建筑用钢化玻璃自爆机理及预防措施研究

彭国容，熊渝兴

（1重庆恒意建设工程质量检测有限公司 重庆 400016 2重庆建工第三建设有限责任公司 重庆 400016）

建筑用钢化玻璃自爆机理及预防措施研究

彭国容1，熊渝兴2

（1重庆恒意建设工程质量检测有限公司 重庆 400016 2重庆建工第三建设有限责任公司 重庆 400016）

本文揭示了钢化玻璃及其成套设施在使用过程中存在的安全隐患及其产生原因，提出了控制安全隐患的主要技术措施，研究成果对钢化玻璃自爆伤人事故的预防和控制，具有一定的参考价值。

钢化玻璃；自爆现象；原因分析；防控措施

1 引言

玻璃幕墙安全隐患主要来源于钢化玻璃自爆。这种无预兆、无外部直接作用情况下自动炸裂、坠落的自爆现象，成为在高楼林立的都市中悬在人们头上随时可能发生的重大安全隐患。

无论是国内大型现代玻璃生产加工企业，或是象英国皮尔金顿这样号称“百年老厂”的专业玻璃生产厂家，至今都无法彻底解决普通建筑用钢化玻璃的自爆问题。因此，业界一致公认：迄今为止，钢化玻璃自爆，是目前仍未解决的“玻璃幕墙癌症”。

幕墙钢化玻璃爆裂的原因，有内因和外因。

外因：由于设计问题造成玻璃受力状况不合理，即增大了玻璃平面外受力；设计选材，选型不能满足强度要求；安装施工不规范使玻璃局部受力超过承载极限等等。

内因：一是由于玻璃生产加工中存在质量缺陷，例如结石、砂粒、气泡、夹杂物、缺口、划伤、爆边等；二是由于玻璃中夹杂的硫化镍（NiS）杂质在相变过程中，体积膨胀引起自爆。

在玻璃爆裂的外因与内因之中，内因是主要因素。而在作为主要因素的内因中，硫化镍杂质膨胀引发的“自爆”又是最主要的因素。数据资料显示：钢化玻璃自爆95%左右由硫化镍结石膨胀所致。

本文研究主要内容是钢化玻璃自爆机理及应对措施。

2 钢化玻璃特有的材质特性——自爆现象

钢化玻璃的自爆现象可以表述为钢化玻璃在无外力直接作用的情况下自动发生破碎的现象。自爆时间无确定性，可能是刚出炉，也可能是出厂后1～2月，还可能是出厂后1～2年，甚至在产品生产完成4～5年后，仍有自爆现象发生。

关于自爆发生的概率，大部分生产厂家认同：静态自爆概率约2～3‰，安装施工后使用过程中自爆概率约3～5‰左右。

如何鉴别钢化玻璃自爆？

首先看起爆点（钢化玻璃裂纹呈放射状，均有起始点，称为起爆点）是否在玻璃中间，如在玻璃边缘，一般是因为玻璃未经过倒角磨边处理或玻璃边缘有损伤，造成应力集中，裂纹逐渐发展造成的；如起爆点在玻璃中部，看起爆点是否有两小块多边形组成的类似两片蝴蝶翅膀似的图案（蝴蝶斑），如有，仔细观察两小块多边形公用边（蝴蝶的躯干部分）应有肉眼可见的黑色小颗粒（硫化镍结石），则可判断是自爆的；否则就应是外力破坏的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑，如图1所示。

图1 玻璃自爆典型特征蝴蝶斑

玻璃碎片呈放射状分布，放射中心有两块形似蝴蝶翅膀的玻璃块，俗称“蝴蝶斑”。图示自爆点即NiS结石位置处于两块状似蝴蝶翅膀碎块的界面上。

通过对多起自爆的研究，发现引起自爆的硫化镍直径在0.04mm～0.65mm，平均粒径为0.2mm。硫化镍在玻璃中一般位于张应力区，大部分集中在板芯部位的高张应力区。处在压应力区的NiS,一般不会导致自爆。

3 钢化玻璃自爆现象之原因分析

3.1 自爆现象内因分析

钢化玻璃自爆现象主要由玻璃中微小的硫化镍 （NiS）颗粒体积膨胀引发，迄今为止，国内外生产厂家无法对其目测检验，故不可控，成为钢化玻璃自爆的主要因素，被称之为“幕墙玻璃的癌症”。自爆原因之内在因素主要如下：

