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摘要：本文總結(jié)了建筑玻璃力學(xué)性能、破壞形式和鋼化玻璃自曝機(jī)理和降低鋼化玻璃自曝方法，對建筑玻璃的設(shè)計應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：建筑玻璃 力學(xué)性能 破壞形式 鋼化玻璃自曝
1前言
建筑玻璃是典型的脆性材料，對其力學(xué)性能的深入理解對正確的設(shè)計與施工非常重要。本文對建筑玻璃的力學(xué)性能進(jìn)行綜述，以其對建筑玻璃的應(yīng)用起到有益的作用。
2 力學(xué)特性
2.1彈性（詞條“彈性”由行業(yè)大百科提供）
建筑玻璃是完全的彈性體，目前在全世界范圍內(nèi)尚未檢測到其任何可見的塑性（詞條“塑性”由行業(yè)大百科提供）變形。因此建筑玻璃設(shè)計施工時，其周邊應(yīng)采用軟性材料與其接觸，如膠條或密封膠，不得使其與金屬材料（詞條“金屬材料”由行業(yè)大百科提供）如鋁型材或鋼型材直接接觸。
2.2 脆性
建筑玻璃表面存在大量微裂紋，其脆性極大，其斷裂韌性（詞條“韌性”由行業(yè)大百科提供）極差，表現(xiàn)為破壞時突然斷裂。因此，一般情況下，建筑玻璃不可作為工程結(jié)構(gòu)材料（詞條“結(jié)構(gòu)材料”由行業(yè)大百科提供）使用。
2.3 強(qiáng)度離散性
由于建筑玻璃表面存在大量微裂紋，其強(qiáng)度與裂紋尺寸密切相關(guān)，而裂紋尺寸與數(shù)量隨機(jī)存在，使得建筑玻璃強(qiáng)度離散性較大。設(shè)計使用時，應(yīng)考慮較大的安全系數(shù)。一般情況下，應(yīng)采用失效概率不大于0.1%時的安全系數(shù)。
2.4 強(qiáng)度取值
建筑玻璃的破壞與其表面裂紋的擴(kuò)展密切相關(guān)，破壞時的起始裂紋位置、裂紋走向和作用力方向決定了強(qiáng)度的大小。建筑玻璃強(qiáng)度分為大面強(qiáng)度、邊緣強(qiáng)度和端面強(qiáng)度，設(shè)計時應(yīng)注意區(qū)分。
3 破壞形式
3.1 彎曲破壞
建筑玻璃在風(fēng)荷載等外力作用下，表現(xiàn)為薄板的彎曲破壞，通常所說的鋼化玻璃設(shè)計許用強(qiáng)度84MPa即是指彎曲強(qiáng)度。建筑玻璃不存在壓縮強(qiáng)度（詞條“壓縮強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）、剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，因此設(shè)計時，計算建筑玻璃的壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力和拉伸（詞條“拉伸”由行業(yè)大百科提供）應(yīng)力是沒有意義的。
3.2 沖擊破壞
在人體或物體的沖擊作用下，建筑玻璃很容易破壞，即玻璃的抗沖擊強(qiáng)度較低，因此改善其抗沖擊強(qiáng)度是建筑玻璃生產(chǎn)時應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。
3.3 熱炸裂
在溫差應(yīng)力作用下，建筑玻璃極易發(fā)生熱炸裂。由于玻璃熱炸裂的起始裂紋始于玻璃板邊部，因此其邊部精加工對改善玻璃抗熱炸裂能力作用明顯，同時對玻璃進(jìn)行熱處理也將明顯改善其抗熱炸裂能力。
4 鋼化玻璃自爆
建筑玻璃的彎曲強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度較低，且極易發(fā)生熱炸裂，限制了其應(yīng)用，對其進(jìn)行熱處理，即鋼化處理，可提高玻璃彎曲強(qiáng)度2—3倍，提高抗沖擊強(qiáng)度3—4倍，不存在單獨(dú)熱炸裂問題。鋼化玻璃的優(yōu)異性能極大地拓展了建筑玻璃的應(yīng)用。但是鋼化玻璃也有明顯的缺陷，即鋼化玻璃自爆。只有詳盡地了解了鋼化玻璃自爆的機(jī)理，才能正確的設(shè)計使用。
鋼化玻璃自爆的原因很多，最主要原因是
