幕墻工程鋼化玻璃破損案例分析

張雅健（上海建科檢驗有限公司，上海 201108）

建筑工程中鋼化玻璃發生破損、掉落等情況經常見諸報端，部分項目更是發展成一種普遍現象。這給建筑運營商帶來了極大的麻煩，玻璃自爆嚴重威脅和財產安全，并會給正常的運營造成惡劣影響。而玻璃破損后一般馬上進行處理更換，并沒有保留相關證據，無法深入研究其真正的破損原因。鋼化玻璃在制造、貯存、 運輸、安裝及使用過程中，均有潛在的自爆問題，對人身財產安全威脅明顯，因此國內外研究人員一直在尋找能有效遏制鋼化玻璃自爆的措施［1］，而目前業界普遍認為因結石導致的玻璃自爆率依然高達 0.3%，但究竟如何評價自爆率 0.3% 一直存在較大的差異。本文通過對現場鋼化玻璃的檢查評估，對產品質量的檢驗檢測，并分析玻璃破損的原因。

1 問題描述

無錫某酒店坐落于座落于美麗的太湖廣場，是市中心的標志性建筑物之一，其高達 200 m 的高度令人印象深刻，是高檔的休閑、娛樂及商務的活動場所。該酒店建筑面積140 000 m2，酒店﹣2 F，地上 51 F，建筑高度為 196.3 m，結構性質為框筒結構。本項目幕墻玻璃安裝工程于 2006 年6 月開始，2008 年 1 月 8 日竣工，包括明框玻璃幕墻、半隱框玻璃幕墻以及全隱框玻璃幕墻，主樓透光部位采用中空（8 Low-E＋12 A＋8）mm玻璃。但在竣工驗收后，2008年 5 月到 2012 年 11 月期間，主樓玻璃就陸續破損了 402塊，破損比例達到了 5.7%，遠高于行業內 3‰ 平均水平，過高的破損率嚴重影響到了酒店的正常運營。因此酒店委托檢驗機構對產品質量進行分析評估。

在現場勘查時發現不同樓層均出現了玻璃破損現象。玻璃破損現象基本相似，玻璃表面無撞擊痕跡，破損中心有清晰的螺旋線形狀裂紋，碎片大小不一致，且局部有發現碎片偏大的情況，另外可觀察到破碎玻璃表面存在如圖 1 所示的明顯蝴蝶狀的碎片，蝴蝶斑公共邊上可觀察到細小的黑點。

圖1 鋼化玻璃碎裂點蝴蝶狀碎片

2 原因分析

正常情況下，鋼化玻璃破損的原因較為復雜，主要涉及幕墻設計、產品質量（包括玻璃原片、鋼化加工等）、安裝施工、使用等方面［2］。

結合現場發現的問題，初步懷疑本次玻璃破損的可能原因主要由鋼化后應力分布不均，顆粒度較大，原片玻璃質量不好等引起。

3 針對本項目問題的試驗驗證

3.1 總體方案

根據委托方提供的合同及相關破損照片及資料，依據國家標準 GB 15763.2-2005《建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃》，GB/T 15617-2002《硅酸鹽礦物的電子探針定量分析方法》及其他相關標準和規范等。檢測鋼化玻璃的表面應力、碎片狀態、成分分析等相關項目。

現場對檢測所需樣品進行了取樣，分別檢測表面應力、碎片狀態以及碎片成分分析，本次檢測覆蓋了大部分樓層。由于碎片狀態測試為破壞性檢測，考慮到工程已投入使用，為盡量減少相關方損失，故整體工程抽取 3 組玻璃(15 塊)，現場進行分組編號并封樣。取工程 7～32 層為 A組，33～55 層為 B 組，1～6 層為 C 組，每組隨機抽取 5 塊樣品，其中 1 塊為備樣。在現場對以上樣品進行分組編號并封樣，由于現場施工條件的限制，實際抽樣的樣品僅拆卸下12 塊，送至本機構實驗室。

現場抽取了已破損、但未飛散仍保留在原位的玻璃碎片樣品 3 塊（樣品均包含起爆點周邊的玻璃我域，由本機構帶回實驗室。這 3 塊碎片樣品分別為該酒店 5231 房間東立面破損玻璃(約 370 mm×300 mm)、5219 房間北立面破損玻璃(約 410 mm×390 mm)以及 5506 房間北立面破損玻璃(約410 mm×390 mm)。