3.1.1 硫化镍（NiS）相变引发自爆

《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102)条文说明第3.4.5条：“浮法玻璃由于存在着肉眼不易看见的硫化镍结石，在钢化后这种结石随着时间的推移会发生晶态变化而可能导致钢化玻璃自爆”。什么是晶态变化？为什么晶态变化可能导致钢化玻璃自爆？

生产玻璃的原料中通常含有微量的镍和硫，熔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，这些原子发生反应，形成微小的硫化镍晶体。熔炉中0.1克镍可以形成的晶体数量多达5万个。

这些晶体以两种方式存在：高温下稳定的密度较大的α相和室温下稳定的密度小一些的β相。浮法玻璃中硫化镍晶体基本上以β相存在,用浮法玻璃加工钢化玻璃的强化过程中的高温把所有的硫化镍晶体都转化成高密度的α相。但是接下来的冷却过程如此迅速，以致于硫化镍晶体没有足够的时间重新转化成β相。这在玻璃中遗留下不稳定的α相晶体，它就像被压缩的弹簧一样随时准备毫无征兆地重新转化为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，膨胀产生的压力可以使整块玻璃破裂。

玻璃厂家迄今没有找到从源头上消除这种杂质的方法。因此，硫化镍晶体相变所产生的膨胀变形，是钢化玻璃发生自爆的主要内因。

3.1.2 玻璃在温度变化影响下热胀冷缩使玻璃破裂

玻璃的线膨胀系数为α＝1X10-5，如果在玻璃安装时与镶嵌槽底紧密接触，一旦伸长就会产生挤压应力，这种应力很大，足以使玻璃破坏。

3.1.3 玻璃受热不均匀产生热炸裂

玻璃暴露在阳光直射的部分吸引红外线和可见光线转化为热量，温度升高，这一部分玻璃受热膨胀，而没有受热或者镶嵌在槽底或者阴影下的那一部分玻璃因受不到阳光的辐射，不能同步膨胀，内部的热应力即形成，受热多的区域对受热少的区域产生张应力，这种张应力超过玻璃本身的抗拉强度就会导致玻璃的破裂，在玻璃边缘存在微小裂纹情况下更易引发热炸裂。

3.1.4 玻璃生产加工过程中的缺陷使玻璃破裂

玻璃生产加工过程中的可见缺陷，如气泡、砂粒、结石、夹杂质、缺口、划伤、爆边等，若质检把关不严或漏检，在一定条件下也可引发玻璃自爆。

3.2 自爆现象外因分析

3.2.1 施工质量是关系到玻璃开裂的重要原因

规范JGJ102规定了玻璃边缘与槽口的配合尺寸，它的目的就是保证玻璃在温度变化和其他因素影响下能自由伸缩。一旦出现阻碍玻璃自由伸缩的因素，玻璃就会破裂，玻璃槽口两侧不能用硬性材料阻塞，玻璃在平面外力作用的影响下会产生翘曲，如果嵌缝材料阻碍玻璃翘曲变形也会使玻璃破裂，必须用弹性材料填缝，填缝材料要保持必要的弹性以保证玻璃自由翘曲变形。

3.2.2 玻璃幕墙所依附的主体结构在风荷载或地震作用下产生层间的变化也能使玻璃破裂

主体结构在荷载或地震作用下产生变化时，它必然强制玻璃框格和它同步变化，这时框格的形状由矩形变成了菱形，如果玻璃边缘与镶嵌槽底板间没有足够的间隙适应这种变化，也会将玻璃挤碎。

3.2.3 玻璃的切割产生的微小裂口造成玻璃的破裂

玻璃在裁划切断时，沿玻璃周边隐藏着许多微小裂口，这些裂口在各种效应与热应力影响下，会扩展成裂缝，裂缝进一步发展导致玻璃破裂，因此在裁划玻璃后，要用磨边机进行处理，消除周边隐藏的微小的裂口。

3.2.4 设计不当引发玻璃破裂

设计应根据规范及工程实际的受力情况，选择最佳的幕墙形式，并选择合适的材料，使整个幕墙结构处于最佳受力状态，以避免额外应力，增加结构使用的安全性。如设计选型不当，使玻璃处于不良应力状态，会加大玻璃破损几率；如遇内力、外力叠加，超过承载力，会导致玻璃破碎。

