建筑用鋼化玻璃自爆機理及預防措施研究

彭國容，熊渝興

（1重慶恒意建設工程質量檢測有限公司 重慶 400016 2重慶建工第三建設有限責任公司 重慶 400016）

建筑用鋼化玻璃自爆機理及預防措施研究

彭國容1，熊渝興2

（1重慶恒意建設工程質量檢測有限公司 重慶 400016 2重慶建工第三建設有限責任公司 重慶 400016）

本文揭示了鋼化玻璃及其成套設施在使用過程中存在的安全隱患及其產生原因，提出了控制安全隱患的主要技術措施，研究成果對鋼化玻璃自爆傷人事故的預防和控制，具有一定的參考價值。

鋼化玻璃；自爆現象；原因分析；防控措施

1 引言

玻璃幕墻安全隱患主要來源于鋼化玻璃自爆。這種無預兆、無外部直接作用情況下自動炸裂、墜落的自爆現象，成為在高樓林立的都市中懸在人們頭上隨時可能發生的重大安全隱患。

無論是國內大型現代玻璃生產加工企業，或是象英國皮爾金頓這樣號稱“百年老廠”的專業玻璃生產廠家，至今都無法徹底解決普通建筑用鋼化玻璃的自爆問題。因此，業界一致公認：迄今為止，鋼化玻璃自爆，是目前仍未解決的“玻璃幕墻癌癥”。

幕墻鋼化玻璃爆裂的原因，有內因和外因。

外因：由于設計問題造成玻璃受力狀況不合理，即增大了玻璃平面外受力；設計選材，選型不能滿足強度要求；安裝施工不規范使玻璃局部受力超過承載極限等等。

內因：一是由于玻璃生產加工中存在質量缺陷，例如結石、砂粒、氣泡、夾雜物、缺口、劃傷、爆邊等；二是由于玻璃中夾雜的硫化鎳（NiS）雜質在相變過程中，體積膨脹引起自爆。

在玻璃爆裂的外因與內因之中，內因是主要因素。而在作為主要因素的內因中，硫化鎳雜質膨脹引發的“自爆”又是最主要的因素。數據資料顯示：鋼化玻璃自爆95%左右由硫化鎳結石膨脹所致。

本文研究主要內容是鋼化玻璃自爆機理及應對措施。

2 鋼化玻璃特有的材質特性——自爆現象

鋼化玻璃的自爆現象可以表述為鋼化玻璃在無外力直接作用的情況下自動發生破碎的現象。自爆時間無確定性，可能是剛出爐，也可能是出廠后1～2月，還可能是出廠后1～2年，甚至在產品生產完成4～5年后，仍有自爆現象發生。

關于自爆發生的概率，大部分生產廠家認同：靜態自爆概率約2～3‰，安裝施工后使用過程中自爆概率約3～5‰左右。

如何鑒別鋼化玻璃自爆？

首先看起爆點（鋼化玻璃裂紋呈放射狀，均有起始點，稱為起爆點）是否在玻璃中間，如在玻璃邊緣，一般是因為玻璃未經過倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷，造成應力集中，裂紋逐漸發展造成的；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）應有肉眼可見的黑色小顆粒（硫化鎳結石），則可判斷是自爆的；否則就應是外力破壞的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑，如圖1所示。

圖1 玻璃自爆典型特征蝴蝶斑

玻璃碎片呈放射狀分布，放射中心有兩塊形似蝴蝶翅膀的玻璃塊，俗稱“蝴蝶斑”。圖示自爆點即NiS結石位置處于兩塊狀似蝴蝶翅膀碎塊的界面上。

通過對多起自爆的研究，發現引起自爆的硫化鎳直徑在0.04mm～0.65mm，平均粒徑為0.2mm。硫化鎳在玻璃中一般位于張應力區，大部分集中在板芯部位的高張應力區。處在壓應力區的NiS,一般不會導致自爆。

3 鋼化玻璃自爆現象之原因分析

3.1 自爆現象內因分析

鋼化玻璃自爆現象主要由玻璃中微小的硫化鎳 （NiS）顆粒體積膨脹引發，迄今為止，國內外生產廠家無法對其目測檢驗，故不可控，成為鋼化玻璃自爆的主要因素，被稱之為“幕墻玻璃的癌癥”。自爆原因之內在因素主要如下：