硫化鎳（詞條“硫化鎳”由行業(yè)大百科提供）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
相向
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
相向
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(shí)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?yàn)榱蚧嚵Ｗ酉嘧儼殡S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，爆裂前體積小，不易被看見;自爆后其體積增大，地點(diǎn)確定，很容易被看見，這也是鋼化玻璃自爆不易預(yù)見的原因之一。鋼化玻璃自爆裂紋見圖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。
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。
我國標(biāo)準(zhǔn)要求其表面應(yīng)力不應(yīng)小于90MPa，美國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鋼化玻璃的表面壓應(yīng)力為大于69MPa，可否將我國鋼化玻璃表面壓應(yīng)力降低到與美國標(biāo)準(zhǔn)一致或接近非常值得研究。如果可行，將極大地降低鋼化玻璃的自爆率。降低表面壓應(yīng)力值限值可能會造成鋼化玻璃碎片偏大，不過即使鋼化玻璃表面壓應(yīng)力很高，碎片很小，也無法保證碎片都以分裂狀態(tài)存在，許多情況下碎片表現(xiàn)為裂而不碎，形成“鋼化玻璃被”，其結(jié)果與大一點(diǎn)的碎片區(qū)別不大，甚至其危害性更大，因此可以考慮降低鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值。況且我國半鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其表面壓應(yīng)力值限值為不大于60MPa，鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其表面壓應(yīng)力值限值為不小于90MPa，如果玻璃表面壓應(yīng)力處于60—90MPa之間，既不屬于半鋼化玻璃，也不屬于鋼化玻璃，屬于不合格品。從這個角度來說，也應(yīng)將鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值降低，如果將半鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值與鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值連接有困難，至少可將鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值限值降低，縮小兩者的差距。
玻璃表面和邊部在加工、運(yùn)輸、貯存和施工過程，可能造成有劃痕、炸口和爆邊等缺陷，易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。玻璃表面本來就存在大量的微裂紋，這也是玻璃力學(xué)行為服從斷裂力學(xué)的根本原因。這些微裂紋在一定的條件下會擴(kuò)展，如水蒸氣的作用、荷載的作用等，都可能加速微裂紋的擴(kuò)展。通常情況下微裂紋的擴(kuò)展速度是極其緩慢的，表現(xiàn)為玻璃的強(qiáng)度是一恒定值。但是玻璃表面的微裂紋有一臨界值，當(dāng)微裂紋尺寸接近或達(dá)到臨界值時，裂紋快速擴(kuò)張，導(dǎo)致玻璃破裂。如果玻璃表面和邊部存在接近臨界尺寸的微裂紋，如玻璃表面和邊部在加工、運(yùn)輸、貯存和施工過程造成的劃痕、炸口、爆邊等缺陷尺寸就較大，玻璃可能在極小的荷載作用下就導(dǎo)致玻璃表面或邊部微裂紋快速擴(kuò)張，最終導(dǎo)致玻璃破裂。
