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(bào)紙的報(bào)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(gè)小時(shí)15分鐘的“玻璃雨”,事故造成一對(duì)年輕情侶在路過(guò)時(shí)被砸傷,所幸傷勢(shì)不嚴(yán)重。根據(jù)不完全了解和新聞媒體報(bào)導(dǎo),全國(guó)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(huì)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(kāi)的北京市十二屆人大三次會(huì)議和市政協(xié)十屆三次會(huì)議上,吳樂(lè)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(guó)政協(xié)十屆三次會(huì)議上,劉秀晨、田麥久委員聯(lián)合提出了《關(guān)于盡快開(kāi)展全國(guó)玻璃幕墻安全檢查的建議》的提案,并提出以下三點(diǎn)建議:1.由建設(shè)部負(fù)責(zé)全國(guó)玻璃審查工作2.具體措施可以參照上海和合肥的做法。活動(dòng)可以在中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)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(shí)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(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)對(duì)全國(guó)10個(gè)城市既有幕墻安全狀況進(jìn)行抽樣調(diào)查。中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)組織了一支由10個(gè)專(zhuān)家組成的專(zhuān)家組對(duì)北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門(mén)、溫州等十個(gè)城市的96個(gè)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(gè)工程,其中10個(gè)發(fā)現(xiàn)大玻璃碎裂,共計(jì)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(diǎn)支承玻璃幕墻及其它幕墻四個(gè)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笪奶接憽ｊP(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(lì)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(wú)外部直接作用的情況下而自動(dòng)發(fā)生破碎的現(xiàn)象。在鋼化加工、貯存、運(yùn)輸、安裝、使用等過(guò)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(jiàn)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(lèi)型的自爆,應(yīng)明確分類(lèi),區(qū)別對(duì)待,采用不同方法來(lái)應(yīng)對(duì)和處理。前者一般目視可見(jiàn),檢測(cè)相對(duì)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(wú)法目測(cè)檢驗(yàn),故不可控。在實(shí)際運(yùn)作和處理上,前者一般可以在安裝前剔除,后者因無(wú)法檢驗(yàn)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(lèi)自爆后更換難度大,處理費(fèi)用高,同時(shí)會(huì)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(chēng)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(wèn)題,原因不清,責(zé)任不明。⑵鋼化玻璃的自爆時(shí)間沒(méi)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(shí)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(gè)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?yàn)椴Ａе泻辛蚧囯s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(lái)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(duì)于燒油的熔窯,曾報(bào)道在小爐中發(fā)現(xiàn)富鎳的凝結(jié)物。硫毫無(wú)疑問(wèn)來(lái)源于配合料中及燃料中的含硫成份。當(dāng)溫度超過(guò)1000℃時(shí),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(gè)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(shí)候發(fā)生,現(xiàn)在還不能完全杜絕,至今尚無(wú)有效的防止辦法,故稱(chēng)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(shí),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(guò)程中,α-NiS來(lái)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(shì)。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(huì)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(shí)被凍結(jié),他們恢復(fù)到β態(tài)可能需要幾年的時(shí)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(shí)鋼化玻璃自爆將發(fā)生。實(shí)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(shí)才能發(fā)生鋼化玻璃自爆。2.角磨邊處理首先看起爆點(diǎn)(鋼化玻璃裂紋呈放射狀,均有起始點(diǎn))是否在玻璃中間,如在玻璃邊緣,一般是因?yàn)椴Ａ唇?jīng)過(guò)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(diǎn)在玻璃中部,看起爆點(diǎn)是否有兩小塊多邊形組成的類(lèi)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(jiàn)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(diǎn)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(dòng)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(méi)有超過(guò)比例極限以前,應(yīng)力與應(yīng)變呈線性直線關(guān)系,超過(guò)彈性極限并小于強(qiáng)度極限,應(yīng)變?cè)黾雍芸?而應(yīng)力幾乎沒(méi)有增加,超過(guò)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(méi)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(guò)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(shí)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(jì)算玻璃理論斷裂強(qiáng)度應(yīng)該從原子間結(jié)合力入手,因?yàn)橹挥锌朔嗽娱g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(shí)際強(qiáng)度,在實(shí)際材料中,只有少量的經(jīng)過(guò)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(jì)算結(jié)果。