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玻璃幕墻存在的癌癥—鋼化玻璃破碎原因分析與警醒

時間:2015-03-17 15:26:18 點擊:2598次 作者:yodea

    建設部幕墻門窗標準化技術委員會專家組長 龍文志 
    摘 要:分析了玻璃幕墻原因,提出了一些防止玻璃幕墻鋼化玻璃破碎的措施,建議玻璃幕墻采用防飛濺玻璃。 
    關鍵詞:玻璃幕墻癌癥,鋼化玻璃破碎,破碎機理及影響因素,硫化鎳,蝴蝶斑,防飛濺玻璃。 


一 前言: 

    1 2005年1月25日召開的北京市十二屆人大三次會議和市政協十屆三次會議也有代表提案,如吳樂山研究員的《加強玻璃幕墻建筑立法》。2005年3月2日全國政協十屆三次會議上,劉秀晨、田麥久委員聯合提出了《關于盡快開展全國玻璃幕墻安全檢查的建議》的提案。 
玻璃幕墻涉及人身安全和社會穩定,為此,特提出以下三點建議: 
    (1) 由建設部牽頭,進行全國玻璃幕墻普查工作。 
    (2) 具體措施可參照上海、合肥等地的作法。具體工作可由中國建筑裝飾協會負責實施。 
    (3) 對普查發現的玻璃幕墻問題,按法規進行相應的整改。 
    2 為落實人大代表及政協委員的提案,2005年5月27日,建設部以建質技函[2005]號文委托中國建筑裝飾協會對全國10個城市既有幕墻安全狀況進行抽樣調查,中國建筑裝飾協會認真組織落實建設部指示,組成了10個專家組分赴各城市進行調查,在各城市有關部門的大力支持和配合下歷時兩個多月對北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門、溫州十個城市進行了既有幕墻安全狀況調查,調查樣本的選取是在10個城市自檢自查基礎上,由城市建設行政主管部門推薦提供的120項既有建筑幕墻項目中,抽取了96個作為本次調查的樣本工程,專家們對樣本工程在組織問卷調查基礎上,進行了實地目視調查。2006年2月中裝協正式向建設部呈交了調查報告,目前中裝協正在向建設部質量安全監督與行業發展司草擬《既有建筑幕墻安全維護管理辦法》的建議稿。 
從以上可看出建設部、中裝協正以對人民生命財產安全高度責任心和緊廹感,為落實人大代表及政協委員的提案,對既有建筑幕墻安全調查、維護及管理抓得很緊,措施得力。 
    3 調查中發現幕墻玻璃、石材板塊碎裂、脫落;幕墻玻璃破損437塊,其中可以肯定為鋼化玻璃破碎原因的47塊。全玻幕墻此次調查有17項,其中10項發現大玻璃碎裂,共計68塊,玻璃肋斷裂3塊。為了從技術這一側面配合建設部、中裝協的管理措施,根據調查結果和所了解的既有建筑幕墻安全事故案例,擬比較系統地分析既有建筑幕墻安全事例原因及技術防范措施。準備分玻璃幕墻、石材幕墻、點支承玻璃幕墻及其它幕墻四個部份,逐步陸續發表,以供參考。本文是玻璃幕墻鋼化玻璃破碎原因的探討。 


二 玻璃幕墻的玻璃破裂原因分類: 
    1 鋼化玻璃破碎 
    2 玻璃熱炸裂: 
    3 風壓過大破裂: 
    4 安裝致玻璃破裂: 
    5 擠壓破裂: 
    6 其它: 
    根據不完全了解和新聞媒體報導,全國各地玻璃幕墻節及采光頂不明原因的破碎事例每年也都不少,有一些產生了法律糾紛,僅舉一例: 天津市商廈玻璃幕墻突然爆裂,一名顧客左手被嚴重砸傷。天津市和平區人民法院經審理認為,當時商廈所隸屬的企業法人及建筑物產權單位對該建筑的附屬物失修有責,判決兩企業連帶賠償傷者。