為此應(yīng)提高鋼化玻璃邊部加工質(zhì)量，明確邊部加工要求，如兩邊完全磨邊或三邊不完全磨邊，避免玻璃邊部和表面劃傷和磕碰。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，鋼化玻璃邊部鋼化程度較低，因此應(yīng)對鋼化玻璃邊部重點(diǎn)保護(hù)。對于點(diǎn)支式幕墻玻璃，如果對玻璃打孔，孔邊一定要精磨，最好達(dá)到拋光的程度，因?yàn)椴ＡЭ走吺菓?yīng)力集中部位。
鋼化玻璃在生產(chǎn)過程中需要對玻璃進(jìn)行加熱和冷卻（詞條“冷卻”由行業(yè)大百科提供），玻璃在加熱或冷卻時沿玻璃板面方向不均勻和沿厚度方向的不對稱，將導(dǎo)致鋼化玻璃沿板面方向應(yīng)力不均勻和沿厚度方向應(yīng)力分布不對稱，這些都有可能造成鋼化玻璃自爆。鋼化玻璃沿板面方向應(yīng)力不均勻，可以造成玻璃局部處于張應(yīng)力，如果這種張應(yīng)力過大，超過玻璃的斷裂強(qiáng)度，玻璃就會爆裂。玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布應(yīng)當(dāng)是對稱的，即上下兩表面處于壓應(yīng)力，中間處于張應(yīng)力，上下表面的壓應(yīng)力大小、應(yīng)力層厚度和變化完全是對稱的，玻璃板承受正負(fù)風(fēng)壓的能力是相同的。如果玻璃板沿厚度方向應(yīng)力分布不對稱，玻璃板承受正負(fù)風(fēng)壓的能力就不相同，一側(cè)承受荷載的能力較強(qiáng)，另一側(cè)較小，即玻璃可能在較小荷載作用下破損，嚴(yán)重時，玻璃板在無荷載作用下產(chǎn)生變形，造成幕墻玻璃影像畸變。
為此應(yīng)提高鋼化玻璃表面應(yīng)力均勻度和沿厚度方向的對稱度。特別對于low-e玻璃的鋼化更要關(guān)注其鋼化玻璃應(yīng)力沿厚度方向的對稱度，因?yàn)閘ow-e玻璃上下表面對熱輻射吸收的差異將會造成low-e玻璃在加熱時玻璃板沿厚度方向溫度的差異，而這種差異最終將會導(dǎo)致鋼化玻璃應(yīng)力沿厚度方向的不對稱，目前在玻璃鋼化過程中采用強(qiáng)制對流的方法來消除這種不利因素。
鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力不均勻，存在較大應(yīng)力梯度，會造成自爆，表現(xiàn)為碎片顆粒大小不一且差距較大。表面壓應(yīng)力有五個測點(diǎn)，取平均值。應(yīng)增加五個測點(diǎn)最大值和最小值之間的差值限值，用以表征鋼化玻璃表面壓應(yīng)力均勻性（詞條“均勻性”由行業(yè)大百科提供）。
減小鋼化玻璃板面尺寸，可降低鋼化玻璃自爆率。目前我國在應(yīng)用建筑玻璃方面呈現(xiàn)板面越來越大的趨勢，鋼化玻璃尺寸越大，玻璃板越厚，自爆概率越大。在一塊鋼化玻璃板中，只要有一個自爆點(diǎn)，并最終導(dǎo)致鋼化玻璃自爆，無論鋼化玻璃板塊大小，整個鋼化玻璃板都破碎。玻璃板塊越大，含有雜質(zhì)、硫化鎳粒子、邊部加工缺陷、表面劃傷、應(yīng)力的不均勻等等導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的不利因素就隨之增加。在同樣荷載作用下，玻璃板塊越大，玻璃板就得越厚，含有雜質(zhì)、硫化鎳粒子、邊部加工缺陷、表面劃傷、應(yīng)力的不均勻等等導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的不利因素也會增加，鋼化玻璃自爆概率就會加大。因此應(yīng)依據(jù)平板玻璃厚度、質(zhì)量等級對鋼化玻璃板面尺寸做出限制。
5 結(jié)束語
《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》JG/T455和《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113對鋼化玻璃的生產(chǎn)和建筑玻璃的應(yīng)用均做出明確的規(guī)定，本文對建筑玻璃的力學(xué)性能進(jìn)行綜合評述，對理解上述標(biāo)準(zhǔn)提供部分補(bǔ)充說明。
作者單位：北京中新方建筑科技研究中心
