浅谈建 筑中空玻璃破裂原因探析与规避
    发布日期:2016/10/17       点击数:363       
      近几年来,我国经 济社会快速发展,城镇化 与建筑节能政策推进,建筑中空玻璃制造行 业也取得了长足地发展。中空玻璃是一种 性能良好的玻璃结构,指两片 或多片玻璃以有效支撑均匀隔开并周边粘结密封,使玻璃 层间形成有干燥气体空间的制品。它具有很好的隔热、保温、隔音、防结露,节能、安全、环保和 新型装饰等性能与功能,广泛地 被应用于建筑业。我国新《节约能源法》提出的 建筑节能目标是,到2010年,全国新增建筑的1/3达到节能50%的目标;到2020年,全国新 增建筑全部达到节能65%的目标。按2010年的目标计算,今后5年将新 增节能建筑面积约30亿m2,以普通 中空玻璃和低辐射节能中空玻璃为主。据统计表明:2007年,深加工玻璃增长明显,年产量中空玻璃约1.5亿平方米。节能玻璃的广泛 应用和政策法规的不断完善,也将极 大地增加对中空玻璃的市场需求。
      
      我国目 前中空玻璃已形成高、中档规模化生产格局。随着市 场日益增长的对中空玻璃需求及它在建筑领域中的广泛应用,我国中 空玻璃质量参差不齐,市场上 有相当严重的以次充好现象,中空玻 璃产品的质量问题将被提上日程,尤其是 直接关系人们生活居住环境安全性的中空玻璃破裂问题凸现。本文将 就建筑物从立项到投入使用整个过程中相关环节来探析中空玻璃破裂原因并构建规避手段。
      
      1、地理环境
      
      建筑物 地理环境中的遮阴物、方位、气候温差、气压等 因素都有可能造成中空玻璃温差分布不均匀,从而使 玻璃的温差超越极限而破裂。
      
      1.1 物业位置
      
      建筑物 室外物体或建筑结构本身在中空玻璃上留下阴影,导致中 空玻璃不同部位吸热不同而存在温差,阴影形状越不规则,玻璃越容易破裂。如安装 在太阳光非均匀照射环境中的玻璃,一半受太阳直射,另一半被遮阳棚、立柱、廊等物体遮蔽;或用作窗间墙的玻璃,既玻璃 一半后部面靠墙或梁,而另一 半后部是通透的房间;一端落 地安装的或垂直边靠墙的玻璃等都易造成温差不均匀的分布,使玻璃 的温差超越极限而破裂。
      
      建筑物 中空玻璃使用的方位非常重要,早晚温 差大的寒带和温带地区朝东、朝南安 装的中空玻璃容易破裂。玻璃面 朝南和朝北或其它方向,所受热应力均有不同,特别是 对于吸热较大的玻璃,东面、东南面、南面、西南面 使用的玻璃吸热相对于其它面多得多。设计时 应把玻璃的热应力破裂作为重要因素加以考虑,建议对 玻璃进行强化处理,加工成钢化、半钢化(镀膜)中空玻 璃或者选择白璃或透光率较高的镀膜中空玻璃。
      
      1.2 环境变化
      
      环境温 度和气压的变化会引起中空玻璃组成部分与整体系统结构的变化。这种变 化一旦超越中空玻璃所能承受的极限将造成中空玻璃破裂。
      
      组成中 空玻璃的单片玻璃因环境温度变化而热胀冷缩产生的热应力破裂。玻璃在 温度变化影响下会热胀冷缩,玻璃的线胀系数为1×10-5,一块边长1500mm的玻璃,在南方夏季高温季节,在太阳照射下,当温度升高80℃时会伸长1.2mm,这时玻 璃体内热应力增大,加上结 构胶粘贴宽度厚度过大,影响中 空玻璃自由伸缩,加剧了玻璃破裂。根据上 述情况决定玻璃是否强化,选用玻璃的颜色、尺寸、类型应 严格按照有关规范来实施。
      