3.1.1 硫化鎳（NiS）相變引發自爆

《玻璃幕墻工程技術規范》(JGJ102)條文說明第3.4.5條：“浮法玻璃由于存在著肉眼不易看見的硫化鎳結石，在鋼化后這種結石隨著時間的推移會發生晶態變化而可能導致鋼化玻璃自爆”。什么是晶態變化？為什么晶態變化可能導致鋼化玻璃自爆？

生產玻璃的原料中通常含有微量的鎳和硫，熔化過程中鎳合金碎片也會增加玻璃中的鎳含量。當玻璃被加熱時，這些原子發生反應，形成微小的硫化鎳晶體。熔爐中0.1克鎳可以形成的晶體數量多達5萬個。

這些晶體以兩種方式存在：高溫下穩定的密度較大的α相和室溫下穩定的密度小一些的β相。浮法玻璃中硫化鎳晶體基本上以β相存在,用浮法玻璃加工鋼化玻璃的強化過程中的高溫把所有的硫化鎳晶體都轉化成高密度的α相。但是接下來的冷卻過程如此迅速，以致于硫化鎳晶體沒有足夠的時間重新轉化成β相。這在玻璃中遺留下不穩定的α相晶體，它就像被壓縮的彈簧一樣隨時準備毫無征兆地重新轉化為β相。

硫化鎳晶體由α相轉化成β相時體積膨脹4%。如果α相晶體位于張力最大的玻璃中央，膨脹產生的壓力可以使整塊玻璃破裂。

玻璃廠家迄今沒有找到從源頭上消除這種雜質的方法。因此，硫化鎳晶體相變所產生的膨脹變形，是鋼化玻璃發生自爆的主要內因。

3.1.2 玻璃在溫度變化影響下熱脹冷縮使玻璃破裂

玻璃的線膨脹系數為α＝1X10-5，如果在玻璃安裝時與鑲嵌槽底緊密接觸，一旦伸長就會產生擠壓應力，這種應力很大，足以使玻璃破壞。

3.1.3 玻璃受熱不均勻產生熱炸裂

玻璃暴露在陽光直射的部分吸引紅外線和可見光線轉化為熱量，溫度升高，這一部分玻璃受熱膨脹，而沒有受熱或者鑲嵌在槽底或者陰影下的那一部分玻璃因受不到陽光的輻射，不能同步膨脹，內部的熱應力即形成，受熱多的區域對受熱少的區域產生張應力，這種張應力超過玻璃本身的抗拉強度就會導致玻璃的破裂，在玻璃邊緣存在微小裂紋情況下更易引發熱炸裂。

3.1.4 玻璃生產加工過程中的缺陷使玻璃破裂

玻璃生產加工過程中的可見缺陷，如氣泡、砂粒、結石、夾雜質、缺口、劃傷、爆邊等，若質檢把關不嚴或漏檢，在一定條件下也可引發玻璃自爆。

3.2 自爆現象外因分析

3.2.1 施工質量是關系到玻璃開裂的重要原因

規范JGJ102規定了玻璃邊緣與槽口的配合尺寸，它的目的就是保證玻璃在溫度變化和其他因素影響下能自由伸縮。一旦出現阻礙玻璃自由伸縮的因素，玻璃就會破裂，玻璃槽口兩側不能用硬性材料阻塞，玻璃在平面外力作用的影響下會產生翹曲，如果嵌縫材料阻礙玻璃翹曲變形也會使玻璃破裂，必須用彈性材料填縫，填縫材料要保持必要的彈性以保證玻璃自由翹曲變形。

3.2.2 玻璃幕墻所依附的主體結構在風荷載或地震作用下產生層間的變化也能使玻璃破裂

主體結構在荷載或地震作用下產生變化時，它必然強制玻璃框格和它同步變化，這時框格的形狀由矩形變成了菱形，如果玻璃邊緣與鑲嵌槽底板間沒有足夠的間隙適應這種變化，也會將玻璃擠碎。

3.2.3 玻璃的切割產生的微小裂口造成玻璃的破裂

玻璃在裁劃切斷時，沿玻璃周邊隱藏著許多微小裂口，這些裂口在各種效應與熱應力影響下，會擴展成裂縫，裂縫進一步發展導致玻璃破裂，因此在裁劃玻璃后，要用磨邊機進行處理，消除周邊隱藏的微小的裂口。

3.2.4 設計不當引發玻璃破裂

設計應根據規范及工程實際的受力情況，選擇最佳的幕墻形式，并選擇合適的材料，使整個幕墻結構處于最佳受力狀態，以避免額外應力，增加結構使用的安全性。如設計選型不當，使玻璃處于不良應力狀態，會加大玻璃破損幾率；如遇內力、外力疊加，超過承載力，會導致玻璃破碎。

