鋼化玻璃自爆原因分析

      鋼化玻璃與平板玻璃相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如鋼化玻璃的強(qiáng)度高，韌性好，抗熱沖擊性能優(yōu)越，因此被廣泛地應(yīng)用于玻璃幕墻和門(mén)窗工程實(shí)踐中。但是鋼化玻璃也有缺點(diǎn)，如自爆。鋼化玻璃在無(wú)荷載作用下發(fā)生的自發(fā)性炸裂稱為鋼化玻璃的自爆。自爆是鋼化玻璃固有的特性之一，產(chǎn)生自爆的原因很多，簡(jiǎn)單地歸納為以下幾種：
　　1．玻璃中有結(jié)石、氣泡和雜質(zhì)：玻璃是典型的脆性材料，其力學(xué)行為服從斷裂力學(xué)。玻璃中的結(jié)石、氣泡和雜質(zhì)在玻璃中將會(huì)形成裂紋，是鋼化玻璃的薄弱點(diǎn)，特別是裂紋尖端是應(yīng)力集中處。如果結(jié)石、氣泡或雜質(zhì)處在鋼化玻璃的張應(yīng)力區(qū)，或在荷載作用下使其處于張應(yīng)力，都可能導(dǎo)致鋼化玻璃炸裂。
　　2．玻璃中含有硫化鎳結(jié)晶物 ：硫化鎳夾雜物一般以結(jié)晶體存在，室溫下存在著 相向 相轉(zhuǎn)變的傾向，并伴有一定量的體積膨脹。如果這些雜物在鋼化玻璃受張應(yīng)力的部位，或在荷載作用下使其處于張應(yīng)力區(qū)，則體積膨脹會(huì)引起自發(fā)炸裂。由硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆其爆裂點(diǎn)裂紋形狀往往與蝴蝶相似，被稱為蝴蝶形裂紋，有些在爆裂點(diǎn)中部有一個(gè)有色顆粒，被認(rèn)為是硫化鎳粒子，這兩個(gè)特性往往被用來(lái)作為鋼化玻璃是否是自爆的判據(jù)。硫化鎳粒子在鋼化玻璃自爆前后的體積是不同的，爆裂前體積小，不易被看見(jiàn)；自爆后其體積增大，地點(diǎn)確定，很容易被看見(jiàn)，這也是鋼化玻璃自爆不易預(yù)見(jiàn)的原因之一。
　　3．玻璃表面和邊部在加工、運(yùn)輸、貯存和施工過(guò)程，可能造成有劃痕、炸口和爆邊等缺陷，易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。玻璃表面本來(lái)就存在大量的微裂紋，這也是玻璃力學(xué)行為服從斷裂力學(xué)的根本原因。這些微裂紋在一定的條件下會(huì)擴(kuò)展，如水蒸氣的作用、荷載的作用等，都可能加速微裂紋的擴(kuò)展。通常情況下微裂紋的擴(kuò)展速度是極其緩慢的，表現(xiàn)為玻璃的強(qiáng)度是一恒定值。但是玻璃表面的微裂紋有一臨界值，當(dāng)微裂紋尺寸接近或達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋快速擴(kuò)張，導(dǎo)致玻璃破裂。如果玻璃表面存在接近臨界尺寸的微裂紋，如玻璃表面和邊部在加工、運(yùn)輸、貯存和施工過(guò)程造成的劃痕、炸口、爆邊等缺陷尺寸就較大，玻璃可能在極小的荷載作用下就導(dǎo)致玻璃表面微裂紋快速擴(kuò)張，最終導(dǎo)致玻璃破裂。
　　4．鋼化玻璃在生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)玻璃進(jìn)行加熱和冷卻，玻璃在加熱或冷卻時(shí)沿玻璃板面方向不均勻和沿厚度方向的不對(duì)稱，將導(dǎo)致鋼化玻璃沿板面方向應(yīng)力不均勻和沿厚度方向應(yīng)力分布不對(duì)稱，這些都有可能造成鋼化玻璃自爆。鋼化玻璃沿板面方向應(yīng)力不均勻，可以造成玻璃局部處于張應(yīng)力，如果這種張應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)玻璃的斷裂強(qiáng)度，玻璃就會(huì)爆裂。玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布應(yīng)當(dāng)是對(duì)稱的，即上下兩表面處于壓應(yīng)力，中間處于張應(yīng)力，上下表面的壓應(yīng)力大小、應(yīng)力層厚度和變化完全是對(duì)稱的，玻璃板承受正負(fù)風(fēng)壓的能力是相同的。如果玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布不對(duì)稱，玻璃板承受正負(fù)風(fēng)壓的能力就不相同，一側(cè)承受荷載的能力較強(qiáng)，另一側(cè)較小，即玻璃可能在較小荷載作用下破損，嚴(yán)重時(shí)，玻璃板在無(wú)荷載作用下產(chǎn)生變形，造成幕墻玻璃影像畸變。
　　5．理論分析和工程實(shí)踐證明，預(yù)應(yīng)力越大，鋼化程度越高，自爆量也越大。普通平板玻璃和半鋼化玻璃幾乎沒(méi)有自爆現(xiàn)象，是因?yàn)殇摶Ａа夭ＡО搴穸确较蛏舷聝杀砻嫣幱趬簯?yīng)力，中間層處于張應(yīng)力。表面壓應(yīng)力越高，一般情況下鋼化玻璃的強(qiáng)度也越高，但是中間層的張應(yīng)力也越高，過(guò)大的張應(yīng)力將會(huì)增加鋼化玻璃的自爆。
