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摘要：本文總結(jié)了建筑玻璃力學(xué)性能、破壞形式和鋼化玻璃自曝機理和降低鋼化玻璃自曝方法，對建筑玻璃的設(shè)計應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：建筑玻璃 力學(xué)性能 破壞形式 鋼化玻璃自曝
1前言
建筑玻璃是典型的脆性材料，對其力學(xué)性能的深入理解對正確的設(shè)計與施工非常重要。本文對建筑玻璃的力學(xué)性能進行綜述，以其對建筑玻璃的應(yīng)用起到有益的作用。
2 力學(xué)特性
2.1彈性（詞條“彈性”由行業(yè)大百科提供）
建筑玻璃是完全的彈性體，目前在全世界范圍內(nèi)尚未檢測到其任何可見的塑性（詞條“塑性”由行業(yè)大百科提供）變形。因此建筑玻璃設(shè)計施工時，其周邊應(yīng)采用軟性材料與其接觸，如膠條或密封膠，不得使其與金屬材料（詞條“金屬材料”由行業(yè)大百科提供）如鋁型材或鋼型材直接接觸。
2.2 脆性
建筑玻璃表面存在大量微裂紋，其脆性極大，其斷裂韌性（詞條“韌性”由行業(yè)大百科提供）極差，表現(xiàn)為破壞時突然斷裂。因此，一般情況下，建筑玻璃不可作為工程結(jié)構(gòu)材料（詞條“結(jié)構(gòu)材料”由行業(yè)大百科提供）使用。
2.3 強度離散性
由于建筑玻璃表面存在大量微裂紋，其強度與裂紋尺寸密切相關(guān)，而裂紋尺寸與數(shù)量隨機存在，使得建筑玻璃強度離散性較大。設(shè)計使用時，應(yīng)考慮較大的安全系數(shù)。一般情況下，應(yīng)采用失效概率不大于0.1%時的安全系數(shù)。
2.4 強度取值
建筑玻璃的破壞與其表面裂紋的擴展密切相關(guān)，破壞時的起始裂紋位置、裂紋走向和作用力方向決定了強度的大小。建筑玻璃強度分為大面強度、邊緣強度和端面強度，設(shè)計時應(yīng)注意區(qū)分。
3 破壞形式
3.1 彎曲破壞
建筑玻璃在風(fēng)荷載等外力作用下，表現(xiàn)為薄板的彎曲破壞，通常所說的鋼化玻璃設(shè)計許用強度84MPa即是指彎曲強度。建筑玻璃不存在壓縮強度（詞條“壓縮強度”由行業(yè)大百科提供）、剪切強度和拉伸強度，因此設(shè)計時，計算建筑玻璃的壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力和拉伸（詞條“拉伸”由行業(yè)大百科提供）應(yīng)力是沒有意義的。
3.2 沖擊破壞
在人體或物體的沖擊作用下，建筑玻璃很容易破壞，即玻璃的抗沖擊強度較低，因此改善其抗沖擊強度是建筑玻璃生產(chǎn)時應(yīng)重點考慮的問題。
3.3 熱炸裂
在溫差應(yīng)力作用下，建筑玻璃極易發(fā)生熱炸裂。由于玻璃熱炸裂的起始裂紋始于玻璃板邊部，因此其邊部精加工對改善玻璃抗熱炸裂能力作用明顯，同時對玻璃進行熱處理也將明顯改善其抗熱炸裂能力。
4 鋼化玻璃自爆
建筑玻璃的彎曲強度和抗沖擊強度較低，且極易發(fā)生熱炸裂，限制了其應(yīng)用，對其進行熱處理，即鋼化處理，可提高玻璃彎曲強度2—3倍，提高抗沖擊強度3—4倍，不存在單獨熱炸裂問題。鋼化玻璃的優(yōu)異性能極大地拓展了建筑玻璃的應(yīng)用。但是鋼化玻璃也有明顯的缺陷，即鋼化玻璃自爆。只有詳盡地了解了鋼化玻璃自爆的機理，才能正確的設(shè)計使用。
鋼化玻璃自爆的原因很多，最主要原因是
硫化鎳（詞條“硫化鎳”由行業(yè)大百科提供）粒子的膨脹。玻璃中含有
硫化鎳夾雜物 ，硫化鎳夾雜物一般以結(jié)晶體(NiS)存在，室溫下存在著
相向
相轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)傾向，并伴有2—3%的體積膨脹。硫化鎳粒子存在于
平板玻璃中，因而才存在于
半鋼化玻璃和鋼化玻璃中。但
平板玻璃和半鋼化玻璃沒有自爆現(xiàn)象，只有鋼化玻璃才有自爆，原因是僅有硫化鎳粒子由
相向
相轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)傾向是不夠的，必須具備一定的動力學(xué)條件才能實現(xiàn)這種相變，進而造成玻璃的自爆。平板玻璃是