4 防范鋼化玻璃自爆的對策

4.1 源頭質量把關

鋼化玻璃一般采用浮法玻璃作原片。建筑級浮法玻璃外觀質量各項性能及檢測方法應符合 《建筑用鋼化玻璃第2部份：鋼化玻璃》（GB15673.2-2005）有關規定。

優先選用大廠出廠的原片玻璃，他們選材、工藝控制較嚴，混入雜質的機率較小。

鋼化玻璃邊緣應進行倒角磨邊處理，減小應力集中。

做好玻璃的成品保護，防止蹦邊、掉角，對蹦邊、掉角不大的用拋光機磨成圓弧面，減小應力集中。

采購時要求玻璃廠進行鋼化后的均質處理 （引爆處理），一般小廠沒有均質爐，或者有也出于成本考慮不用。因此，購買時要與其約定自爆率，以備日后索賠。

4.2 鋼化質量把關

4.2.1 控制鋼化應力

鋼化應力越大，硫化鎳結石的臨界半徑就越小，能引起自爆的結石就越多。顯然，鋼化應力應控制在適當的范圍內，這樣既可保證鋼化碎片顆粒滿足有關標準，也能避免高應力引起的不必要自爆風險。平面應力應越小越好，這樣不僅減小自爆風險，而且能提高鋼化玻璃的平整度。

4.2.2 均質處理（HST）

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。這種鋼化后再次處理的方法，我國通常將其譯成“均質處理”，也俗稱“引爆處理”，簡稱HST。

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制度，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。兩種情況均會導致無效的均質處理。調查數據顯示，最好的進口爐也存在30℃以上的溫差，多臺國產爐內的溫差甚至超過55℃。這或許解釋了經均質處理的玻璃仍然出現許多自爆的原因。

4.2.3 均質爐

均質處理的關鍵設備是均質爐，均質爐必須采用強制對流加熱的方式加熱玻璃。對流加熱靠熱空氣加熱玻璃，加熱元件布置在風道中，空氣在風道中被加熱，然后進入爐內。這種加熱方式可避免元件直接輻射加熱玻璃，引起玻璃局部過熱（圖2）。

圖2 均質爐

4.2.4 均質爐內玻璃堆置方式及支撐間隔，均質溫控制度，應嚴格執行相關技術標準。

4.3 設計、施工及使用過程中質量把關

型材設計時充分考慮玻璃的熱脹冷縮和層間位移變形，留出變形空間，施工時注意玻璃下部墊塊的厚度和硬度以及玻璃與框周邊的間隙。

設計應充分重視玻璃幕墻所依附的主體結構在風荷載或地震作用下產生層間的變化使玻璃破裂，允許的層間位移變形值，應根據主體結構彈性層間位移限值的3倍來確定。

防止玻璃受熱不均勻產生熱炸裂。玻璃暴露在陽光直射的部分吸引紅外線和可見光線轉化為熱量，溫度升高，這一部分玻璃受熱膨脹，而沒有受熱或者鑲嵌在槽底或者陰影下的那一部分玻璃因受不到陽光的輻射，不能同步膨脹，內部的熱應力即形成，受熱多的區域對受熱少的區域產生張應力，這種張應力超過玻璃本身的抗拉強度就會導致玻璃的破裂，在玻璃邊緣存在微小裂紋情況下更易引發熱炸裂，因此在施工及使用過程中應采取必要的構造措施來防止熱炸裂。

采光頂和天窗等非垂直安裝的場合，當屋面玻璃最高點離地＞3m時，必須使用夾層玻璃，不允許使用鋼化玻璃；當屋面玻璃最高點離地≤3m時，允許使用鋼化玻璃，但應采用均質鋼化玻璃。在重要場所或特殊位置使用鋼化玻璃時為杜絕玻璃炸裂傷人，應考慮增貼防飛濺安全膜。

鋼化玻璃與窗框之間宜選用高彈性密封材料填充。

室內空調設備不宜直接面對幕墻鋼化玻璃吹熱風。

四邊支承鋼化玻璃的最大許用面積為相同厚度普通退火玻璃的2.0～3.0倍。由于國內各鋼化玻璃生產廠家的質量參差不齊，具體取值應經抗風壓試驗確定。

鋼化后的玻璃不能切割、鉆孔和開槽。

5 結束語

（1）建筑用熱鋼化玻璃的自爆現象，是由鋼化玻璃本身的材質特性和生產加工方式所決定的一種特性。迄今為止，國內外生產廠家尚不能有效解決鋼化玻璃自爆問題，被業界視為“建筑用玻璃幕墻的癌癥”，因此，屬于安全玻璃范疇的鋼化玻璃并不真正安全，業界和社會應對此有所認識和防范。