    26歲的李老師擅長演奏吉他,執教于一家音樂學校。2003年8月,李老師與好友一同前往一家百貨商廈購物。當他們走到商廈門口時,商廈五樓的一塊大約2平方米的玻璃,突然爆裂并疾速掉落。李老師左手被落下的玻璃砸傷。意外災禍使李老師共支付醫療費、誤工費、鑒定費等共計5600余元。雖經長時間治療,但拇指功能仍未完全恢復,現已不能正常彈奏吉他。經鑒定,其左手被砸傷處愈合后功能稍有異常,但未構成傷殘。為獲取賠償,他把商廈建筑物的產權單位某投資公司共四家企業一并告上了法庭。

    法院判決:經營者和產權單位連帶賠償:法院經審理認為,在百貨商廈經營期間,發生了樓外墻玻璃墜落問題,造成原告左手受傷,并產生相應經濟損失。對此,被告某百貨公司應承擔相應賠償責任。被告投資公司作為建筑物的所有人,對該商廈這一建筑物給他人造成的損失,應承擔連帶賠償責任。經鑒定原告左手因傷確有功能異常情況,考慮其職業因素,工作確會受到影響,因此應得到適當的經濟補償。據此,法院一審判決被告百貨銷售公司與被告投資公司連帶賠償原告醫療費、誤工費、交通費等共計5600余元,并連帶補償原告1000元。 
    因此探討鋼化玻璃破碎的原因,采取防范措施十分迫切。本文僅探討玻璃幕墻鋼化玻璃破碎的原因,玻璃幕墻的玻璃破裂其它原因將后文探討。 


三 鋼化玻璃破碎的原因探討 
    1 能夠導致鋼化玻璃炸裂的外部原因包括負載、碰撞、焊滴、不適當的間隙和邊部損害都可以導致強化玻璃破損,盡管因為鋼化玻璃的應力高,破損的危險低。帶有干凈切割邊部的鋼化玻璃在正常環境條件下,不會發生熱應力破損,因為他們要求玻璃中心和邊部的溫度差達到90℃-150℃,而導致鋼化玻璃破損的內在因素包括鋼化玻璃邊部缺陷等應力集中區域、鋼化玻璃內部應力過大和鋼化玻璃內部存在硫化鎳雜質。前兩種因素是由于鋼化玻璃加工過程中工藝致的,硫化鎳的因素在原片玻璃制作過程產生。 
    澳大利亞研究人員對8幢建筑幕墻進行了長達12年的跟蹤研究[1]。在共計17760塊鋼化玻璃,共發生306例破碎,破碎率為1.72%。 
廣義破碎一般定義為鋼化玻璃在無直接外力作用下發生自動炸裂的現象。實際上,鋼化加工過程中的自動爆裂與貯存、運輸、使用過程中的破碎是二個完全不同的概念,二者不可混淆。前者一般由玻璃中的砂粒、氣泡等夾雜物及人為造成的缺口、刮傷、爆邊等工藝缺陷引起的。后者則主要由玻璃中硫化鎳(NiS)相變引起的體積膨脹所導致[2]。只有后者才會引起嚴重的質量問題及社會關注,所以一般提到的破碎均指后一種情況。 
    福斯特事務所設計的倫敦市政廳從地板到天花板高度的玻璃破裂。這座市政廳靠近倫敦塔橋,全部用玻璃做覆面,承包商不得不著手檢查所有的內部玻璃。 “玻璃破碎”的問題已經在很多建筑上出現,例如格林姆肖事務所設計的普利茅斯《西部早報》大樓。 
    2 “玻璃癌癥” 
    (1)中常遇到鋼化玻璃破碎的問題,原因不清,責任不明。 
    (2)鋼化玻璃的破碎時間沒有確定性,可能是剛出爐,也可能是出廠后1-2月,也有出廠1-2年才破碎的,引起鋼化玻璃較多破碎的時間可能是產品生產完成后的4-5年。 
    (3) 據不完全了解,大部份廠家產品的概率是千分之三左、石的破碎率;個別廠家產品的概率可能還要高。 
    (4) 鋼化玻璃破碎的根本原因是因為玻璃中含有硫化鎳雜質,雜質是如何混入的現還未根本查清,玻璃中是如何混入鎳的,最大可能的來源是設備上使用的各種含鎳合金部件及窯爐上使用的各種耐熱合金。對于燒油的熔窯,曾報道在小爐中發現富鎳的凝結物。硫毫無疑問來源于配合料中及燃料中的含硫成份。當溫度超過1000oC時,硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中,這些小液滴的固化溫度為797oC。1克硫化鎳就能生成約1000個直徑為0.15mm的小結石。硫化鎳可以在生產完成后任何時候發生,故現在還不能完全杜絕,至今無有效地防止辦法稱為“玻璃癌癥”。 


