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玻璃幕墙存在的癌症—钢化玻璃破碎原因分析与警醒

    建设部幕墙门窗标准化技术委员会专家组长 龙文志 
    摘 要：分析了玻璃幕墙原因，提出了一些防止玻璃幕墙钢化玻璃破碎的措施，建议玻璃幕墙采用防飞溅玻璃。 
    关键词：玻璃幕墙癌症，钢化玻璃破碎，破碎机理及影响因素，硫化镍，蝴蝶斑，防飞溅玻璃。 

一 前言： 
    1 2005年1月25日召开的北京市十二届人大三次会议和市政协十届三次会议也有代表提案，如吴乐山研究员的《加强玻璃幕墙建筑立法》。2005年3月2日全国政协十届三次会议上，刘秀晨、田麦久委员联合提出了《关于尽快开展全国玻璃幕墙安全检查的建议》的提案。 
玻璃幕墙涉及人身安全和社会稳定，为此，特提出以下三点建议： 
    (1) 由建设部牵头，进行全国玻璃幕墙普查工作。 
    (2) 具体措施可参照上海、合肥等地的作法。具体工作可由中国建筑装饰协会负责实施。 
    (3) 对普查发现的玻璃幕墙问题，按法规进行相应的整改。 
    2 为落实人大代表及政协委员的提案，2005年5月27日，建设部以建质技函[2005]号文委托中国建筑装饰协会对全国10个城市既有幕墙安全状况进行抽样调查，中国建筑装饰协会认真组织落实建设部指示，组成了10个专家组分赴各城市进行调查，在各城市有关部门的大力支持和配合下历时两个多月对北京、上海、天津、重庆、西安、武汉、深圳、哈尔滨、厦门、温州十个城市进行了既有幕墙安全状况调查，调查样本的选取是在10个城市自检自查基础上，由城市建设行政主管部门推荐提供的120项既有建筑幕墙项目中，抽取了96个作为本次调查的样本工程，专家们对样本工程在组织问卷调查基础上，进行了实地目视调查。2006年2月中装协正式向建设部呈交了调查报告，目前中装协正在向建设部质量安全监督与行业发展司草拟《既有建筑幕墙安全维护管理办法》的建议稿。 
从以上可看出建设部、中装协正以对人民生命财产安全高度责任心和紧廹感，为落实人大代表及政协委员的提案，对既有建筑幕墙安全调查、维护及管理抓得很紧，措施得力。 
    3 调查中发现幕墙玻璃、石材板块碎裂、脱落；幕墙玻璃破损437块，其中可以肯定为钢化玻璃破碎原因的47块。全玻幕墙此次调查有17项，其中10项发现大玻璃碎裂，共计68块，玻璃肋断裂3块。为了从技术这一侧面配合建设部、中装协的管理措施，根据调查结果和所了解的既有建筑幕墙安全事故案例，拟比较系统地分析既有建筑幕墙安全事例原因及技术防范措施。准备分玻璃幕墙、石材幕墙、点支承玻璃幕墙及其它幕墙四个部份，逐步陆续发表，以供参考。本文是玻璃幕墙钢化玻璃破碎原因的探讨。 

二 玻璃幕墙的玻璃破裂原因分类： 
    1 钢化玻璃破碎 
    2 玻璃热炸裂： 
    3 风压过大破裂： 
    4 安装致玻璃破裂： 
    5 挤压破裂： 
    6 其它： 
    根据不完全了解和新闻媒体报导，全国各地玻璃幕墙节及采光顶不明原因的破碎事例每年也都不少，有一些产生了法律纠纷，仅举一例： 天津市商厦玻璃幕墙突然爆裂，一名顾客左手被严重砸伤。天津市和平区人民法院经审理认为，当时商厦所隶属的企业法人及建筑物产权单位对该建筑的附属物失修有责，判决两企业连带赔偿伤者。

    26岁的李老师擅长演奏吉他，执教于一家音乐学校。2003年8月，李老师与好友一同前往一家百货商厦购物。当他们走到商厦门口时，商厦五楼的一块大约2平方米的玻璃，突然爆裂并疾速掉落。李老师左手被落下的玻璃砸伤。意外灾祸使李老师共支付医疗费、误工费、鉴定费等共计5600余元。虽经长时间治疗，但拇指功能仍未完全恢复，现已不能正常弹奏吉他。经鉴定，其左手被砸伤处愈合后功能稍有异常，但未构成伤残。为获取赔偿，他把商厦建筑物的产权单位某投资公司共四家企业一并告上了法庭。

    法院判决：经营者和产权单位连带赔偿：法院经审理认为，在百货商厦经营期间，发生了楼外墙玻璃坠落问题，造成原告左手受伤，并产生相应经济损失。对此，被告某百货公司应承担相应赔偿责任。被告投资公司作为建筑物的所有人，对该商厦这一建筑物给他人造成的损失，应承担连带赔偿责任。经鉴定原告左手因伤确有功能异常情况，考虑其职业因素，工作确会受到影响，因此应得到适当的经济补偿。据此，法院一审判决被告百货销售公司与被告投资公司连带赔偿原告医疗费、误工费、交通费等共计5600余元，并连带补偿原告1000元。 
    因此探讨钢化玻璃破碎的原因，采取防范措施十分迫切。本文仅探讨玻璃幕墙钢化玻璃破碎的原因，玻璃幕墙的玻璃破裂其它原因将后文探讨。 

