玻璃幕墻玻璃爆管原因分析及防范措施

玻璃幕墻玻璃爆管原因分析及防范措施

玻璃幕墻發(fā)生事件背景根據(jù)東方報紙的報道，2006年7月31日8:30，上海南京西路的中高檔泰富大樓附近京寧街附近。36樓的商業(yè)墻面積為2.6m2玻璃突然爆炸，碎片變成碎片，像雨一樣掉落。淅淅瀝瀝向人行道上下了1個小時15分鐘的“玻璃雨”,事故造成一對年輕情侶在路過時被砸傷,所幸傷勢不嚴(yán)重。根據(jù)不完全了解和新聞媒體報導(dǎo),全國各地玻璃幕墻及采光頂不明原因的自爆事例每年都不少,有一些產(chǎn)生了法律糾紛,涉及人身安全和社會穩(wěn)定,因此探討鋼化玻璃自爆的原因,采取防范措施十分迫切。為此,在2005年1月25日召開的北京市十二屆人大三次會議和市政協(xié)十屆三次會議上,吳樂山研究員提出《加強(qiáng)玻璃幕墻建筑立法》提案;2005年3月2日全國政協(xié)十屆三次會議上,劉秀晨、田麥久委員聯(lián)合提出了《關(guān)于盡快開展全國玻璃幕墻安全檢查的建議》的提案,并提出以下三點建議:1.由建設(shè)部負(fù)責(zé)全國玻璃審查工作2.具體措施可以參照上海和合肥的做法?；顒涌梢栽谥袊ㄖb飾協(xié)會的贊助下進(jìn)行3.既有建筑幕墻安全特性案例的探討為落實人大代表及政協(xié)委員的提案和建議,2005年5月27日,建設(shè)部委托中國建筑裝飾協(xié)會對全國10個城市既有幕墻安全狀況進(jìn)行抽樣調(diào)查。中國建筑裝飾協(xié)會組織了一支由10個專家組成的專家組對北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門、溫州等十個城市的96個工程樣本進(jìn)行了安全狀況調(diào)查。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)有幕墻玻璃、石材板塊碎裂、脫落。在破損的437塊幕墻玻璃中,可以肯定為鋼化玻璃自爆原因的47塊。全玻幕墻此次共調(diào)查了17個工程,其中10個發(fā)現(xiàn)大玻璃碎裂,共計68塊玻璃,肋斷裂的有3塊。為了從技術(shù)這一層面配合建設(shè)部、中裝協(xié)的管理措施,根據(jù)調(diào)查結(jié)果和所了解的既有建筑幕墻安全事故案例,擬比較系統(tǒng)地分析既有建筑幕墻安全事例原因及技術(shù)防范措施。準(zhǔn)備分玻璃幕墻、石材幕墻、點支承玻璃幕墻及其它幕墻四個部份,逐步陸續(xù)發(fā)表,以供參考。本文僅探討玻璃幕墻鋼化玻璃自爆的原因,玻璃幕墻玻璃破裂的其它原因?qū)⒑笪奶接?。關(guān)于抵制混凝土自殺的原因1.中型鋼鋼絞線下所有含激勵信息的為熱膨脹引起的自殺,應(yīng)根據(jù)以下幾種主要機(jī)理分為第一、三鋼化玻璃自爆可以表述為鋼化玻璃在無外部直接作用的情況下而自動發(fā)生破碎的現(xiàn)象。在鋼化加工、貯存、運輸、安裝、使用等過程中均可發(fā)生鋼化玻璃自爆。自爆按起因不同可分為兩種:一是由玻璃中可見缺陷引起的自爆,例如結(jié)石、砂粒、氣泡、夾雜物、缺口、劃傷、爆邊等;二是由玻璃中硫化鎳(NiS)雜質(zhì)膨脹引起的自爆。這是兩種不同類型的自爆,應(yīng)明確分類,區(qū)別對待,采用不同方法來應(yīng)對和處理。前者一般目視可見,檢測相對容易,故生產(chǎn)中可控。后者則主要由玻璃中微小的硫化鎳顆粒體積膨脹引發(fā),無法目測檢驗,故不可控。在實際運作和處理上,前者一般可以在安裝前剔除,后者因無法檢驗而繼續(xù)存在,成為使用中鋼化玻璃自爆的主要因素。硫化鎳類自爆后更換難度大,處理費用高,同時會伴隨較大的質(zhì)量投訴及經(jīng)濟(jì)損失,造成業(yè)主的不滿甚至更為嚴(yán)重的其他后果,稱之為“玻璃癌癥”。2.硫化鎳自爆率高,區(qū)別于玻璃中的硫基苯磺酸鹽堿和其它指標(biāo)。據(jù)⑴使用中常遇到鋼化玻璃自爆的問題,原因不清,責(zé)任不明。