3.2 檢測過程

（1）表面應力和碎片狀態檢測及分析。現場進行的表面應力檢測，根據 GB 15763.2—2005 的標準要求，表面應力≥90 MPa，取 3 塊試樣進行試驗，當全部符合或2 塊試樣符合，再追加的 3 塊試樣全部符合時為合格；當2 塊試樣不符合時，則為不合格。檢測共計覆蓋 20 個樓層 18 組樣品，發現 3 組樣品檢測結果＜90 MPa，不符合GB 15763.2—2005標準要求。

實驗室對 A、B、C 組樣品進行碎片狀態項目檢測，根據GB 15763.2—2005的標準要求，取 4 塊玻璃試樣進行試驗，每塊試樣在任何 50 mm×50 mm 我域內的最少碎片數為 40 片，允許有少量長度 ≤75 mm 的長條形碎片。其中 A組和 C 組檢測結果不符合 GB 15763.2—2005 標準要求。

（2）破損玻璃成分分析檢測。現場發現該酒店第 52、55 等樓層均有破損但仍保留在原位的玻璃。實驗室將 3 塊破損的玻璃樣品（含起爆點蝴蝶斑）進行成分分析，根據GB/T 15617—2002，采用 JXA-8100 電子探針儀進行分析 3塊樣品均測出蝴蝶斑公共邊上的黑色雜質點，外觀均呈現圓球狀，凸立在玻璃的一處斷面上，其形貌明顯我別于玻璃材質的形貌，分析得出的主要成分為硫(S)和鎳(Ni)偏高。

3.3 驗證分析原因

根據現場勘查及相關試驗結果，分析玻璃破損的原因由生產工藝和玻璃原片雜質所致。

3.3.1 生產工藝

根據試驗數據得知，所檢驗的產品存在表面應力及碎片狀態不合格的情況，而造成產品質量不合格的原因可能有以下幾方面。

（1）加熱不均勻。鋼化玻璃生產線的加熱不均主要是由于加熱系統故障造成的。因為玻璃在加熱爐中靠電爐絲加熱，而電爐絲長時間使用會因氧化變細，可能造成接觸不良或熔斷，導致鋼化爐爐體內局部加熱功能喪失，從而導致玻璃板面溫度不均勻。溫度控制系統故障，每臺鋼化爐由多個溫度控制我和與之相對應的溫控器組成，如果溫控器發生故障，爐體內局部失去控制，造成玻璃加熱的不均勻。

（2）冷卻不均勻。冷卻風柵局部堵塞或風柵有設計制造缺陷，造成吹風不均勻，導致玻璃板面冷卻不均勻。

（3）加熱冷卻的工藝制度設定不合理。加熱溫度、時間和冷卻風壓及吹風時間應隨玻璃厚度、顏色及環境溫度的變化而適當調整。

（4）急于提高產量，裝爐率高，使爐溫下降過快，加熱系統補熱能力不足。

3.3.2 玻璃原片雜質

根據試驗數據分析得出主要成分為硫(S)和鎳(Ni)，評估分析現場勘查結果確認有害雜質硫化鎳導致玻璃自爆破損，具體分析如下。

鋼化玻璃自爆［5］往往是由于生產鋼化玻璃的原片內部存在一些微小的硫化鎳雜質而導致的。硫化鎳是一種晶體，存在高溫相和低溫相，相變溫度為 379℃。鋼化玻璃是通過加熱后聚冷工藝、使玻璃表面產生壓應力，從而大大提高碎性玻璃強度。在鋼化爐內加熱時，玻璃內部溫度約 700℃，因為加熱溫度高于相變溫度，低溫相硫化鎳全部轉化為高溫相。在隨后的猝冷過程中，玻璃進入風柵急冷，由于急冷時間很短，高溫相來不及轉變為低溫相，從而被凝結在鋼化玻璃中。在室溫環境下，高溫相是并不穩定的，會隨著時間的推移有逐漸轉變為低溫相的趨勢，這種轉變伴隨著約2%～4% 的體積膨脹，使玻璃承受巨大的相變張應力，造成硫化鎳附近我域應力集中，破壞了玻璃表面的應力平衡，從而導致鋼化玻璃自爆。

送檢的 3 塊鋼化玻璃經檢測分析，玻璃破損的原因為內部有害雜質（硫化鎳）相變膨脹，最終導致該玻璃板塊自爆破壞。

鋼化玻璃破損率較高。根據委托方提供的資料分析，該酒店主樓共安裝 7 054 塊中空玻璃，2008 年 5 月到 2012 年11 月期間，主樓玻璃破損 402 塊，占主樓中空玻璃總數的5.7%，遠大于玻璃行業中鋼化玻璃自爆率的平均水平。這種鋼化玻璃破損率較高的情況，屬于異常現象。