      中空玻 璃系统结构因环境温度差异引起间隔层中气体热胀冷缩而使玻璃破裂。中空玻璃作业时,密封于 间隔层内的压力是作业环境温度下的压力。在夏季 使用环境温度一般都高于作业环境温度,间隔层 中的空气发生膨胀,产生正压,特别是用吸热玻璃或镀膜玻璃制成的中空玻璃,玻璃的吸热效果很强,间隔层 内空气温度更高,产生的正压也就更大。当由于 间隔层空气膨胀引起的压力高于玻璃的破坏压力时,玻璃便会发生破裂。同样在冬季时,作业环 境温度高于使用环境温度,间隔层内空气收缩,而产生负压,当玻璃 面积较大而间隔层又较小时,两片玻 璃的中心部位有可能帖在一起造成的变形超越极限就破裂。中空玻 璃作业地与使用地气压相差较大,也可使 中空玻璃发生变形而破裂。我国地域辽阔,不同地 区间的气压相差也不尽相同,当这种 气压引起的变形超越玻璃承受极限就会破裂。解决中 空玻璃气压差引起的变形问题,须在中 空玻璃作业时安置调压装置(如呼吸、毛细管或调压阀等)或在施 工现场对中空玻璃进行矫正。
      
      2、建筑设计
      
      当前,随着建 筑设计师对建筑物空间效果和使用功能的追求,国家节能政策的倡导,对中空 玻璃的选择要综合考虑玻璃的性能、功能及外观效果。选择使 用吸热玻璃和镀膜玻璃为原片制作中空玻璃时,镀膜玻 璃的热膨胀系数远大于一般玻璃的热膨胀系数,热应力更为明显。设计时 不仅要对中空玻璃选择一定要对使用环境作一全面评价再确定,比如建筑物位置、方位朝向,环境温度等因素,还要考虑玻璃的颜色、透光率、遮蔽效果等。建议选 用经强化处理的吸热玻璃或透光率较高的镀膜玻璃制作中空玻璃,并按照JGJ113《建筑玻璃应用技术规程》对玻璃 进行热应力计算。
      
      玻璃厚 度与尺寸的选择至关重要,必须考 虑风荷载与热应力。建筑物 主体结构在风荷载等作用下产生的层间变化产生的结构变形也能使玻璃破裂。土建主 体结构在各项荷载作用下产生变化时,它必然 要强制中空玻璃和它保持同步的变位,如果中 空玻璃边缘与框架间没有足够的间隙适应这种变位,玻璃将被挤碎。玻璃的板面越大,受热膨 胀后的变形也越大,形成的 约束反力也越大,相应地 造成更大热应力,增加了热破裂的机率;板面尺寸越大,越容易 受到其它荷载的更大叠加效应;玻璃的形状越不规则,各部位、方向受力不平衡,同样会 增大热应力破裂的机率。玻璃面积大,厚度小,则该块玻璃抗弯曲、抗热应力均小,极易破裂。对中空玻璃厚度、板面尺寸的选择,一定要 根据风荷载与热应力要求进行计算。合理的 设计是减少这方面的影响至关重要的因素,玻璃的使用高低不同,地区不同,应根据实际情况调整,以计算为准。
      
      3、玻璃产家
      
      3.1 原片质量
      
      玻璃原 片本身材质质量是影响中玻璃破裂的重要因素。原片存在厚薄不均、平整度较差、表面有疤痕、玻璃内 有气泡夹渣等可见缺陷,在太阳 照射下形成热效应不均匀而自行破裂。当今建 筑物中选用的节能玻璃一般都为本体着色和镀膜(含Low-E)中空玻璃,本体着 色玻璃和镀膜玻璃对太阳辐射能的吸收率均远大于一般透明玻璃,高吸热 率产生高热应力,高热应 力易使玻璃破裂。镀膜玻 璃在生产过程中,如设备不先进,镀膜工艺不严,在镀膜 过程中易产生膜层厚度不均,退火不完全等缺陷,即便是微小的差别,均是玻 璃上墙后破裂的起因。因此,玻璃的 原片质量要严格把关,对镀膜 玻璃不仅要选择优良的新鲜玻璃原片,还要看设备是否先进,看软件是否过硬,技术是否熟练。
      
      3.2 深加工质量
      
      玻璃在 切割时产生的微小裂口会造成玻璃的破裂。玻璃是脆性材料,其边部 的抗张强度与边缘缺陷的关系极为密切,任何边 部的缺陷都会导致边缘的抗张强度降低十几倍。中空玻 璃分格因建筑设计需要不同,玻璃的 切割加工尺寸也不相同,玻璃的 切割是用专用的刀具,玻璃在裁切时,因切割质量不好,在玻璃 的边缘存在边界凹凸不平整,崩边崩 角的情况或有裂纹,玻璃在受热膨胀时,由于内部应力的作用,就极易 在边缘有缺陷的点开始破裂。因此,裁切的 玻璃边缘一定要求平直光滑,不准许有崩边、牙边、崩角等缺陷;为了消 除玻璃切割后周边隐藏的微小裂纹,在玻璃裁切后,对玻璃边部进行处理(采用机倒角、机磨边或者精磨边)。
      