⑵鋼化玻璃的自爆時間沒有確定性,可能是剛出爐,也可能是出廠后1月～2月,也有出廠1年～2年才自爆的,引起鋼化玻璃自爆較多的時間可能是產(chǎn)品生產(chǎn)完成后的4年～5年。⑶據(jù)不完全了解,大部份廠家的產(chǎn)品是3‰左右的自爆率;個別廠家的產(chǎn)品可能還要高。⑷鋼化玻璃自爆的根本原因是因為玻璃中含有硫化鎳雜質(zhì),雜質(zhì)是如何混入的現(xiàn)在還未根本查清。玻璃中是如何混入鎳的,最大可能的來源是設(shè)備上使用的各種含鎳合金部件及窯爐上使用的各種耐熱合金。對于燒油的熔窯,曾報道在小爐中發(fā)現(xiàn)富鎳的凝結(jié)物。硫毫無疑問來源于配合料中及燃料中的含硫成份。當(dāng)溫度超過1000℃時,硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中,這些小液滴的固化溫度為797℃。1g硫化鎳就能生成約1000個直徑為0.15mm的小結(jié)石。硫化鎳引起的爆炸可以在生產(chǎn)完成后任何時候發(fā)生,現(xiàn)在還不能完全杜絕,至今尚無有效的防止辦法,故稱為“玻璃癌癥”。內(nèi)部控制機(jī)制和影響因素1.硫化鎳改性玻璃NiS是一種晶體,存在二種晶相:高溫相α-NiS和低溫相β-NiS,相變溫度為379℃。玻璃在鋼化爐內(nèi)加熱時,因加熱溫度遠(yuǎn)高于相變溫度,NiS全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。然而在隨后的淬冷過程中,α-NiS來不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣?NiS,從而被凍結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下,α-NiS是不穩(wěn)定的,有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?NiS的趨勢。這種轉(zhuǎn)變伴隨著約2%～4%的體積膨脹,使玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力,從而導(dǎo)致自爆。玻璃內(nèi)部可能包含硫化鎳雜質(zhì),以小水晶狀態(tài)存在,在一般情況下,不會造成玻璃破損,但是由于鋼化玻璃重新加熱,改變了硫化鎳雜質(zhì)的相態(tài),硫化鎳的高溫α態(tài)在玻璃急冷時被凍結(jié),他們恢復(fù)到β態(tài)可能需要幾年的時間,β態(tài)硫化鎳將產(chǎn)生體積增大,在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中,這時鋼化玻璃自爆將發(fā)生。實際上,只有比較大的雜質(zhì)才引起自爆,而且也僅僅當(dāng)雜質(zhì)在拉應(yīng)力的核心部位時才能發(fā)生鋼化玻璃自爆。2.角磨邊處理首先看起爆點(鋼化玻璃裂紋呈放射狀,均有起始點)是否在玻璃中間,如在玻璃邊緣,一般是因為玻璃未經(jīng)過倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷,造成應(yīng)力集中,裂紋逐漸發(fā)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(xì)觀察兩小塊多邊形公用邊(蝴蝶的軀干部分)應(yīng)有肉眼可見的黑色小顆粒(硫化鎳結(jié)石),則可判斷是自爆的;否則就應(yīng)是外力破壞的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑。3.引起氧化和銅腐化劑玻璃強(qiáng)度的特點1.莫硬度的切割玻璃常溫下玻璃有許多優(yōu)異的力學(xué)性能:高的抗壓強(qiáng)度、好的彈性、高的硬度,莫氏硬度在5～6之間,用一般的金屬刻化玻璃很難留下痕跡,切割玻璃要用硬度極高的金剛石。