4 防范钢化玻璃自爆的对策

4.1 源头质量把关

钢化玻璃一般采用浮法玻璃作原片。建筑级浮法玻璃外观质量各项性能及检测方法应符合 《建筑用钢化玻璃第2部份：钢化玻璃》（GB15673.2-2005）有关规定。

优先选用大厂出厂的原片玻璃，他们选材、工艺控制较严，混入杂质的机率较小。

钢化玻璃边缘应进行倒角磨边处理，减小应力集中。

做好玻璃的成品保护，防止蹦边、掉角，对蹦边、掉角不大的用抛光机磨成圆弧面，减小应力集中。

采购时要求玻璃厂进行钢化后的均质处理 （引爆处理），一般小厂没有均质炉，或者有也出于成本考虑不用。因此，购买时要与其约定自爆率，以备日后索赔。

4.2 钢化质量把关

4.2.1 控制钢化应力

钢化应力越大，硫化镍结石的临界半径就越小，能引起自爆的结石就越多。显然，钢化应力应控制在适当的范围内，这样既可保证钢化碎片颗粒满足有关标准，也能避免高应力引起的不必要自爆风险。平面应力应越小越好，这样不仅减小自爆风险，而且能提高钢化玻璃的平整度。

4.2.2 均质处理（HST）

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。这种钢化后再次处理的方法，我国通常将其译成“均质处理”，也俗称“引爆处理”，简称HST。

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制度，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。两种情况均会导致无效的均质处理。调查数据显示，最好的进口炉也存在30℃以上的温差，多台国产炉内的温差甚至超过55℃。这或许解释了经均质处理的玻璃仍然出现许多自爆的原因。

4.2.3 均质炉

均质处理的关键设备是均质炉，均质炉必须采用强制对流加热的方式加热玻璃。对流加热靠热空气加热玻璃，加热元件布置在风道中，空气在风道中被加热，然后进入炉内。这种加热方式可避免元件直接辐射加热玻璃，引起玻璃局部过热（图2）。

图2 均质炉

4.2.4 均质炉内玻璃堆置方式及支撑间隔，均质温控制度，应严格执行相关技术标准。

4.3 设计、施工及使用过程中质量把关

型材设计时充分考虑玻璃的热胀冷缩和层间位移变形，留出变形空间，施工时注意玻璃下部垫块的厚度和硬度以及玻璃与框周边的间隙。

设计应充分重视玻璃幕墙所依附的主体结构在风荷载或地震作用下产生层间的变化使玻璃破裂，允许的层间位移变形值，应根据主体结构弹性层间位移限值的3倍来确定。

防止玻璃受热不均匀产生热炸裂。玻璃暴露在阳光直射的部分吸引红外线和可见光线转化为热量，温度升高，这一部分玻璃受热膨胀，而没有受热或者镶嵌在槽底或者阴影下的那一部分玻璃因受不到阳光的辐射，不能同步膨胀，内部的热应力即形成，受热多的区域对受热少的区域产生张应力，这种张应力超过玻璃本身的抗拉强度就会导致玻璃的破裂，在玻璃边缘存在微小裂纹情况下更易引发热炸裂，因此在施工及使用过程中应采取必要的构造措施来防止热炸裂。

采光顶和天窗等非垂直安装的场合，当屋面玻璃最高点离地＞3m时，必须使用夹层玻璃，不允许使用钢化玻璃；当屋面玻璃最高点离地≤3m时，允许使用钢化玻璃，但应采用均质钢化玻璃。在重要场所或特殊位置使用钢化玻璃时为杜绝玻璃炸裂伤人，应考虑增贴防飞溅安全膜。

钢化玻璃与窗框之间宜选用高弹性密封材料填充。

室内空调设备不宜直接面对幕墙钢化玻璃吹热风。

四边支承钢化玻璃的最大许用面积为相同厚度普通退火玻璃的2.0～3.0倍。由于国内各钢化玻璃生产厂家的质量参差不齐，具体取值应经抗风压试验确定。

钢化后的玻璃不能切割、钻孔和开槽。

5 结束语

（1）建筑用热钢化玻璃的自爆现象，是由钢化玻璃本身的材质特性和生产加工方式所决定的一种特性。迄今为止，国内外生产厂家尚不能有效解决钢化玻璃自爆问题，被业界视为“建筑用玻璃幕墙的癌症”，因此，属于安全玻璃范畴的钢化玻璃并不真正安全，业界和社会应对此有所认识和防范。