退火玻璃，其內(nèi)部無應(yīng)力。半鋼化玻璃和鋼化玻璃經(jīng)
淬火后其內(nèi)部具有應(yīng)力，屬于
預(yù)應(yīng)力材料。半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)見圖1。
由圖1可見，半鋼化玻璃和鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力分布趨勢是一致的，都是外表面處于壓應(yīng)力，內(nèi)部處于張應(yīng)力，兩者的區(qū)別是鋼化玻璃表面壓應(yīng)力和內(nèi)部張應(yīng)力比半鋼化玻璃的表面壓應(yīng)力和內(nèi)部張應(yīng)力都大。只有玻璃中的硫化鎳粒子位于足夠大的張應(yīng)力區(qū)，硫化鎳粒子才具備相變的動力學(xué)條件，因為硫化鎳粒子相變伴隨體積膨脹，足夠大的張應(yīng)力為硫化鎳粒子體積膨脹提供了動力學(xué)條件，這就是平板玻璃和半鋼化玻璃不發(fā)生自爆，鋼化玻璃自爆的原因。玻璃中的硫化鎳粒子是隨機分布的，如果玻璃中的硫化鎳粒子位于鋼化玻璃最大張應(yīng)力部位，該粒子就可能成為鋼化玻璃自爆的起爆點。由硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆其爆裂點裂紋形狀往往與蝴蝶相似，被稱為蝴蝶形裂紋，有些在爆裂點中部有一個有色顆粒，被認為是硫化鎳粒子，這兩個特性往往被用來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;自爆后其體積增大，地點確定，很容易被看見，這也是鋼化玻璃自爆不易預(yù)見的原因之一。鋼化玻璃自爆裂紋見圖2。
硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆具有主動性、自發(fā)性、無外因，是真正意義上的自爆。
硫化鎳粒子造成鋼化玻璃自爆需要兩個條件：其一硫化鎳粒子所處位置的張應(yīng)力大小;其二硫化鎳粒子的尺寸。硫化鎳粒子尺寸越大，它需要的張應(yīng)力越小，即對應(yīng)不同的張應(yīng)力，硫化鎳粒子存在臨界尺寸，鋼化玻璃中張應(yīng)力越大，硫化鎳粒子的臨界尺寸越小，產(chǎn)生自爆硫化鎳粒子越多，鋼化玻璃自爆的概率越大。
平板玻璃中除含有硫化鎳粒子外，還含有結(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)在玻璃中將會形成裂紋，是鋼化玻璃的薄弱點，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。
我國標準要求其表面應(yīng)力不應(yīng)小于90MPa，美國標準中規(guī)定鋼化玻璃的表面壓應(yīng)力為大于69MPa，可否將我國鋼化玻璃表面壓應(yīng)力降低到與美國標準一致或接近非常值得研究。如果可行，將極大地降低鋼化玻璃的自爆率。降低表面壓應(yīng)力值限值可能會造成鋼化玻璃碎片偏大，不過即使鋼化玻璃表面壓應(yīng)力很高，碎片很小，也無法保證碎片都以分裂狀態(tài)存在，許多情況下碎片表現(xiàn)為裂而不碎，形成“鋼化玻璃被”，其結(jié)果與大一點的碎片區(qū)別不大，甚至其危害性更大，因此可以考慮降低鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值。況且我國半鋼化玻璃標準規(guī)定，其表面壓應(yīng)力值限值為不大于60MPa，鋼化玻璃標準規(guī)定，其表面壓應(yīng)力值限值為不小于90MPa，如果玻璃表面壓應(yīng)力處于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。從這個角度來說，也應(yīng)將鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值降低，如果將半鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值與鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值連接有困難，至少可將鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值降低，縮小兩者的差距。