      玻璃磨 边质量也是影响中空玻璃破裂的重要因素,改善边 部的加工质量是提高中空玻璃抗热破裂能力的关键因素之一。边部是 玻璃最脆弱的地方,存在许 多微裂纹和缺陷(如崩边、崩角、钳边不齐整等)玻璃边 缘缺陷会导致应力集中及严重降低允许张应力,当遇到过大热应力、外力冲 击极大地降低玻璃的抗拉强度,破裂一 般从玻璃边部起始,容易造 成从此处开始破裂。在磨边操作时,最好将 玻璃边部进行磨边处理,严格检 查玻璃磨边质量。
      
      钢化玻璃因内部 存在硫化镍引起的自爆(钢化玻 璃在无外部直接作用的情况下而自动发生破碎的现象)是中空 玻璃破裂的重要因素。玻璃自 爆典型特征是蝴蝶斑,玻璃碎 片呈放射状分布,放射中 心有二块形似蝴蝶翅膀的玻璃块,俗称“蝴蝶斑”,NiS结石位于二块“蝴蝶斑”的界面上。玻璃的 原材料中通常含有微量的硫和镍,融化过 程中镍合金碎片也会增加玻璃中的镍含量,当玻璃被加热时,这些物 质发生化学反应,形成微 小的硫化镍晶体。硫化镍 晶体以两种方式存在:高温下稳定的α相和室温下稳定的β相。玻璃钢 化过程中的高温把所有的硫化镍晶体都转化成α相。但是由 于钢化玻璃的冷却过程非常迅速,以至于 硫化镍晶体没有足够的时间转化为β相。这在玻 璃中遗留下不稳定的α体,它就像 被压缩的弹簧一样随时准备毫无征兆地重新转化成β相,硫化镍晶体由α相转化成β相时体积膨胀4%。如果α相晶体 位于张力最大的玻璃中央,膨胀产 生的压力导致使整块玻璃破裂。降低钢 化玻璃自爆的有效方法是对钢化玻璃进行均质处理(HST)。均质处 理就是将钢化玻璃再次加热到290度左右并保温2小时,使硫化 镍在玻璃出厂前完成晶相转变,让今后 可能自爆的玻璃在工厂内提前破碎。按照国际惯例,经过均 质处理后的钢化玻璃自爆率可降低至0.15%以下。根据此惯例进行控制,是确保 钢化玻璃低自爆率有效方法。
      
      中空工 序是中空玻璃的形成阶段,该阶段 的质量控制将直接关系中空玻璃密封的有效性,所采用 的辅助材料的质量与操作工艺都影响着中空玻璃的破裂问题。
      
      密封胶质量与 干燥剂的选择对中空玻璃破裂的影响。制作中 空玻璃的密封胶要求在高、低温状 态下均有较好的弹性,既与玻璃同步伸缩,不致使 玻璃产生较大应力。密封胶较硬,弹性不好,会制约 玻璃因环境温度变化而产生的变形,使中空 玻璃边部应力增大而导致破裂。而有些 低质量的密封胶挥发成分较多,在打胶固化时,胶体收缩过大,尤其会 增加首冬破裂的可能。另外要 求中空玻璃密封胶要有较少的有机挥发物(小于1.5%),以防止 密封胶收缩过大产生破裂;选用干 燥剂的型号不当,会在中空玻璃密封后,间隔层气体产生负压,造成玻璃挠曲变形,加之环 境温度与气压变化,当这种 变形产生的应力超过了玻璃能够承受的最大应力时,中空玻 璃的破裂也就发生了。因此,制作中 空玻璃的辅助材料要保证使用优质产品。
      