玻璃與常用建筑材料的強(qiáng)度比較如表1。2.應(yīng)變非線性表現(xiàn),應(yīng)力隨應(yīng)變非線性動玻璃的應(yīng)力應(yīng)變拉伸曲線與鋼和塑料是不同的,鋼和塑料的拉伸應(yīng)力在沒有超過比例極限以前,應(yīng)力與應(yīng)變呈線性直線關(guān)系,超過彈性極限并小于強(qiáng)度極限,應(yīng)變增加很快,而應(yīng)力幾乎沒有增加,超過屈服極限以后,應(yīng)力隨應(yīng)變非線性增加,直至鋼材斷裂。玻璃是典型的脆性材料,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性關(guān)系直至破壞,沒有屈服極限,與其它建筑材料不同的是:玻璃在它的應(yīng)力峰值區(qū),不能產(chǎn)生屈服和應(yīng)力重新分布,一旦強(qiáng)度超過則立即發(fā)生破壞。3.材料的斷裂強(qiáng)度玻璃的理論斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)大于實際強(qiáng)度。玻璃的理論斷裂強(qiáng)度就是玻璃材料斷裂強(qiáng)度在理論上可能達(dá)到的最高值,計算玻璃理論斷裂強(qiáng)度應(yīng)該從原子間結(jié)合力入手,因為只有克服了原子間的結(jié)合力,玻璃才有可能發(fā)生斷裂。Kelly在1973年的研究表明:理想的玻璃理論斷裂強(qiáng)度一般處于材料彈性模量的1/10～1/20之間,大約為0.7×104MPa,遠(yuǎn)大于實際強(qiáng)度,在實際材料中,只有少量的經(jīng)過精心制作極細(xì)的玻璃纖維的斷裂強(qiáng)度,能夠達(dá)到或者接近這一理論的計算結(jié)果。斷裂強(qiáng)度的理論值和建筑玻璃的實際值之間存在著懸殊的差異,造成玻璃強(qiáng)度減弱的原因是因為玻璃在制造過程中不可避免地在表面產(chǎn)生很多肉眼看不見的裂紋,深度約5μm,寬度只有0.01μm～0.02μm,每mm2面積有幾百條,又稱格里菲思裂紋。至使斷裂強(qiáng)度的理論值遠(yuǎn)大于實際值。1913年,Inglis提出應(yīng)力集中理論,指出截面的急劇變化和裂紋缺陷附近的區(qū)域?qū)a(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中效應(yīng),即這些區(qū)域中的最大拉應(yīng)力要比平均拉應(yīng)力大或者大很多。對于韌性材料,當(dāng)最大拉應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度之后,由于材料的屈服效應(yīng)使應(yīng)力的分布愈來愈均勻,應(yīng)力集中效應(yīng)下降;對玻璃這樣的脆性材料,高度的應(yīng)力集中效應(yīng)保持到斷裂時為止,所以對玻璃結(jié)構(gòu)除了要考慮應(yīng)力集中效應(yīng)之外,還要考慮斷裂韌性。4.斷裂強(qiáng)力分析(1)斷裂強(qiáng)度大小不一,離散度很大。(2)由于拉應(yīng)力作用,斷裂一般起源于玻璃表面。(3)斷裂強(qiáng)度與裂紋深度有直接關(guān)系。(4)斷裂強(qiáng)度與荷載的持續(xù)時間有一定的關(guān)系。5.設(shè)計安全系數(shù)與續(xù)時間的關(guān)系玻璃的斷裂強(qiáng)度離散性大,強(qiáng)度的測定與測試條件如加載方式、加載速率、持續(xù)時間等密切相關(guān)。很多國家往往采用統(tǒng)計分析方法推斷出玻璃強(qiáng)度的估算公式,通常將幾百片玻璃破壞的試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計處理,求出平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,推斷玻璃的力學(xué)強(qiáng)度,給出設(shè)計安全系數(shù)與失效關(guān)系如表2。