一、前言
將平板玻璃經(jīng)過物理或化學(xué)的方法處理，使玻璃表面形成壓應(yīng)力，內(nèi)部形成張應(yīng)力，從而獲得高強度、高韌性的玻璃，稱為鋼化玻璃t應(yīng)用于建筑上通常是物理鋼化玻璃。鋼化玻璃與平板玻璃相比有許多優(yōu)點，如鋼化玻璃的強度高，韌性好，抗熱沖擊性能優(yōu)越，安全破裂。所謂安全破裂是指鋼化玻璃碎片鈍化了，即鋼化玻璃碎片沒有明顯的銳角，當人體撞擊玻璃并發(fā)生玻璃破碎時，給人體的切割傷或刺穿傷降低。因此鋼化玻璃被廣泛地應(yīng)用于玻璃幕墻和門窗等工程中。但是鋼化玻璃也有缺點，如自爆。嚴格意義上說，鋼化玻璃只有在無荷載作用下發(fā)生的白發(fā)性炸裂才稱為鋼化玻璃的自爆實際工程中，對于沒有外力沖擊、正常使用條件下、具有典型自爆裂紋的鋼化玻璃破裂也歸結(jié)為鋼化玻璃自爆。自爆是鋼化玻璃固有的弱點之一，但鋼化玻璃自爆原本應(yīng)當是罕見事件，至少應(yīng)當是少見現(xiàn)象，如汽車、火車和輪船用鋼化玻璃都極少發(fā)生自爆。而建筑上用鋼化玻璃卻經(jīng)常發(fā)生自爆，以至于發(fā)展成一種普遍現(xiàn)象，甚至發(fā)生傷人、損物事件，已到了必須解決的地步。本文全面分析了鋼化玻璃自爆的原因，提出了降低鋼化玻璃自爆率的方法，進行了相關(guān)的試驗研究，所得結(jié)果將應(yīng)用于《建筑門窗幕墻應(yīng)鋼化玻璃》建筑工程行業(yè)標準制訂中。
二、硫化鎳及其他缺陷
鋼化玻璃自爆的原因很多，最主要原因是硫化鎳粒子的膨脹。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α相向β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α相向β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，地點確定，很容易被看見，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��；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。此外，風(fēng)荷載、溫差作用、裝配應(yīng)力等會改變鋼化玻璃內(nèi)部的應(yīng)力分布，見圖3
由圖3可見，在荷載作用下，原本處于不具備自爆條件的硫化鎳粒子可能變?yōu)榫吒髯员瑮l件而自爆，這就是工程上鋼化玻璃安裝后，特別是采光頂鋼化玻璃自爆的主要原因。
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。
原國家標準《浮法玻璃》GB11614-1999依據(jù)浮法玻璃中所含氣泡、夾雜物、缺陷大小和多少將浮法玻璃劃分為建筑級、汽車級和制鏡級，建筑級浮法玻璃質(zhì)量最低，汽車級居中，制鏡級最高，這是汽車用鋼化玻璃一般不發(fā)生自爆的主要原因之一。
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