      中空玻 璃合片操作工艺对破裂的影响。水平法 生产中空玻璃时(目前手 工或半手工或者板面过大无法在自动线上操作时都采用水平法生产),由于玻 璃下部受支撑的面积较小而且支撑多在中心部位,加之上 片玻璃的重量全部加到下片玻璃上,使下片玻璃向上弯曲,上片玻 璃由于自重向下弯曲,结果造 成中空玻璃的间隔层变薄,玻璃安 装使用时就自然存在负压使玻璃上产生预应力,面积较 大的中空玻璃这种现象更为突出。由于玻 璃上预应力的存在,减少了 其抵抗外力的能力,在外界 因素变化较大时容易发生破裂。针对以 上操作中的缺陷必须及时加以补求,在合完 片注完胶后须及时的向中空玻璃腔体内冲气来调和这种变形,从而避 免因操作中变形引起的中空玻璃破裂。
      
      3.3 包装与运输
      
      中空玻 璃的运输通常采用铁架包装或者木箱包装,中空玻 璃不同于其它玻璃,中空玻 璃在受到压力时是单片受力,衬垫不 平造成玻璃间受力不均匀容易导致中空玻璃破裂。另外在 生产中玻璃边部处理有缺陷在运输中玻璃边部由于碰撞产生微小裂口而在安装前又不易被发现(由于周边涂胶)安装后 受外力影响裂纹增长而使玻璃破裂。中空玻 璃包装时要注意玻璃之间应用软性衬纸或衬垫相互隔开并保持玻璃间受力均匀,确保铁 架或木箱牢固不易变形,避免中 空玻璃间受到挤压,中空玻 璃产品必须竖立式放置运输。
      
      3.4 施工安装
      
      施工安 装上墙或者上框后的中空玻璃四周紧固或松驰,玻璃底 部是否安放支撑物,玻璃与 四周框架用什么硬度材质密封或用玻璃胶密封等 均对玻璃的破裂有密切影响。安装时 框架不平整或弹性密封胶条质量不佳易使玻璃发生弯曲变形从而产生预应力,由于玻 璃预应力的存在降低了其抗风压强度,甚至发生破裂。安装时 避免中空玻璃产生预应力,安装玻 璃的框架要平整,与玻璃 接触的周边密封材料要有良好的弹性,使玻璃 不产生任何变形。
      
      安装玻 璃的框架的热绝缘好坏也是影响中空玻璃破裂的因素。在安装中空玻璃时,尽可能 用导热系数低的弹性材料作衬垫,玻璃是热的不良导体,将玻璃 与导热性良好的框、阴冷的 墙体等隔绝开来,减少玻 璃不均匀温差的形成。为避免上述问题,安装必须依照JGJ113-97《建筑玻 璃应用技术规范》规定按照设计图纸、规范要求来实施。玻璃安 装时应设法让玻璃与铝框热绝缘,下部平 衡垫两块橡胶块,确保它 们有足够的膨胀空间,保持绝对分离、弹性接触和热绝缘。
      
      4、业主使用
      
      中空玻 璃在业主使用中除了受到硬物或锐物的撞击而造成玻璃破裂外。同时还 受到业主使用中室内遮阳装置吸热后的再辐射的影响。如室内深色窗帘、百叶窗 和室内玻璃表面粘贴或悬挂的装置图案或广告等遮阳装置,室内的 遮阳装置增加了玻璃温度不均匀性,也增加 了热应力的破裂的概率,应尽可 能避免上述装置。室内的 热辐射源直接作用于中空玻璃也能引起玻璃不同部位明显的温度变化而造成破裂,如安装在冷、热风道口处(空调通风口)的中空 玻璃不同部位存在温差,这种温 差引起的热应力,给中空 玻璃的破裂增加机率。为了防 止以上情况下中空玻璃的热应力破裂,提高玻 璃承受风压强度和热应力强度,减少热 应力破裂的机率,建议对 玻璃采取强化处理。
      
      5、结论
      
      建筑中 空玻璃使用中的破裂是一个综合性问题,因各种玻璃性能不同,地区不同,安装方法不同,破裂的原因也很复杂。除了在 中空玻璃材质上与辅助材料上要保证优质产品以外,在施工 设计上也应该要严格按照规范规定的要求来实施。因此,对中空 玻璃的破裂均要根据实际情况仔细分析、找出原因,采取一 些必要的构造措施来尽量减少中空玻璃使用中的破裂;同时,国家有 关职能部门要加大中空玻璃产品的认证力度,对中空 玻璃生产企业实行分级管理,规范我 国中空玻璃市场,提高产品质量,普及中 空玻璃在建筑物上的使用,使我国 中空玻璃行业健康有序发展。
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