防范自爆的對策1.應(yīng)力控制規(guī)范鋼化應(yīng)力越大,硫化鎳結(jié)石的臨界半徑就越小,能引起自爆的結(jié)石就越多。顯然,鋼化應(yīng)力應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),這樣既可保證鋼化碎片顆粒度滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),也能避免高應(yīng)力引起的不必要自爆風(fēng)險。平面應(yīng)力(鋼化均勻度)應(yīng)越小越好,這樣不僅減小自爆風(fēng)險,而且能提高鋼化玻璃的平整度。2.均質(zhì)爐t均質(zhì)處理是公認(rèn)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(zhuǎn)變,讓今后可能自爆的玻璃在工廠內(nèi)提前破碎。這種鋼化后再次熱處理的方法,國外稱作“HeatSoakTest”,簡稱HST。我國通常將其譯成“均質(zhì)處理”,也俗稱“引爆處理”。從原理上看,均質(zhì)處理似乎很簡單,許多廠家對此并不重視,認(rèn)為可隨便選擇外購甚至自制均質(zhì)爐。實際并非如此,玻璃中的硫化鎳夾雜物往往是非化學(xué)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(jié)果表明,280℃時的相變速率是250℃時的100倍,因此必須確保爐內(nèi)的各塊玻璃經(jīng)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(dǎo)致無效的均質(zhì)處理。筆者曾測試了多臺均質(zhì)爐的溫度制度,發(fā)現(xiàn)最好的進(jìn)口爐也存在30℃以上的溫差,多臺國產(chǎn)爐內(nèi)的溫差甚至超過55℃。這或許解釋了經(jīng)均質(zhì)處理的玻璃仍然出現(xiàn)許多自爆的原因。3.玻璃中空氣加熱均質(zhì)爐必須采用強(qiáng)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(fēng)道中,空氣在風(fēng)道中被加熱,然后進(jìn)入爐內(nèi)。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。4.玻璃片與片之間的間隙均質(zhì)爐內(nèi)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(zhì)處理的質(zhì)量是極其重要的。首先玻璃的堆置方向應(yīng)順應(yīng)氣流方向,不可阻礙空氣流。其次,玻璃片與片之間的空隙須足夠大,分隔物不能堵塞空氣通道,玻璃片之間至少須有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。5.玻璃的自爆率均質(zhì)處理的溫度制度也是決定均質(zhì)質(zhì)量的一個決定性因素。1990年版的德國標(biāo)準(zhǔn)DIN18516籠統(tǒng)規(guī)定了均質(zhì)爐內(nèi)的平均爐溫為290+/-10℃,保溫時間長達(dá)8h。實踐證明按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行均質(zhì)處理的玻璃自爆率還是較高,結(jié)果并不理想。因此,根據(jù)1994年以來的大量研究成果,2000年的歐洲新標(biāo)準(zhǔn)討論稿將規(guī)定改為:均質(zhì)爐內(nèi)玻璃的溫度在290+/-10℃下保溫2h。多年累積的數(shù)據(jù)分析表明,嚴(yán)格按新標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)處理過的玻璃,發(fā)生后續(xù)自爆的概率在0.01以下。