玻璃表面和邊部在加工、運輸、貯存和施工過程，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擴展，如水蒸氣的作用、荷載的作用等，都可能加速微裂紋的擴展。通常情況下微裂紋的擴展速度是極其緩慢的，表現(xiàn)為玻璃的強度是一恒定值。但是玻璃表面的微裂紋有一臨界值，當微裂紋尺寸接近或達到臨界值時，裂紋快速擴張，導(dǎo)致玻璃破裂。如果玻璃表面和邊部存在接近臨界尺寸的微裂紋，如玻璃表面和邊部在加工、運輸、貯存和施工過程造成的劃痕、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)致玻璃表面或邊部微裂紋快速擴張，最終導(dǎo)致玻璃破裂。
為此應(yīng)提高鋼化玻璃邊部加工質(zhì)量，明確邊部加工要求，如兩邊完全磨邊或三邊不完全磨邊，避免玻璃邊部和表面劃傷和磕碰。理論分析和實驗表明，鋼化玻璃邊部鋼化程度較低，因此應(yīng)對鋼化玻璃邊部重點保護。對于點支式幕墻玻璃，如果對玻璃打孔，孔邊一定要精磨，最好達到拋光的程度，因為玻璃孔邊是應(yīng)力集中部位。
鋼化玻璃在生產(chǎn)過程中需要對玻璃進行加熱和冷卻（詞條“冷卻”由行業(yè)大百科提供），玻璃在加熱或冷卻時沿玻璃板面方向不均勻和沿厚度方向的不對稱，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)力過大，超過玻璃的斷裂強度，玻璃就會爆裂。玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布應(yīng)當是對稱的，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稱的，玻璃板承受正負風(fēng)壓的能力是相同的。如果玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布不對稱，玻璃板承受正負風(fēng)壓的能力就不相同，一側(cè)承受荷載的能力較強，另一側(cè)較小，即玻璃可能在較小荷載作用下破損，嚴重時，玻璃板在無荷載作用下產(chǎn)生變形，造成幕墻玻璃影像畸變。
為此應(yīng)提高鋼化玻璃表面應(yīng)力均勻度和沿厚度方向的對稱度。特別對于low-e玻璃的鋼化更要關(guān)注其鋼化玻璃應(yīng)力沿厚度方向的對稱度，因為low-e玻璃上下表面對熱輻射吸收的差異將會造成low-e玻璃在加熱時玻璃板沿厚度方向溫度的差異，而這種差異最終將會導(dǎo)致鋼化玻璃應(yīng)力沿厚度方向的不對稱，目前在玻璃鋼化過程中采用強制對流的方法來消除這種不利因素。
鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力不均勻，存在較大應(yīng)力梯度，會造成自爆，表現(xiàn)為碎片顆粒大小不一且差距較大。表面壓應(yīng)力有五個測點，取平均值。應(yīng)增加五個測點最大值和最小值之間的差值限值，用以表征鋼化玻璃表面壓應(yīng)力均勻性（詞條“均勻性”由行業(yè)大百科提供）。
減小鋼化玻璃板面尺寸，可降低鋼化玻璃自爆率。目前我國在應(yīng)用建筑玻璃方面呈現(xiàn)板面越來越大的趨勢，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，只要有一個自爆點，并最終導(dǎo)致鋼化玻璃自爆，無論鋼化玻璃板塊大小，整個鋼化玻璃板都破碎。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增加，鋼化玻璃自爆概率就會加大。因此應(yīng)依據(jù)平板玻璃厚度、質(zhì)量等級對鋼化玻璃板面尺寸做出限制。
5 結(jié)束語
《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》JG/T455和《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113對鋼化玻璃的生產(chǎn)和建筑玻璃的應(yīng)用均做出明確的規(guī)定，本文對建筑玻璃的力學(xué)性能進行綜合評述，對理解上述標準提供部分補充說明。
作者單位：北京中新方建筑科技研究中心
