論玻璃幕墻破損原因分析

王 君

（太原市第一建筑工程公司，山西 太原 030001）

玻璃幕墻是現代高檔建筑較多采用的外圍護結構，集合了建筑物外圍護的防風、遮雨、采光、隔熱保溫等功能，并與建筑外墻裝飾相結合，形成融建筑技術一體的建筑外圍護結構，已在我國高層和超高層建筑中廣泛應用。但是幕墻玻璃的破損又直接影響建筑的裝飾效果，并且存在著很大的安全隱患，如何有效地避免這些破損，并將其影響效果減至最小，就必須對其破損原因進行分析，然后對此改進，以減少未知的安全隱患及損失。下面對某工程幕墻作分析介紹：

1 工程簡介

該工程為某電廠綜合辦公樓，采用的建筑結構體系為鋼筋混凝土框架結構和鋼結構（鋼結構包括門廳、休息大廳、咖啡廳），抗震設防烈度為6度。建筑層數為地上6層，地下1層；建筑總高度23.85m，設計總建筑面積14 424.18m2。

鋼結構部分（包括門廳、休息大廳、咖啡廳）封閉為點支承玻璃幕墻，幕墻高度23.85 m。其中立面采用8mm+12A+8mm LOW-E中空鋼化玻璃封閉，封閉面積4 150.7m2。屋頂平面采用6mm+1.52PVB+6mm+12A+8mmLOW-E中空鋼化玻璃封閉，跨度21.6m，封閉面積1 720.9m2。玻璃的分隔尺寸為1 785mm×1 785mm，收口處為異型玻璃，250mm駁接爪與鋼結構連接，玻璃間密封使用硅酮耐候密封膠。

2 原因分析

該工程自2008年8月底竣工交付使用，至今已有兩年。在這兩年當中玻璃幕墻中空鋼化玻璃共計破損10余塊，其中上表面破損占70%。鋼化玻璃有駁接爪固定四周有玻璃膠密封，破損的玻璃形如網狀，不脫落，并且破損花紋從一點向四周擴散。根據現場實際情況，原因分析如下：

2.1 鋼化玻璃質量缺陷自爆

鋼化玻璃在無直接機械外力作用下發生的自動性炸裂叫做鋼化玻璃的自爆。自爆是鋼化玻璃固有的特性之一。

產生自爆的原因很多，簡單地歸納為以下幾種：

2.1.1 玻璃中有結石、雜質

玻璃中有雜質是鋼化玻璃的薄弱點，也是應力集中處。特別是結石處在鋼化玻璃的張應力區是導致炸裂的重要因素。

結石存在于玻璃中，與玻璃體有著不同的膨脹系數。玻璃鋼化后結石周圍裂紋區域的應力集中成倍地增加。當結石膨脹系數小于玻璃，結石周圍的切向應力處于受拉狀態。伴隨結石而存在的裂紋擴展極易發生。

2.1.2 玻璃中含有硫化鎳結晶物

當玻璃鋼化加熱時，玻璃內部板芯溫度約620℃，所有的硫化鎳都處于高溫態的α-NiS相。隨后，玻璃進入風柵急冷，玻璃中的硫化鎳在379℃發生相變。與浮法退火窯不同的是，鋼化急冷時間很短，來不及轉變成低溫態β-NiS而以高溫態硫化鎳α相被“凍結”在玻璃中。快速急冷使玻璃得以鋼化，形成外壓內張的應力統一平衡體。在已經鋼化了的玻璃中硫化鎳相變低速持續地進行著，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力層，位于張應力層內的硫化鎳發生相變時體積膨脹也形成張應力，這兩種張應力疊加在一起，足以引發鋼化玻璃的破裂即自爆。

簡單的說，鎳元素在高溫狀態下非常的小，但在常溫狀態下，又會變大。鋼化玻璃在加熱過程中鎳元素會變小，但在急速冷卻時并沒有來得及變回到常溫狀態時的體型，所以鋼化玻璃會自爆。國家規定，鋼化玻璃的自爆率為3‰。而導致鋼化玻璃破損的內在因素包括鋼化玻璃邊部缺陷等應力集中區域、鋼化玻璃內部應力過大和鋼化玻璃內部存在硫化鎳雜質。前兩種因素是由于鋼化玻璃加工過程中工藝導致的，硫化鎳的因素在原片玻璃制作過程產生。

玻璃表面因加式過程、運輸或施工安裝過程中造成有劃痕、炸口、深爆邊等缺陷，易造成應力集中或導致鋼化玻璃自爆。

2.2 溫差、應力變化

該綜合辦公樓位于山西省柳林縣，屬山區，當地氣溫晝夜溫差較大，經實際測量辦公樓內上午11時玻璃屋頂下方測溫達60℃，且屋面沒有設計安裝排風設施，致使熱氣聚集，應力加大。玻璃在加熱或冷卻時沿玻璃厚度方向產生的溫度梯度不均勻、不對稱，使鋼化制品有自爆的趨向，有的在激冷時就產生“風爆”。如果張應力區偏移到制品的某一邊或者偏移到表面則鋼化玻璃形成自爆。

3 預防及控制

均質處理是公認的徹底解決自爆問題的有效方法。將鋼化玻璃再次加熱到290℃左右并保溫一定時間，使硫化鎳在玻璃出廠前完成晶相轉變，讓今后可能自爆的玻璃在工廠內提前破碎。這種鋼化后再次熱處理的方法，國外稱作“Heat Soak Test”，簡稱HST。我國通常將其譯成“均質處理”，也俗稱“引爆處理”。從原理上看，均質處理似乎很簡單，許多廠家對此并不重視，認為可隨便選擇外購甚至自制均質爐。實際并非如此，玻璃中的硫化鎳夾雜物往往是非化學計量的化合物，含有比例不等的其他元素，其相變速度高度依賴于溫度。研究結果表明，280℃時的相變速率是250℃時的100倍，因此必須確保爐內的各塊玻璃經歷同樣的溫度。否則一方面有些玻璃溫度太高，會引起硫化鎳逆向相變；另一方面溫度低的玻璃因保溫時間不夠，使得硫化鎳相變不完全。

均質爐內的玻璃片之間是熱空氣的對流通道，因此玻璃的堆置方式對于均質處理的質量是極其重要的。首先玻璃的堆置方向應順應氣流方向，不可阻礙空氣流通。其次，玻璃片與片之間的空隙需足夠大，分隔物不能堵塞空氣通道，玻璃片之間至少需有20mm的間隙，片之間不能直接接觸。對于大片玻璃，玻璃很容易因相互緊貼引起溫差過大而破碎。

4 結論

通過以上原因分析：玻璃質量缺陷是玻璃自爆的主要原因，屋面溫差排風通風差為次要原因（誘因）。

鋼化玻璃內部的硫化鎳膨脹是導致鋼化玻璃自爆的主要原因。玻璃經鋼化處理后，表面層形成壓應力。內部板芯層呈張應力，壓應力和張應力共同構成一個平衡體。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力引發的。即屋面溫度過高，玻璃產生膨脹的結石存在于玻璃中，與玻璃體有著不同的膨脹系數。玻璃鋼化后結石周圍裂紋區域的應力集中成倍地增加。當結石膨脹系數小于玻璃，結石周圍的切向應力處于受拉狀態。伴隨結石而存在的裂紋擴展極易發生。