（2）钢化玻璃自爆的主要原因是由于玻璃中所含硫化镍结石（NiS）相变产生体积膨胀所致。解决钢化玻璃自爆的较有效办法，是进行科学有效的均质处理，即二次加热引爆处理。经正规引爆处理后的钢化玻璃，其自爆概率比未作二次处理下降50%以上。

（3）国家建设部和发改委、质监总局等四部委局，早在2003年就发布了《建筑安全玻璃管理规定》。其中第二条明确指出：本规定所称安全玻璃，是指符合现行国家标准的钢化玻璃……生产厂家“应有完整的工艺设备”。

目前高层建筑大量采用的节能中空钢化玻璃，其玻璃厚度大多采用8mm以下规格。按照现行国家标准（如《装饰装修工程质量验收规范》（GB50210－2001）；《建筑玻璃应用技术规程》（JGJ113-2009）），均要求对这类玻璃进行均质处理，以大幅降低潜在隐患。

但是，本人在调研考察中发现：上述国家标准在部分厂家未能执行，甚至根本缺乏关键设备就大量生产供应不符合国家标准的产品上市，这必然带来潜在的安全风险。媒体大量报道的玻璃自爆事故，提示我们应高度重视并加强行业管理。

（4）重要场所及特殊部位使用幕墙钢化玻璃，必须进行技术可靠的均质处理，并考虑增贴防飞溅安全膜。有条件时可使用“钛金箔膜”与普通浮法玻璃复合而成的“钛金箔膜复合安全玻璃。”这种“强而不自爆，碎而不散落”的防飞溅玻璃，才是真正的安全玻璃。

[1]GB50210-2001,装饰装修工程质量验收规范[S].

[2]JGJ113-2009,建筑玻璃应用技术规程[S].

[3]GB15673.2-2005，建筑用安全玻璃第2部分：钢化玻璃[S].

[4]龙文志.建筑施工[M].2006.

责任编辑：余咏梅

CAD在控制预留预埋中的应用

针对以往施工过程中经常发生事后补救等影响安装质量及进度的情况，笔者在内控作业中采用CAD软件里的简单命令"复制""粘贴"，较好做到了预控各专业的预留预埋工作。此方法应用于刚竣工验收的两座高层建筑中，无一错漏，效果良好。

在预留、预埋工作较多的地下施工阶段，尤其能够体现出该方法的简单高效。以某高层住宅楼地下室为例，可在CAD中新建一文件，复制出地下一层平面图(建筑施工)到新建文件中作为平台，然后依次打开各专业相应的地下一层布置图，按先简后繁的顺序依次把各专业的预留洞、预埋套管及预埋件等复制、粘贴到新建文件的地下一层平面图(平台)中，删掉无关的数据，使图纸简单明了。注意应使用编辑菜单下的带基点复制命令，可以达到精确控制复制目标的目的。采用不同的颜色区分不同专业的预留洞、预埋套管及预埋件等，可收到一目了然的效果。

虽然此项内控工作只是简单地"复制""粘贴"，但要求耐心细致。要把各专业需预埋的套管、预留洞的平面定位尺寸、标高、留洞尺寸及套管直径、材质等相关数据标明，质量检查过程中不用把所有专业的图纸同时带在身边，只需打印出此控制图，各专业涉及的预留、预埋工作便可同时得到控制。如果个别专业的预留、预埋较多，也可按专业单独制作预留、预埋控制图，灵活应用。

（摘自：《建筑工人》）

On Glass Curtain Wall Safe Hidden Trouble Generating Mechanism and Coping Measures

This paper first reveals that the reasons causing the safe hidden troubles in toughened glass and complete facilities during the performing process.Then the author proposes some major technical measures to control the safe hidden troubles.Research results is of referential values for preventing and controlling the explosive wounding incidents concerning toughened glass.

toughened glass;explosive phenomenon;cause analysis;prevention and control measure

TQ171.72

A

1671-9107（2011）08-0012-04

注：本文主要内容来源为重庆市建委2009年建设科研课题项目“城科字2009第（88）号，已于2010年通过结题验收。”

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.08.012

2011-06-14

彭国容（1977－），女，重庆人，本科，高级工程师，主要从事建筑材料试验研究工作。