此概率的意義是:每1萬平方米玻璃,在1年之內(nèi)發(fā)生1例自爆的概率小于1%。由此才可自信地稱鋼化玻璃為“安全玻璃”。6.浮法工業(yè)中的點缺陷檢測玻璃中的硫化鎳夾雜物是導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的本質(zhì)原因,人們自然地想到是否有可能在浮法玻璃生產(chǎn)過程中減少或消除此雜質(zhì)。從技術(shù)角度看,目前世界上最先進(jìn)的玻璃缺陷自動檢測儀也只能檢測大于0.2mm的點缺陷,試圖在浮法生產(chǎn)線上將有缺陷的玻璃全部挑出來幾乎是不可能的。有報導(dǎo)在浮法原料中添加硫酸鋅或硝酸鋅能有效地減少硫化鎳結(jié)石的數(shù)量。硫酸鋅或硝酸鋅都是強(qiáng)氧化劑,能將玻璃中的硫化物氧化成硫酸鹽,后者能被玻璃液吸收,從而減少或消除硫化鎳結(jié)石。7.邊、-案面質(zhì)⑴優(yōu)先選用大廠出廠的原片玻璃,他們選材、工藝控制較嚴(yán),混入雜質(zhì)的機(jī)率較小。⑵鋼化玻璃邊緣應(yīng)進(jìn)行倒角磨邊處理,減小應(yīng)力集中。⑶做好玻璃的成品保護(hù),防止蹦邊、掉角,對蹦邊、掉角不大的用拋光機(jī)磨成圓弧面,減小應(yīng)力集中。⑷采購時要求玻璃廠進(jìn)行鋼化后的均質(zhì)處理(引爆處理),一般小廠沒有均質(zhì)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。⑸采光頂、雨蓬等接近水平、吸熱較大的玻璃可考慮夾膠、半鋼化夾膠(破碎后碎塊較大,不易掉落)、化學(xué)鋼化玻璃(強(qiáng)度高、價格貴)。⑹型材設(shè)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。8.從高空散腦大粒和小顆粒材料看,表現(xiàn)為鋼化玻璃自爆是當(dāng)前玻璃幕墻安全迫切需要解決的重要問題。但是對于安全玻璃,傳統(tǒng)的概念是:(全)鋼化玻璃屬于安全玻璃。其根據(jù)是:除其強(qiáng)度較高外,主要由于(全)鋼化玻璃破碎時會整塊玻璃全部破碎成蜂窩狀鈍角小顆粒,不易傷人。通過這次調(diào)查和眾多的事故分析,對于這一概念提出了質(zhì)疑,關(guān)于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃問題,有討論的必要。對于高層建筑玻璃幕墻使用安全玻璃,其安全的主要擔(dān)心是玻璃破碎高空墜落傷人。這里應(yīng)該包含三部分要求:⑴玻璃具有足夠的強(qiáng)度,使其承受設(shè)計荷載不破壞。⑵玻璃具有防碰碎散落性,使其處于破碎狀態(tài)時保證不會墜落飛散,即碎而不散落;⑶玻璃具有不易傷人的破壞形態(tài),避免大塊銳利碎片,而呈鈍角、圓滑小顆粒狀,但若從高空散落則不論什么形態(tài)都存在危險。以上三要素應(yīng)該是把握與控制高層建筑玻璃幕墻安全玻璃的要點。(全)鋼化玻璃具備較高強(qiáng)度和其破壞形態(tài)為鈍角小顆粒這兩個安全因素,但不具備防破碎散落性這一對高層建筑玻璃幕墻而言關(guān)鍵性的安全因素,由此而帶來的不安全后果是:(全)鋼化玻璃破碎后的大群呈鈍角的碎片,從高空散落而下,即使顆粒較小,但速度已很大,同樣能傷人。其中的罪魁禍?zhǔn)妆闶亲杂陕潴w的重力加速度。所以,對高層建筑玻璃幕墻的玻璃是否安全,最重要的是不破壞和碎片不散落。不論何種形態(tài)的玻璃碎片,如從高層建筑上散落而下,都是危險的甚至是致命的。此外,(全)鋼化玻璃自爆破壞是無先兆的,目前尚無有效的安全防止方法,是玻璃的癌癥。玻璃自爆破碎和高空散落,便成為高層建筑玻璃幕墻使用(全)鋼化玻璃并不安全的基本技術(shù)依據(jù)。因此,在一定高度下使用(全)鋼化玻璃被認(rèn)為是安全的,而超過一定高度使用它則應(yīng)認(rèn)為是不安全