四 破碎機理及影響因素 
1 硫化鎳(NiS) 
    玻璃內部可能包含硫化鎳雜質,以小水晶狀態存在,在一般情況下,不會造成玻璃破損,但是由于鋼化玻璃重新加熱,改變了硫化鎳雜質的相態,硫化鎳的高溫α態在玻璃急冷時被凍結,他們在恢復到β態可能需要幾年的時間,由于低溫β態的硫化鎳雜質將產生體積增大,在玻璃內部產生局部的應力集中,這時鋼化玻璃破碎將發生。然而,僅僅比較大的雜質將引起破碎,而且僅僅當雜質在拉應力的核心部位時才能發生鋼化玻璃破碎。NiS是一種晶體,存在二種晶相:高溫相α-NiS和低溫相β-NiS,相變溫度為379oC.玻璃在鋼化爐內加熱時,因加熱溫度遠高于相變溫度,NiS全部轉變為α相。然而在隨后的淬冷過程中,α-NiS來不及轉變為β-NiS,從而被凍結在鋼化玻璃中。在室溫環境下,α-NiS是不穩定的,有逐漸轉變為β-NiS的趨勢。這種轉變伴隨著約2~4%的體積膨脹,使玻璃承受巨大的相變張應力,從而導致破碎。典型的NiS引起的破碎碎片見圖1。圖2是從破碎后玻璃碎片中提取的NiS結石的掃描電鏡照片,其表面起伏不平、非常粗糙。   
圖2 NiS結石掃描電鏡照片,粗糙的表面是硫化鎳結石的一個主要特征 
2 如何鑒別鋼化玻璃的破碎

    首先看起爆點(鋼化玻璃裂紋呈放射狀,均有起始點)是否在玻璃中間,如在玻璃邊緣,一般是因為玻璃未經過倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷,造成應力集中,裂紋逐漸發展造成的;如起爆點在玻璃中部,看起爆點是否有兩小塊多邊形組成的類似兩片蝴蝶翅膀似的圖案(蝴蝶斑),如有仔細觀察兩小塊多邊形公用邊(蝴蝶的軀干部分)應有肉眼可見的黑色小顆粒(硫化鎳結石),則可判斷是破碎的;否則就應是外力破壞的。玻璃破碎典型特征是蝴蝶斑,圖片如下。 
    玻璃碎片呈放射狀分布,放射中心有二塊形似蝴蝶翅膀的玻璃塊,俗稱“蝴蝶斑”。NiS結石位于二塊“蝴蝶斑”的界面上。 
圖1. 破碎碎片形態圖 
3 引起破碎的硫化鎳直徑: 
    Bordeaux和Kasper通過對250例破碎的研究[3],發現引起破碎的硫化鎳直徑在0.04—0.65mm之間,平均粒徑為0.2mm(圖3)。硫化鎳在玻璃中一般位于張應力區,大部分集中在板芯部位的高張應力區(圖4)。處在壓應力區的NiS,一般不會導致破碎。


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