斷裂強(qiáng)度的理論值和建筑玻璃的實(shí)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?yàn)椴Ａг谥圃爝^(guò)程中不可避免地在表面產(chǎn)生很多肉眼看不見(jiàn)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(chēng)格里菲思裂紋。至使斷裂強(qiáng)度的理論值遠(yuǎn)大于實(shí)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(duì)于韌性材料,當(dāng)最大拉應(yīng)力超過(guò)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(lái)愈均勻,應(yīng)力集中效應(yīng)下降;對(duì)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(shí)為止,所以對(duì)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(shí)間有一定的關(guān)系。5.設(shè)計(jì)安全系數(shù)與續(xù)時(shí)間的關(guān)系玻璃的斷裂強(qiáng)度離散性大,強(qiáng)度的測(cè)定與測(cè)試條件如加載方式、加載速率、持續(xù)時(shí)間等密切相關(guān)。很多國(guó)家往往采用統(tǒng)計(jì)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jì)安全系數(shù)與失效關(guān)系如表2。防范自爆的對(duì)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(xiǎn)。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(xiǎn),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(wèn)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(shí)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(guó)外稱(chēng)作“HeatSoakTest”,簡(jiǎn)稱(chēng)HST。我國(guó)通常將其譯成“均質(zhì)處理”,也俗稱(chēng)“引爆處理”。從原理上看,均質(zhì)處理似乎很簡(jiǎn)單,許多廠家對(duì)此并不重視,認(rèn)為可隨便選擇外購(gòu)甚至自制均質(zhì)爐。實(shí)際并非如此,玻璃中的硫化鎳夾雜物往往是非化學(xué)計(jì)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(lài)于溫度。研究結(jié)果表明,280℃時(shí)的相變速率是250℃時(shí)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(huì)引起硫化鎳逆向相變;另一方面溫度低的玻璃因保溫時(shí)間不夠,使得硫化鎳相變不完全。兩種情況均會(huì)導(dǎo)致無(wú)效的均質(zhì)處理。筆者曾測(cè)試了多臺(tái)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(tái)國(guó)產(chǎn)爐內(nèi)的溫差甚至超過(guò)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(duì)流加熱的方式加熱玻璃。對(duì)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(guò)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(duì)流通道,因此玻璃的堆置方式對(duì)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(duì)于大片玻璃,玻璃很容易因相互緊貼引起溫差過(guò)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(gè)決定性因素。1990年版的德國(guó)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)8h。實(shí)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(lái)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(guò)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(wàn)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(chēng)鋼化玻璃為“安全玻璃”。6.浮法工業(yè)中的點(diǎn)缺陷檢測(cè)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(guò)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(dòng)檢測(cè)儀也只能檢測(cè)大于0.2mm的點(diǎn)缺陷,試圖在浮法生產(chǎn)線上將有缺陷的玻璃全部挑出來(lái)幾乎是不可能的。有報(bào)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(duì)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(gòu)時(shí)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(méi)有均質(zhì)爐,或者有也出于成本考慮不用。因此,購(gòu)買(mǎi)時(shí)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(jià)格貴)。⑹型材設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(wèn)題。但是對(duì)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(shí)會(huì)整塊玻璃全部破碎成蜂窩狀鈍角小顆粒,不易傷人。通過(guò)這次調(diào)查和眾多的事故分析,對(duì)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(wèn)題,有討論的必要。對(duì)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(jì)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(shí)保證不會(huì)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(xiǎn)。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(diǎn)。(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(gè)安全因素,但不具備防破碎散落性這一對(duì)高層建筑玻璃幕墻而言關(guān)鍵性的安全因素,由此而帶來(lái)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(duì)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(xiǎn)的甚至是致命的。此外,(全)鋼化玻璃自爆破壞是無(wú)先兆的,目前尚無(wú)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(guò)一定高度使用它則應(yīng)認(rèn)為是不安全