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(qiáng)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(diǎn)，如鋼化玻璃的強(qiáng)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(dāng)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(diǎn)，如自爆。嚴(yán)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(diǎn)之一，但鋼化玻璃自爆原本應(yīng)當(dāng)是罕見事件，至少應(yīng)當(dāng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)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(diǎn)。由硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆其爆裂點(diǎn)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(diǎn)中部有一個有色顆粒，被認(rèn)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(diǎn)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。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(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)《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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