
1.钢化玻璃自爆机理
钢化玻璃内部的硫化镍膨胀是导致钢化玻璃自爆的主要原因。玻璃经钢化处理后,表面层形成压应力。内部板芯层呈张应力,压应力和张应力共同构成一个平衡体。
玻璃本身是一种脆性材料,耐压但不耐拉,所以玻璃的大部分破碎是张应力引发的。钢化玻璃中硫化镍晶体发生相变时,其体积膨胀,处于玻璃板芯张应力层的硫化镍膨胀使钢化玻璃内部产生更大的张应力,当张应力超过玻璃自身所能承受的极限时,就会导致钢化玻璃自爆。
国外研究证明:玻璃主料石英砂或砂岩带入镍,燃料及辅料带入硫,在1400℃~1500℃高温熔窑燃烧熔化形成硫化镍。
当温度超过1000℃时,硫化镍以液滴形式随机分布于熔融玻璃液中。当温度降至797℃时,这些小液滴结晶固化,硫化镍处于高温态的α-NiS晶相(六方晶体)。当温度继续降至379℃时,发生晶相转变成为低温状态的β-NiS(三方晶系),同时伴随着2.38%的体积膨胀。这个转变过程的快慢,既取决于硫化镍颗粒中不同组成物(包括Ni7S6、NiS、NiS1.01)的百分比含量,还取决于其周围温度的高低。
如果硫化镍相变没有转换完全,则即使在自然存放及正常使用的温度条件下,这一过程仍然继续,只是速度很低而已。
当玻璃钢化加热时,玻璃内部板芯温度约620℃,所有的硫化镍都处于高温态的α-NiS相。随后,玻璃进入风栅急冷,玻璃中的硫化镍在379℃发生相变。与浮法退火窑不同的是,钢化急冷时间很短,来不及转变成低温态β-NiS而以高温态硫化镍α相被“冻结”在玻璃中。快速急冷使玻璃得以钢化,形成外压内张的应力统一平衡体。
在已经钢化了的玻璃中硫化镍相变低速持续地进行着,体积不断膨胀扩张,对其周围玻璃的作用力随之增大。钢化玻璃板芯本身就是张应力层,位于张应力层内的硫化镍发生相变时体积膨胀也形成张应力,这两种张应力叠加在一起,足以引发钢化玻璃的破裂即自爆。

2.自爆按起因不同可分为两种:
一是由玻璃中可见缺陷引起的自爆,例如结石、砂粒、气泡、夹杂物、缺口、划伤、爆边等;
二是由玻璃中硫化镍(NIS)杂质和异质相颗粒引起钢化玻璃自爆。
BALLANTYNE于1961年首次提出钢化玻璃自爆的硫化镍机制。BORDEAUX和KASPERr通过250例自爆的研究,发现引起自爆的硫化镍直径在0.04~0.65mm之间,平均粒径为0.2mm。新发现异质相颗粒引起钢化玻璃自爆。
这是两种不同类型的自爆,应明确分类,区别对待,采用不同方法来应对和处理。前者一般目视可见,检测相对容易,故生产中可控。后者则主要由玻璃中微小的硫化镍颗粒体积膨胀引发,无法目测检验,故不可控。在实际运作和处理上,前者一般可以在安装前剔除,后者因无法检验而继续存在,成为使用中的钢化玻璃自爆的主要因素。

3.不可控钢化玻璃自爆的特点
钢化玻璃原因不清自爆的问题,责任难明。自爆时间没有确定性,可能是刚出炉,也可能是出厂后1~2月,也有出厂1~2年才自爆的,引起钢化玻璃较多自爆的时间可能是产品生产完成后的4~5年。
据不完全了解,大部份厂家产品的概率是3‰左右的;个别厂家产品的概率可能还会更高。钢化玻璃自爆的根本原因是因为玻璃中含有硫化镍及异质相颗粒杂质,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1000℃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797℃。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“玻璃幕墙的癌症”。
“玻璃幕墙的癌症”出自著名建筑师福斯特之口:那年,由斯特事务所设计的伦敦市政厅几块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。大伦敦市议会发言人说,根据初步调查,问题出在玻璃含有镍硫化物上,也就是说,在建造过程中玻璃被镍元素污染,镍和玻璃中的硫化物进行化学反应,造成破裂。硫化镍类自爆后更换难度大,处理费用高,同时会伴随较大的质量投诉及经济损失,造成业主的不满甚至更为严重的其他后果。称之为“玻璃幕墙的癌症”。
4、钢化玻璃自爆率及自爆原因
自爆率|国内的自爆率各生产厂家并不一致,从3%~0.3%不等。一般自爆率是按片数为单位计算的,没有考虑单片玻璃的面积大小和玻璃厚度,所以不够准确,也无法进行更科学的相互比较。为统一测算自爆率,必须确定统一的假设。定出统一的条件:每5~8吨玻璃含有一个足以引发自爆的硫化镍;每片钢化玻璃的面积平均为1.8平方硫化镍均匀分布。则计算出6mm厚的钢化玻璃计算自爆率为0.64%~0.54%,即6mm钢化玻璃的自爆率约为3‰~5‰。这与国内高水平加工企业的实际值基本吻合。
即使完全按标准生产,也不能彻底避免钢化玻璃自爆。大型建筑物轻易就会用上几百吨玻璃,这意味着玻璃中硫化镍和异质相杂质存在的几率很大,所以钢化玻璃虽经热浸处理,自爆依然不可避免。
5、如何鉴别钢化玻璃的自爆
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。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。
径向应力r≥a 切向应力r≥a 颗粒与玻璃之间界面的应力对于异质颗粒在玻璃基体中,降温过程温差是负的,所以颗粒周边的径向应力是压力,切向应力是拉力。
玻璃中间层球形单质硅颗粒的扫描电镜图像和边缘挤压形貌,颗粒周边的径向应力是压力,切向应力是拉力,所以切向应力是裂纹启始的根源。
结论:
1、国内玻璃幕墙造成危害主要来源是钢化玻璃自爆。
2、钢化玻璃自爆的来源不仅是传统认识中的NiS微粒,还有许多其它异质相颗粒。
3、玻璃中的裂纹萌发和扩展主要是由于在颗粒附近处产生的切向拉应力。
4、钢化玻璃自爆不可控,事前无任何征兆。称为“玻璃幕墙的癌症”。
5、幕墙及门窗应采用防飞散玻璃,推荐采用半钢化玻璃。