三 钢化玻璃破碎的原因探讨 
    1 能够导致钢化玻璃炸裂的外部原因包括负载、碰撞、焊滴、不适当的间隙和边部损害都可以导致强化玻璃破损，尽管因为钢化玻璃的应力高，破损的危险低。带有干净切割边部的钢化玻璃在正常环境条件下，不会发生热应力破损，因为他们要求玻璃中心和边部的温度差达到90℃-150℃，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致的，硫化镍的因素在原片玻璃制作过程产生。 
    澳大利亚研究人员对8幢建筑幕墙进行了长达12年的跟踪研究[1]。在共计17760块钢化玻璃，共发生306例破碎，破碎率为1.72%。 
广义破碎一般定义为钢化玻璃在无直接外力作用下发生自动炸裂的现象。实际上，钢化加工过程中的自动爆裂与贮存、运输、使用过程中的破碎是二个完全不同的概念，二者不可混淆。前者一般由玻璃中的砂粒、气泡等夹杂物及人为造成的缺口、刮伤、爆边等工艺缺陷引起的。后者则主要由玻璃中硫化镍(NiS)相变引起的体积膨胀所导致[2]。只有后者才会引起严重的质量问题及社会关注，所以一般提到的破碎均指后一种情况。 
    福斯特事务所设计的伦敦市政厅从地板到天花板高度的玻璃破裂。这座市政厅靠近伦敦塔桥，全部用玻璃做覆面，承包商不得不着手检查所有的内部玻璃。 “玻璃破碎”的问题已经在很多建筑上出现，例如格林姆肖事务所设计的普利茅斯《西部早报》大楼。 
    2 “玻璃癌症” 
    （1）中常遇到钢化玻璃破碎的问题，原因不清，责任不明。 
    （2）钢化玻璃的破碎时间没有确定性，可能是刚出炉，也可能是出厂后1-2月，也有出厂1-2年才破碎的，引起钢化玻璃较多破碎的时间可能是产品生产完成后的4-5年。 
    （3） 据不完全了解，大部份厂家产品的概率是千分之三左、石的破碎率；个别厂家产品的概率可能还要高。 
    （4） 钢化玻璃破碎的根本原因是因为玻璃中含有硫化镍杂质，杂质是如何混入的现还未根本查清，玻璃中是如何混入镍的，最大可能的来源是设备上使用的各种含镍合金部件及窑炉上使用的各种耐热合金。对于烧油的熔窑，曾报道在小炉中发现富镍的凝结物。硫毫无疑问来源于配合料中及燃料中的含硫成份。当温度超过1000oC时，硫化镍以液滴形式存在于熔融玻璃中，这些小液滴的固化温度为797oC。1克硫化镍就能生成约1000个直径为0.15mm的小结石。硫化镍可以在生产完成后任何时候发生，故现在还不能完全杜绝，至今无有效地防止办法称为“玻璃癌症”。 

四 破碎机理及影响因素 
1 硫化镍(NiS) 
    玻璃内部可能包含硫化镍杂质，以小水晶状态存在，在一般情况下，不会造成玻璃破损，但是由于钢化玻璃重新加热，改变了硫化镍杂质的相态，硫化镍的高温α态在玻璃急冷时被冻结，他们在恢复到β态可能需要几年的时间，由于低温β态的硫化镍杂质将产生体积增大，在玻璃内部产生局部的应力集中，这时钢化玻璃破碎将发生。然而，仅仅比较大的杂质将引起破碎，而且仅仅当杂质在拉应力的核心部位时才能发生钢化玻璃破碎。NiS是一种晶体，存在二种晶相:高温相α-NiS和低温相β-NiS，相变温度为379oC.玻璃在钢化炉内加热时，因加热温度远高于相变温度，NiS全部转变为α相。然而在随后的淬冷过程中，α-NiS来不及转变为β-NiS，从而被冻结在钢化玻璃中。在室温环境下，α-NiS是不稳定的，有逐渐转变为β-NiS的趋势。这种转变伴随着约2~4%的体积膨胀，使玻璃承受巨大的相变张应力，从而导致破碎。典型的NiS引起的破碎碎片见图1。图2是从破碎后玻璃碎片中提取的NiS结石的扫描电镜照片，其表面起伏不平、非常粗糙。　　 
图2 NiS结石扫描电镜照片，粗糙的表面是硫化镍结石的一个主要特征 
2 如何鉴别钢化玻璃的破碎

    首先看起爆点(钢化玻璃裂纹呈放射状，均有起始点)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)，则可判断是破碎的；否则就应是外力破坏的。玻璃破碎典型特征是蝴蝶斑，图片如下。 
    玻璃碎片呈放射状分布，放射中心有二块形似蝴蝶翅膀的玻璃块，俗称“蝴蝶斑”。NiS结石位于二块“蝴蝶斑”的界面上。 
图1. 破碎碎片形态图 
3 引起破碎的硫化镍直径： 
    Bordeaux和Kasper通过对250例破碎的研究[3]，发现引起破碎的硫化镍直径在0.04—0.65mm之间，平均粒径为0.2mm(图3)。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(图4)。处在压应力区的NiS，一般不会导致破碎。