描和采集图像以及应力分析系统,可以检测玻璃幕墙的杂质和缺陷类型、位置和尺寸,对保障处于服役中玻璃幕墙的安全具有重要意义。

参考文献

[1] 屠智革. 钢化玻璃的自爆机理及影响因素[J]. 中国玻璃,2017, 6:39-41.

[2] 万德田. 门窗幕墙用钢化玻璃自爆源和自爆机理分析及在线检测技术[J]. 中国建材科技,2010(S2):178-184

(作者单位:山东省建筑科学研究院)

【中图分类号】TU227

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362(2019)06-0056-02

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