　　6．我國(guó)鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼化玻璃的弓形彎曲度的要求過(guò)低，只有弓形彎曲度的相對(duì)值要求，沒(méi)有絕對(duì)值要求，對(duì)于尺寸小的鋼化玻璃可滿足要求，而對(duì)于尺寸較大的鋼化玻璃，盡管其弓形彎曲度的相對(duì)值滿足要求，但其絕對(duì)值過(guò)大，致使鋼化玻璃的裝配應(yīng)力較大，經(jīng)一段時(shí)間使用后發(fā)生鋼化玻璃自爆，這也是一些工程鋼化玻璃在使用幾年后發(fā)生自爆的原因。
　　針對(duì)以上鋼化玻璃自爆的原因，本人提出以下幾點(diǎn)降低鋼化玻璃自爆的方法：
　　1．優(yōu)選平板玻璃
　　高質(zhì)量的平板玻璃中結(jié)石、氣泡、雜質(zhì)和硫化鎳含量低，采用優(yōu)質(zhì)平板玻璃作為制作鋼化玻璃的原片可顯著降低鋼化玻璃的自爆。
　　2．提高鋼化玻璃邊部加工質(zhì)量，避免玻璃邊部和表面劃傷和磕碰。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，鋼化玻璃邊部鋼化程度較低，因此應(yīng)對(duì)鋼化玻璃邊部重點(diǎn)保護(hù)。對(duì)于點(diǎn)支式幕墻玻璃，如果對(duì)玻璃打孔，孔邊一定要精磨，最好達(dá)到拋光的程度，因?yàn)椴ＡО蹇走吺菓?yīng)力集中部位。
　　3．提高鋼化玻璃表面應(yīng)力均勻度和沿厚度方向的對(duì)稱度。特別對(duì)于low-e玻璃的鋼化更要關(guān)注其鋼化玻璃應(yīng)力沿厚度方向的對(duì)稱度，因?yàn)閘ow-e玻璃上下表面對(duì)熱輻射吸收的差異將會(huì)造成low-e玻璃在加熱時(shí)玻璃板沿厚度方向溫度的差異，而這種差異最終將會(huì)導(dǎo)致鋼化玻璃應(yīng)力沿厚度方向的不對(duì)稱，目前在玻璃鋼化過(guò)程中采用強(qiáng)制對(duì)流的方法來(lái)消除這種不利因素。
　　4．探討降低鋼化玻璃表明壓應(yīng)力限值的可能性。我國(guó)新標(biāo)準(zhǔn)要求其表面應(yīng)力不應(yīng)小于90MPa，這比此前老標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的95MPa降低了5MPa，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鋼化玻璃的表面應(yīng)力為大于69MPa，可否將我國(guó)鋼化玻璃表面壓應(yīng)力降低到與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)一致非常值得研究。如果可行，將極大地降低鋼化玻璃的自爆率。降低表面應(yīng)力值限值可能會(huì)造成鋼化玻璃碎片偏大，不過(guò)即使鋼化玻璃表面應(yīng)力很高，碎片很好，也無(wú)法保證碎片都以分裂狀態(tài)存在，許多情況下碎片表現(xiàn)為碎而不裂，形成“鋼化玻璃被”，其結(jié)果與大一點(diǎn)的碎片區(qū)別不大，因此可以考慮降低鋼化玻璃表面應(yīng)力值限值。況且我國(guó)半鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其表面應(yīng)力值限值為不大于60MPa，鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其表面應(yīng)力值限值為不小于90MPa，如果玻璃表面應(yīng)力限值處于60—90MPa之間，既不屬于半鋼化玻璃，也不屬于鋼化玻璃，屬于不合格品。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，也應(yīng)將鋼化玻璃表面應(yīng)力值限值降低，如果將半鋼化玻璃表面應(yīng)力值限值與鋼化玻璃表面應(yīng)力值限值連接有困難，至少可將鋼化玻璃表面應(yīng)力值限值降低，縮小兩者的差距。
　　5．增加均質(zhì)鋼化玻璃的應(yīng)用量，研究檢測(cè)鋼化玻璃均質(zhì)程度的方法，使得均質(zhì)過(guò)程起到應(yīng)有的作用。
　　6．減少鋼化玻璃應(yīng)用總量，增加半鋼化玻璃和夾層玻璃的應(yīng)用量，可降低鋼化玻璃自爆數(shù)量。不言而喻，鋼化玻璃應(yīng)用的總量減少，鋼化玻璃自爆的數(shù)量一定減少。
　　7．減小鋼化玻璃板面尺寸，可降低鋼化玻璃自爆率。鋼化玻璃尺寸越大，玻璃板越厚，自爆概率越大。在一塊鋼化玻璃板中，只要有一個(gè)自爆點(diǎn)，并最終導(dǎo)致鋼化玻璃自爆，無(wú)論鋼化玻璃板塊大小，整個(gè)鋼化玻璃板都破碎。玻璃板塊越大，含有雜質(zhì)、硫化鎳粒子、邊部加工缺陷、表面劃傷、應(yīng)力的不均勻等等導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的不利因素就隨之增加。在同樣荷載作用下，玻璃板塊越大，玻璃板就得越厚，含有雜質(zhì)、硫化鎳粒子、邊部加工缺陷、表面劃傷、應(yīng)力的不均勻等等導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的不利因素也會(huì)增加，鋼化玻璃自爆概率就會(huì)加大。
　　8．實(shí)踐工程中，鋼化玻璃使用面積越來(lái)越大，對(duì)于大板面的鋼化玻璃不僅對(duì)其彎曲度的相對(duì)值提出要求，而且應(yīng)對(duì)其彎曲度的絕對(duì)值提出要求，以減小鋼化玻璃裝配應(yīng)力，避免鋼化玻璃經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后發(fā)生自爆。