玻璃破損部位沒有明顯的分布傾向性。根據委托方提供的破損玻璃統計記錄（2009 年 8 月至 2012 年 12 月），使用后破損的玻璃分布于中空玻璃的內片、外片，記錄顯示內片破損為 164 片，外片破損為 241 片；破損玻璃分別分布于酒店的東南立面、西立面及北立面，其中東南立面破損117 片，西立面破損 153 片，北立面破損 118 片。根據以上破損情況統計分析，玻璃破損部位沒有明顯的分布傾向性。

無外力撞擊導致玻璃板塊破壞特征。一般由外力作用導致的玻璃板塊破壞特征為：破損中心清晰可辨，中心呈發散螺旋線形狀，從中心出發沿徑向呈網狀分布，外力作用點我域存在玻璃碎屑缺失、有凹陷。現場勘查了現場保留在原位的3塊破損玻璃，破損狀態均不符合上述特征。

保留破碎現狀的 3 塊玻璃破損情況符合典型的鋼化玻璃自爆特征，有害雜質硫化鎳導致該 3 塊玻璃自爆破損。一般由內部有害雜質（硫化鎳、單質硅等）原因導致的鋼化玻璃自爆的特征為：破損中心有清晰的螺旋線形狀裂紋，一般由兩小塊有公共邊的多邊形組成的類似兩片蝴蝶翅膀狀圖案（俗稱蝴蝶斑），且在公共邊上有細小的黑點存在。現場勘查保留破碎現狀的 3 塊玻璃的破損情況均符合上述自爆特征。且3塊破損玻璃樣品（含起爆點蝴蝶斑）經電子探針定量分析，均在破損中心發現硫、鎳成分，說明細小黑點是硫化鎳雜質，且雜質顆粒直徑＞100 μm。

玻璃的原片雜質含量偏高。根據以上分析可得，內部有害雜質引起玻璃破損的可能性較高。以玻璃密度為 2 500 kg/m3進行估算，根據委托方提供基本資料的數據，該酒店主樓安裝 7 054 塊中空玻璃，總重量約為 708 t，2008 年 5 月到2012 年 11 月期間，主樓玻璃破損 402 塊，即約每 1.8 t 玻璃中含有 1 個雜質顆粒，遠遠超過了玻璃行業中平均 4～12 t原材料中含有 1 個雜質顆粒的水平，說明涉案玻璃的原片雜質含量偏高。

3.4 解決措施

（1）針對本項目確認的破損玻璃應進行及時的更換，對暫未更換的玻璃進行必要的警示，避免造成二次破損而帶來安全風險。

（2）原片質量。鋼化玻璃一般選用平板玻璃作為原片。平板玻璃應符合GB 11614-2009《平板玻璃》有關規定，條件允許可以選用標準中一等品的質量要求。

（3）均質處理。均質處理是徹底解決自爆問題的有效方法之一，可以依據GB 15763.4—2009《建筑用安全玻璃第4部分：均質鋼化玻璃》標準要求，對鋼化玻璃再次加熱到 280℃，并保溫至少 2 h 以上的時間，使可能出現自爆的玻璃在均質過程中提前破碎，從而避免后續自爆的產生。

（4）生產工藝改進及必要的防護。鋼化玻璃應符合GB 15763.2—2005，在生產過程中加強生產工藝管控，邊部加工應進行倒角磨邊處理，減小應力集中。做好成品保護，防止在運輸過程中造成爆邊、裂紋、缺角等問題出現。

4 結 語

綜上所述，本案鋼化玻璃破損的原因可以歸結為原片玻璃雜質較多、生產工藝控制等多方面因素。我們可以在生產、加工、安裝及設計等環節增加預防、改進措施以有效減少鋼化玻璃的破損。在破損發生的階段，一般可以采取以下流程進行分析。

（1）了解委托方訴求，收集玻璃幕墻相關設計、安裝、產品等資料；

（2）現場勘測，觀察和記錄破損比例、破損狀態；

（3）制定抽樣方案，現場取樣，在實驗室進行鋼化玻璃的碎片狀態、表面應力性能檢測；

（4）尋找碎裂點，進行硅酸鹽的成分分析看是否有雜質；

（5）根據分析結果，追溯玻璃破損最可能的原因；

（6）針對破損原因，對玻璃采取補救措施。