建筑玻璃板坯材料的應(yīng)用

建筑玻璃板坯材料的應(yīng)用

解決了工藝事故的機理,提高了玻璃的強度作為一種安全玻璃，玻璃廣泛應(yīng)用于建筑門窗和墻體，但玻璃在使用過程中經(jīng)常發(fā)生意想不到的爆炸。鋼化玻璃的自爆輕則引起使用不便,重則危及人身安全。建筑用鋼化玻璃主要是采用物理法生產(chǎn)工藝加工。物理法加工的特點是先硬化的玻璃外層產(chǎn)生壓應(yīng)力,后硬化的玻璃內(nèi)層產(chǎn)生張應(yīng)力。由于玻璃表面的這種壓應(yīng)力的存在,在外力作用于玻璃表面時,首先要抵消已存在的壓應(yīng)力,從而大大提高了玻璃的機械強度。由于鋼化玻璃這種內(nèi)張外壓應(yīng)力的存在,使得鋼化玻璃的強度可以達到普通平板玻璃強度的4~5倍,同時鋼化玻璃破碎后立即分裂成沒有尖角產(chǎn)生的小碎片,大大減小了對人身傷害的程度。因此,鋼化玻璃作為安全玻璃廣泛應(yīng)用于建筑門窗和幕墻上。1玻璃中nis引起的自殺普通平板玻璃經(jīng)物理法鋼化熱處理后,玻璃表面層的壓應(yīng)力和板芯層的張應(yīng)力共同構(gòu)成一個應(yīng)力平衡體。玻璃是一種脆性材料,耐壓但不耐拉,因此玻璃的破碎主要是因板芯層張應(yīng)力所引發(fā)。鋼化玻璃的自爆指玻璃在無直接外力作用下發(fā)生自動炸裂的現(xiàn)象。鋼化玻璃的自爆主要有兩種情況,一是玻璃鋼化加工過程中的自動爆裂,二是玻璃在運輸、貯存及使用過程中的自動爆裂。前一種情況主要因玻璃生產(chǎn)過程中存在的砂粒、氣泡等夾雜物及人為造成的刮傷、爆邊及缺口等工藝缺陷引起的;第二種情況主要因玻璃中殘留的硫化鎳(NiS)相變產(chǎn)生的體積膨脹所引起。一般我們常提到的鋼化玻璃自爆主要指第二種情況,也是本文探討的問題。NiS的存在主要是由于平板玻璃的生產(chǎn)過程所致。NiS是一種晶體,存在高溫相(α-NiS)和低溫相(β-NiS)二種晶相,相變溫度為379℃。物理法鋼化玻璃的熱處理溫度約為650℃,因玻璃加熱時溫度遠高于NiS的相變溫度,因此,在鋼化熱處理過程中,玻璃中的NiS全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。然而在隨后的淬冷過程中,玻璃中NiS的α相來不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?從而被凍結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下,NiS的α相是不穩(wěn)定的,有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟内厔?。在晶相的轉(zhuǎn)變過程中,NiS體積膨脹為2%~4%,使玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力,從而導(dǎo)致自爆。典型的NiS引起的自爆碎片見圖1。通過圖1可以看出,鋼化玻璃破碎后,碎片呈放射狀分布,在放射中心有二塊形似蝴蝶翅膀的玻璃塊,俗稱“蝴蝶斑”。NiS結(jié)石就位于二塊“蝴蝶斑”的界面上。研究表明,引起自爆的NiS包含物的粒子尺寸變化在0.04~0.65mm之間,平均在0.2mm左右。所有的能夠?qū)е虏Ａё员腘iS包含物都在鋼化玻璃的內(nèi)部,大約在玻璃厚度方向25%~75%的范圍之間(即位于玻璃的張應(yīng)力區(qū)內(nèi))。2玻璃的鋼化均勻度根據(jù)玻璃的鋼化原理,玻璃鋼化后,內(nèi)部存在的張應(yīng)力與壓應(yīng)力達到一個整體的應(yīng)力平衡,無論在生產(chǎn)的過程中或者是成品使用過程中,一旦這種應(yīng)力平衡被打破,玻璃就會發(fā)生爆裂,即玻璃產(chǎn)生自爆。研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致玻璃自爆的NiS存在一個臨界直徑Dc,這個臨界直徑取決于NiS包含物周圍的應(yīng)力σ0(玻璃內(nèi)部NiS石頭位置的退火水平):式中K1c——應(yīng)力強度因子,K1c=0.76×105Nm-3/2;P0——度量相變及熱膨脹的因子,P0=615MPa。通過式(1)計算可知,在玻璃內(nèi)部張應(yīng)力為65MPa時,破壞玻璃的最小NiS直徑大約為0.04mm。