分析钢化玻璃产生自爆的原因及降低钢化玻璃自爆的方法

分析钢化玻璃产生自爆的原因及降低钢化玻璃自爆的方法钢化玻璃与平板玻璃相比有许多优点，如钢化玻璃的强度高，韧性好，抗热冲击性能优越，因此被广泛地应用于玻璃幕墙和门窗工程实践中。但是钢化玻璃也有缺点，如自爆。钢化玻璃在无荷载作用下发生的自发性炸裂称为钢化玻璃的自爆。自爆是钢化玻璃固有的特性之一，产生自爆的原因很多，简单地归纳为以下几种：1．玻璃中有结石、气泡和杂质：玻璃是典型的脆性材料，其力学行为服从断裂力学。玻璃中的结石、气泡和杂质在玻璃中将会形成裂纹，是钢化玻璃的薄弱点，特别是裂纹尖端是应力集中处。如果结石、气泡或杂质处在钢化玻璃的张应力区，或在荷载作用下使其处于张应力，都可能导致钢化玻璃炸裂。2．玻璃中含有硫化镍结晶物：硫化镍夹杂物一般以结晶体存在，室温下存在着相向相转变的倾向，并伴有一定量的体积膨胀。如果这些杂物在钢化玻璃受张应力的部位，或在荷载作用下使其处于张应力区，则体积膨胀会引起自发炸裂。由硫化镍粒子造成的钢化玻璃自爆其爆裂点裂纹形状往往与蝴蝶相似，被称为蝴蝶形裂纹，有些在爆裂点中部有一个有色颗粒，被认为是硫化镍粒子，这两个特性往往被用来作为钢化玻璃是否是自爆的判据。硫化镍粒子在钢化玻璃自爆前后的体积是不同的，爆裂前体积小，不易被看见；自爆后其体积增大，地点确定，很容易被看见，这也是钢化玻璃自爆不易预见的原因之一。3．玻璃表面和边部在加工、运输、贮存和施工过程，可能造成有划痕、炸口和爆边等缺陷，易造成应力集中而导致钢化玻璃自爆。玻璃表面本来就存在大量的微裂纹，这也是玻璃力学行为服从断裂力学的根本原因。这些微裂纹在一定的条件下会扩展，如水蒸气的作用、荷载的作用等，都可能加速微裂纹的扩展。通常情况下微裂纹的扩展速度是极其缓慢的，表现为玻璃的强度是一恒定值。但是玻璃表面的微裂纹有一临界值，当微裂纹尺寸接近或达到临界值时，裂纹快速扩张，导致玻璃破裂。如果玻璃表面存在接近临界尺寸的微裂纹，如玻璃表面和边部在加工、运输、贮存和施工过程造成的划痕、炸口、爆边等缺陷尺寸就较大，玻璃可能在极小的荷载作用下就导致玻璃表面微裂纹快速扩张，最终导致玻璃破裂。4．钢化玻璃在生产过程中需要对玻璃进行加热和冷却，玻璃在加热或冷却时沿玻璃板面方向不均匀和沿厚度方向的不对称，将导致钢化玻璃沿板面方向应力不均匀和沿厚度方向应力分布不对称，这些都有可能造成钢化玻璃自爆。钢化玻璃沿板面方向应力不均匀，可以造成玻璃局部处于张应力，如果这种张应力过大，超过玻璃的断裂强度，玻璃就会爆裂。玻璃板沿厚度方向应力分布应当是对称的，即上下两表面处于压应力，中间处于张应力，上下表面的压应力大小、应力层厚度和变化完全是对称的，玻璃板承受正负风压的能力是相同的。如果玻璃板沿厚度方向应力分布不对称，玻璃板承受正负风压的能力就不相同，一侧承受荷载的能力较强，另一侧较小，即玻璃可能在较小荷载作用下破损，严重时，玻璃板在无荷载作用下产生变形，造成幕墙玻璃影像畸变。5．理论分析和工程实践证明，预应力越大，钢化程度越高，自爆量也越大。普通平板玻璃和半钢化玻璃几乎没有自爆现象，是因为钢化玻璃沿玻璃板厚度方向上下两表面处于压应力，中间层处于张应力。表面压应力越高，一般情况下钢化玻璃的强度也越高，但是中间层的张应力也越高，过大的张应力将会增加钢化玻璃的自爆。6．