（2）鋼化玻璃自爆的主要原因是由于玻璃中所含硫化鎳結石（NiS）相變產生體積膨脹所致。解決鋼化玻璃自爆的較有效辦法，是進行科學有效的均質處理，即二次加熱引爆處理。經正規引爆處理后的鋼化玻璃，其自爆概率比未作二次處理下降50%以上。

（3）國家建設部和發改委、質監總局等四部委局，早在2003年就發布了《建筑安全玻璃管理規定》。其中第二條明確指出：本規定所稱安全玻璃，是指符合現行國家標準的鋼化玻璃……生產廠家“應有完整的工藝設備”。

目前高層建筑大量采用的節能中空鋼化玻璃，其玻璃厚度大多采用8mm以下規格。按照現行國家標準（如《裝飾裝修工程質量驗收規范》（GB50210－2001）；《建筑玻璃應用技術規程》（JGJ113-2009）），均要求對這類玻璃進行均質處理，以大幅降低潛在隱患。

但是，本人在調研考察中發現：上述國家標準在部分廠家未能執行，甚至根本缺乏關鍵設備就大量生產供應不符合國家標準的產品上市，這必然帶來潛在的安全風險。媒體大量報道的玻璃自爆事故，提示我們應高度重視并加強行業管理。

（4）重要場所及特殊部位使用幕墻鋼化玻璃，必須進行技術可靠的均質處理，并考慮增貼防飛濺安全膜。有條件時可使用“鈦金箔膜”與普通浮法玻璃復合而成的“鈦金箔膜復合安全玻璃。”這種“強而不自爆，碎而不散落”的防飛濺玻璃，才是真正的安全玻璃。

[1]GB50210-2001,裝飾裝修工程質量驗收規范[S].

[2]JGJ113-2009,建筑玻璃應用技術規程[S].

[3]GB15673.2-2005，建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃[S].

[4]龍文志.建筑施工[M].2006.

責任編輯：余詠梅

CAD在控制預留預埋中的應用

針對以往施工過程中經常發生事后補救等影響安裝質量及進度的情況，筆者在內控作業中采用CAD軟件里的簡單命令"復制""粘貼"，較好做到了預控各專業的預留預埋工作。此方法應用于剛竣工驗收的兩座高層建筑中，無一錯漏，效果良好。

在預留、預埋工作較多的地下施工階段，尤其能夠體現出該方法的簡單高效。以某高層住宅樓地下室為例，可在CAD中新建一文件，復制出地下一層平面圖(建筑施工)到新建文件中作為平臺，然后依次打開各專業相應的地下一層布置圖，按先簡后繁的順序依次把各專業的預留洞、預埋套管及預埋件等復制、粘貼到新建文件的地下一層平面圖(平臺)中，刪掉無關的數據，使圖紙簡單明了。注意應使用編輯菜單下的帶基點復制命令，可以達到精確控制復制目標的目的。采用不同的顏色區分不同專業的預留洞、預埋套管及預埋件等，可收到一目了然的效果。

雖然此項內控工作只是簡單地"復制""粘貼"，但要求耐心細致。要把各專業需預埋的套管、預留洞的平面定位尺寸、標高、留洞尺寸及套管直徑、材質等相關數據標明，質量檢查過程中不用把所有專業的圖紙同時帶在身邊，只需打印出此控制圖，各專業涉及的預留、預埋工作便可同時得到控制。如果個別專業的預留、預埋較多，也可按專業單獨制作預留、預埋控制圖，靈活應用。

（摘自：《建筑工人》）

On Glass Curtain Wall Safe Hidden Trouble Generating Mechanism and Coping Measures

This paper first reveals that the reasons causing the safe hidden troubles in toughened glass and complete facilities during the performing process.Then the author proposes some major technical measures to control the safe hidden troubles.Research results is of referential values for preventing and controlling the explosive wounding incidents concerning toughened glass.

toughened glass;explosive phenomenon;cause analysis;prevention and control measure

TQ171.72

A

1671-9107（2011）08-0012-04

注：本文主要內容來源為重慶市建委2009年建設科研課題項目“城科字2009第（88）號，已于2010年通過結題驗收。”

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.08.012

2011-06-14

彭國容（1977－），女，重慶人，本科，高級工程師，主要從事建筑材料試驗研究工作。