论玻璃幕墙破损原因分析

王 君

（太原市第一建筑工程公司，山西 太原 030001）

玻璃幕墙是现代高档建筑较多采用的外围护结构，集合了建筑物外围护的防风、遮雨、采光、隔热保温等功能，并与建筑外墙装饰相结合，形成融建筑技术一体的建筑外围护结构，已在我国高层和超高层建筑中广泛应用。但是幕墙玻璃的破损又直接影响建筑的装饰效果，并且存在着很大的安全隐患，如何有效地避免这些破损，并将其影响效果减至最小，就必须对其破损原因进行分析，然后对此改进，以减少未知的安全隐患及损失。下面对某工程幕墙作分析介绍：

1 工程简介

该工程为某电厂综合办公楼，采用的建筑结构体系为钢筋混凝土框架结构和钢结构（钢结构包括门厅、休息大厅、咖啡厅），抗震设防烈度为6度。建筑层数为地上6层，地下1层；建筑总高度23.85m，设计总建筑面积14 424.18m2。

钢结构部分（包括门厅、休息大厅、咖啡厅）封闭为点支承玻璃幕墙，幕墙高度23.85 m。其中立面采用8mm+12A+8mm LOW-E中空钢化玻璃封闭，封闭面积4 150.7m2。屋顶平面采用6mm+1.52PVB+6mm+12A+8mmLOW-E中空钢化玻璃封闭，跨度21.6m，封闭面积1 720.9m2。玻璃的分隔尺寸为1 785mm×1 785mm，收口处为异型玻璃，250mm驳接爪与钢结构连接，玻璃间密封使用硅酮耐候密封胶。

2 原因分析

该工程自2008年8月底竣工交付使用，至今已有两年。在这两年当中玻璃幕墙中空钢化玻璃共计破损10余块，其中上表面破损占70%。钢化玻璃有驳接爪固定四周有玻璃胶密封，破损的玻璃形如网状，不脱落，并且破损花纹从一点向四周扩散。根据现场实际情况，原因分析如下：

2.1 钢化玻璃质量缺陷自爆

钢化玻璃在无直接机械外力作用下发生的自动性炸裂叫做钢化玻璃的自爆。自爆是钢化玻璃固有的特性之一。

产生自爆的原因很多，简单地归纳为以下几种：

2.1.1 玻璃中有结石、杂质

玻璃中有杂质是钢化玻璃的薄弱点，也是应力集中处。特别是结石处在钢化玻璃的张应力区是导致炸裂的重要因素。

结石存在于玻璃中，与玻璃体有着不同的膨胀系数。玻璃钢化后结石周围裂纹区域的应力集中成倍地增加。当结石膨胀系数小于玻璃，结石周围的切向应力处于受拉状态。伴随结石而存在的裂纹扩展极易发生。

2.1.2 玻璃中含有硫化镍结晶物

当玻璃钢化加热时，玻璃内部板芯温度约620℃，所有的硫化镍都处于高温态的α-NiS相。随后，玻璃进入风栅急冷，玻璃中的硫化镍在379℃发生相变。与浮法退火窑不同的是，钢化急冷时间很短，来不及转变成低温态β-NiS而以高温态硫化镍α相被“冻结”在玻璃中。快速急冷使玻璃得以钢化，形成外压内张的应力统一平衡体。在已经钢化了的玻璃中硫化镍相变低速持续地进行着，体积不断膨胀扩张，对其周围玻璃的作用力随之增大。钢化玻璃板芯本身就是张应力层，位于张应力层内的硫化镍发生相变时体积膨胀也形成张应力，这两种张应力叠加在一起，足以引发钢化玻璃的破裂即自爆。

简单的说，镍元素在高温状态下非常的小，但在常温状态下，又会变大。钢化玻璃在加热过程中镍元素会变小，但在急速冷却时并没有来得及变回到常温状态时的体型，所以钢化玻璃会自爆。国家规定，钢化玻璃的自爆率为3‰。而导致钢化玻璃破损的内在因素包括钢化玻璃边部缺陷等应力集中区域、钢化玻璃内部应力过大和钢化玻璃内部存在硫化镍杂质。前两种因素是由于钢化玻璃加工过程中工艺导致的，硫化镍的因素在原片玻璃制作过程产生。

玻璃表面因加式过程、运输或施工安装过程中造成有划痕、炸口、深爆边等缺陷，易造成应力集中或导致钢化玻璃自爆。

2.2 温差、应力变化

该综合办公楼位于山西省柳林县，属山区，当地气温昼夜温差较大，经实际测量办公楼内上午11时玻璃屋顶下方测温达60℃，且屋面没有设计安装排风设施，致使热气聚集，应力加大。玻璃在加热或冷却时沿玻璃厚度方向产生的温度梯度不均匀、不对称，使钢化制品有自爆的趋向，有的在激冷时就产生“风爆”。如果张应力区偏移到制品的某一边或者偏移到表面则钢化玻璃形成自爆。

3 预防及控制

均质处理是公认的彻底解决自爆问题的有效方法。将钢化玻璃再次加热到290℃左右并保温一定时间，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。这种钢化后再次热处理的方法，国外称作“Heat Soak Test”，简称HST。我国通常将其译成“均质处理”，也俗称“引爆处理”。从原理上看，均质处理似乎很简单，许多厂家对此并不重视，认为可随便选择外购甚至自制均质炉。实际并非如此，玻璃中的硫化镍夹杂物往往是非化学计量的化合物，含有比例不等的其他元素，其相变速度高度依赖于温度。研究结果表明，280℃时的相变速率是250℃时的100倍，因此必须确保炉内的各块玻璃经历同样的温度。否则一方面有些玻璃温度太高，会引起硫化镍逆向相变；另一方面温度低的玻璃因保温时间不够，使得硫化镍相变不完全。

均质炉内的玻璃片之间是热空气的对流通道，因此玻璃的堆置方式对于均质处理的质量是极其重要的。首先玻璃的堆置方向应顺应气流方向，不可阻碍空气流通。其次，玻璃片与片之间的空隙需足够大，分隔物不能堵塞空气通道，玻璃片之间至少需有20mm的间隙，片之间不能直接接触。对于大片玻璃，玻璃很容易因相互紧贴引起温差过大而破碎。

4 结论

通过以上原因分析：玻璃质量缺陷是玻璃自爆的主要原因，屋面温差排风通风差为次要原因（诱因）。

钢化玻璃内部的硫化镍膨胀是导致钢化玻璃自爆的主要原因。玻璃经钢化处理后，表面层形成压应力。内部板芯层呈张应力，压应力和张应力共同构成一个平衡体。玻璃本身是一种脆性材料，耐压但不耐拉，所以玻璃的大部分破碎是张应力引发的。即屋面温度过高，玻璃产生膨胀的结石存在于玻璃中，与玻璃体有着不同的膨胀系数。玻璃钢化后结石周围裂纹区域的应力集中成倍地增加。当结石膨胀系数小于玻璃，结石周围的切向应力处于受拉状态。伴随结石而存在的裂纹扩展极易发生。