我国钢化玻璃标准中对钢化玻璃的弓形弯曲度的要求过低，只有弓形弯曲度的相对值要求，没有绝对值要求，对于尺寸小的钢化玻璃可满足要求，而对于尺寸较大的钢化玻璃，尽管其弓形弯曲度的相对值满足要求，但其绝对值过大，致使钢化玻璃的装配应力较大，经一段时间使用后发生钢化玻璃自爆，这也是一些工程钢化玻璃在使用几年后发生自爆的原因。针对以上钢化玻璃自爆的原因，提出以下几点降低钢化玻璃自爆的方法：1．优选平板玻璃高质量的平板玻璃中结石、气泡、杂质和硫化镍含量低，采用优质平板玻璃作为制作钢化玻璃的原片可显著降低钢化玻璃的自爆。2．提高钢化玻璃边部加工质量，避免玻璃边部和表面划伤和磕碰。理论分析和实验表明，钢化玻璃边部钢化程度较低，因此应对钢化玻璃边部重点保护。对于点支式幕墙玻璃，如果对玻璃打孔，孔边一定要精磨，最好达到抛光的程度，因为玻璃板孔边是应力集中部位。3．提高钢化玻璃表面应力均匀度和沿厚度方向的对称度。特别对于low-e玻璃的钢化更要关注其钢化玻璃应力沿厚度方向的对称度，因为low-e玻璃上下表面对热辐射吸收的差异将会造成low-e玻璃在加热时玻璃板沿厚度方向温度的差异，而这种差异最终将会导致钢化玻璃应力沿厚度方向的不对称，目前在玻璃钢化过程中采用强制对流的方法来消除这种不利因素。4．探讨降低钢化玻璃表明压应力限值的可能性。我国新标准要求其表面应力不应小于90MPa，这比此前老标准中规定的95MPa降低了5MPa，美国标准中规定钢化玻璃的表面应力为大于69MPa，可否将我国钢化玻璃表面压应力降低到与美国标准一致非常值得研究。如果可行，将极大地降低钢化玻璃的自爆率。降低表面应力值限值可能会造成钢化玻璃碎片偏大，不过即使钢化玻璃表面应力很高，碎片很好，也无法保证碎片都以分裂状态存在，许多情况下碎片表现为碎而不裂，形成“钢化玻璃被”，其结果与大一点的碎片区别不大，因此可以考虑降低钢化玻璃表面应力值限值。况且我国半钢化玻璃标准规定，其表面应力值限值为不大于60MPa，钢化玻璃标准规定，其表面应力值限值为不小于90MPa，如果玻璃表面应力限值处于60—90MPa之间，既不属于半钢化玻璃，也不属于钢化玻璃，属于不合格品。从这个角度来说，也应将钢化玻璃表面应力值限值降低，如果将半钢化玻璃表面应力值限值与钢化玻璃表面应力值限值连接有困难，至少可将钢化玻璃表面应力值限值降低，缩小两者的差距。5．增加均质钢化玻璃的应用量，研究检测钢化玻璃均质程度的方法，使得均质过程起到应有的作用。6．减少钢化玻璃应用总量，增加半钢化玻璃和夹层玻璃的应用量，可降低钢化玻璃自爆数量。不言而喻，钢化玻璃应用的总量减少，钢化玻璃自爆的数量一定减少。7．减小钢化玻璃板面尺寸，可降低钢化玻璃自爆率。钢化玻璃尺寸越大，玻璃板越厚，自爆概率越大。在一块钢化玻璃板中，只要有一个自爆点，并最终导致钢化玻璃自爆，无论钢化玻璃板块大小，整个钢化玻璃板都破碎。玻璃板块越大，含有杂质、硫化镍粒子、边部加工缺陷、表面划伤、应力的不均匀等等导致钢化玻璃自爆的不利因素就随之增加。在同样荷载作用下，玻璃板块越大，玻璃板就得越厚，含有杂质、硫化镍粒子、边部加工缺陷、表面划伤、应力的不均匀等等导致钢化玻璃自爆的不利因素也会增加，钢化玻璃自爆概率就会加大。8．实践工程中，钢化玻璃使用面积越来越大，对于大板面的钢化玻璃不仅对其弯曲度的相对值提出要求，而且应对其弯曲度的绝对值提出要求，以减小钢化玻璃装配应力，避免钢化玻璃经长时间使用后发生自爆。