玻璃的鋼化其實就是玻璃的重新熱處理。在實際使用中發(fā)現(xiàn),玻璃的鋼化程度越高,鋼化玻璃的自爆比例就越大。玻璃的鋼化程度實質(zhì)上可歸結(jié)于玻璃內(nèi)應(yīng)力的大小。Jacob給出了鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值與50mm×50mm范圍內(nèi)碎片顆粒數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系,見圖2。圖2為按照美國ASTMC1048標準確定的鋼化玻璃表面應(yīng)力范圍,從圖2中可以看出,SSI鋼化玻璃表面應(yīng)力儀測出的表面應(yīng)力為90MPa時,對應(yīng)的碎片數(shù)大約為52片,并且隨著鋼化玻璃表面應(yīng)力的增大,對應(yīng)的玻璃碎片數(shù)也在增多。我國鋼化玻璃標準《建筑用安全玻璃第2部分:鋼化玻璃》GB15763.2-2005規(guī)定了平面鋼化玻璃在厚度為4~12mm時,50mm×50mm區(qū)域內(nèi)的最少碎片數(shù)為40片。板芯應(yīng)力一般總是張應(yīng)力,其數(shù)值等于玻璃表面壓應(yīng)力的1/2。鋼化玻璃內(nèi)部張應(yīng)力與表面壓應(yīng)力關(guān)系見圖3。我國鋼化玻璃標準《建筑用安全玻璃第2部分:鋼化玻璃》GB15763.2-2005規(guī)定了鋼化玻璃的表面應(yīng)力不小于90MPa。通過式(1)計算得到鋼化玻璃在不同的表面應(yīng)力情況下的NiS的臨界直徑Dc如表1所示。從表1中看出,玻璃表面的壓應(yīng)力越大,NiS的臨界直徑Dc就越小,引起玻璃自爆的NiS粒子也就越多,玻璃的自爆率也就越高。同一塊玻璃由于鋼化均勻度的不一致也能導(dǎo)致玻璃的自爆。鋼化均勻度是指同一塊玻璃經(jīng)鋼化后不同區(qū)域的鋼化應(yīng)力一致性。通?？赏ㄟ^測定由同一塊玻璃平面各部分的平面應(yīng)力(areastress)來衡量玻璃的鋼化均勻度,這種鋼化不均勻產(chǎn)生的平面應(yīng)力疊加在厚度應(yīng)力上,使一些區(qū)域的實際板芯張應(yīng)力上升,引起臨界直徑Dc值下降,最終導(dǎo)致自爆率增加。3玻璃破碎前后的最小破碎數(shù)在鋼化玻璃檢測中,表面應(yīng)力及碎片狀態(tài)是鋼化玻璃檢測的重要性能。表面應(yīng)力儀的測試原理是利用浮法玻璃表面錫擴散層的光波導(dǎo)效應(yīng)來進行測量。國標《建筑用安全玻璃第2部分:鋼化玻璃》GB15763.2-2005規(guī)定了建筑用鋼化玻璃的表面應(yīng)力不小于90MPa,對鋼化玻璃破碎后50mm×50mm區(qū)域內(nèi)的最少碎片數(shù)也作了相應(yīng)規(guī)定。在鋼化玻璃的檢測中,我們采用SSM-2型玻璃表面應(yīng)力儀對6mm、8mm和10mm三組各3塊鋼化玻璃的表面應(yīng)力和破碎后的碎片數(shù)進行統(tǒng)計,結(jié)果如表2。從表2中可以得出:表面應(yīng)力越大,破碎后的碎片數(shù)越多。鋼化程度是衡量鋼化玻璃性能的重要標志之一,鋼化程度越高,玻璃中的內(nèi)應(yīng)力越大,玻璃的抗沖擊強度越大,破碎后的顆粒尺寸也就越小。玻璃中內(nèi)應(yīng)力的大小與分布的均勻程度是鋼化程度的重要特征,所以宏觀上利用破碎后鋼化玻璃顆粒尺寸的大小及均勻程度來表征、檢驗、考核玻璃的鋼化程度和玻璃中應(yīng)力分布的均勻程度。由表2還可以看出,玻璃越厚,表面應(yīng)力越大。由于玻璃中內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生取決于玻璃中溫度梯度的存在,玻璃越厚淬冷時的溫度梯度越大。條件相同時,玻璃越厚鋼化程度越高,也即表面應(yīng)力越大。4處理措施4.1預(yù)應(yīng)力控制規(guī)范玻璃的鋼化應(yīng)力越大,NiS結(jié)石的臨界直徑就越小,引起玻璃自爆的NiS結(jié)石數(shù)量就越多。玻璃鋼化應(yīng)力應(yīng)控制在90~110MPa的范圍內(nèi),這樣既能保證玻璃的鋼化碎片顆粒度滿足相關(guān)標準要求,又可避免應(yīng)力過高引起的