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摘要：钢化玻璃应用广泛，但其自爆问题是一个被称为玻璃癌症的难题，其特征是突发性和灾难性，因此如何减少和预防预测玻璃自爆是钢化玻璃工程应用领域的关键问题。本文重点探讨了钢化玻璃的自爆机理，揭示了钢化玻璃为什么会自爆，什么条件下可能自爆和各种影响玻璃自爆的内在与外在因素。研究发现由于杂质和缺陷引起的应力集中是导致自爆的关键因素，证明钢化玻璃内部的残余应力和局部强度均是非线性分布，局部强度在玻璃表面最高，中间层最低，自爆的根本原因是内部的应力集中超过了局部强度，而传统认识的硫化镍或单质硅等各种杂质只是引起自爆的间接原因。提出的钢化玻璃自爆准则为玻璃破碎分析提供了有用的参考。
关键词：钢化玻璃；自爆风险；检测与预测技术；
前言
据不完全统计，我国每年生产钢化玻璃总量已突破4亿平方米，每年用于建筑上的玻璃近1亿平方米。作为节能玻璃产品，由钢化玻璃加工而成的中空玻璃和真空玻璃也被大量应用于我国的节能建筑门窗和幕墙上。然而，由于玻璃的典型脆性及玻璃生产工艺和产品质量等原因，近年来在应用过程中不断有玻璃结构或构件破裂失效造成人员伤亡及财产损失的事件。比如，应用于家具、淋浴房上的钢化玻璃在使用过程中经常发生突发自爆破裂事故；城市中的高层建筑玻璃幕墙和门窗发生自爆导致玻璃雨，带来了巨大的公共安全隐患。我国发生的钢化玻璃自爆造成的安全事故每年至少数千起，一旦事故出现，人们往往强调加强防护及安全性检测，但是对于如何检测等问题仍束手无策。鉴于钢化玻璃自爆的难易预测和造成的灾难的严重性，其自爆问题已成为国内外研究人员和政府关注的热点。
1钢化玻璃自爆分析
有两种情况钢化玻璃很快就可能自爆破坏：一种是杂质颗粒很大，周边应力集中较强；另一种是当玻璃处于超钢化条件下（钢化拉应力接近玻璃的本征强度）时，即使没有杂质缺陷也可能会发生自爆，这两种情况下的钢化玻璃一般寿命不长。对于没有钢化的普通玻璃，由于中间区域具有更高的残余强度，该颗粒尺寸不会引起玻璃破坏。当颗粒半径小于0.1mm时，所需膨胀压力随颗粒尺寸的减小而急剧上升，钢化玻璃自爆风险很小。这是因为这种情况颗粒表面所需要的正压力非常大。颗粒越小，自爆时所需要的界面压力越大，但是这还与各种影响因素有关。下面重点分析钢化玻璃自爆相关的影响因素，它包括钢化应力的大小、杂质颗粒尺寸的大小、颗粒所处在的位置和温度变化的大小。
1.1钢化应力的影响
钢化应力的影响实际上与杂质的位置有关，假设杂质处于中间拉应力层，对于普通玻璃，也有硫化镍小颗粒相变发生，但是不发生自爆，这说明没有钢化拉应力的作用，仅仅杂质小颗粒本身引起的局部应力集中不足以导致玻璃破裂。随着钢化应力增大，处于杂质位置的钢化力叠加杂质颗粒引起的局部应力大于本征强度就会发生自爆。因此，对于给定的杂质尺寸和位置，钢化应力越大越容易发生自爆。
1.2温度的影响
很多情况下颗粒表面受压是由于温度变化引起的，除了硫化镍相变引起颗粒受压之外，热应力引起的颗粒膨胀或玻璃收缩都可造成颗粒表面受压。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当杂质颗粒的膨胀系数大于玻璃的膨胀系数，升温过程产生界面压力；当颗粒的膨胀系数小于玻璃的膨胀系数，降温过程产生界面受压。值得注意的是，只有颗粒与玻璃的界面受压才可能导致玻璃局部拉应力，界面受拉时没有影响。温度变化（温差）引起的局部应力随温差大小呈线性变化，而颗粒尺寸与应力关系之间是三次方的非线性变化。另外，玻璃受外力后加剧缺陷周边的应力集中，因此外力也可以促使自爆；由于玻璃本身体积越大，含有缺陷的概率也越大，所以自爆风险亦越大。归根结底，钢化玻璃的自爆是由于拉应力层内的局部应力集中引起，而应力集中是由于杂质颗粒与玻璃之间的界面产生压力或微裂纹扩展所致，颗粒界面压力可由多种因素引起，如硫化镍颗粒相变或其他各种各样的杂质颗粒在变温过程中的热变形所致。因此，钢化玻璃自爆的直接原因只有一个，就是局部应力集中，间接原因有多种多样。应力集中程度受到上述多种因素影响，引起这种应力集中的缺陷或杂质也是多种多样的。
2钢化玻璃自爆风险检测与预测技术
国家标准《玻璃缺陷检测方法—光弹扫描法》（GB/T30020--2013），规范了钢化玻璃自爆风险检测的操作流程、检测设备及参数、图像处理与分析等。该方法不仅可以用于建筑幕墙的自爆风险检测和预测，也可以用于钢化玻璃生产质量的检测和幕墙玻璃安装之前的可靠性检测。“光弹扫描法”不但是检测钢化玻璃自爆的方法，并由此研制了钢化玻璃自爆风险现场检测仪。
结论
钢化玻璃的内应力是一个沿着厚度方向对称的光滑曲线分布，最大压应力在表面，最大拉应力在中间层位置，最大拉应力的绝对值大约为表面压应力绝对值的0.4倍，成比例关系。每一面的表面压应力层的厚度约为总厚度的20%，故中间拉应力层的厚度为总厚度的60%左右。钢化玻璃的内应力导致玻璃整体聚集大量应变能，当玻璃受拉区内的杂质或缺陷导致局部应力集中，使得局部应力超过局部强度，玻璃将发生自爆使得应变能释放。因此，自爆的直接原因只有一个，即局部的应力集中过大，但是引起应力集中的间接原因很多，如硫化镍、单质硅、裂纹等缺陷的存在以及外部因素的作用。钢化玻璃自爆受到多种影响因素：
1）钢化应力越大越容易自爆；
2）玻璃自爆概率与杂质颗粒半径尺寸的三次方成比例；
3）杂质距玻璃中性层越近越容易自爆；
4）温度变化（或玻璃受热不均匀）越大越容易自爆；
5）玻璃受力越大越容易自爆，所以天棚用玻璃比幕墙直立玻璃更容易发生自爆；
6）相同的玻璃，体积越大自爆概率越大。
结束语
钢化玻璃自爆给社会带来严重安全隐患，中国建材总院依托上述项目，开展了钢化玻璃自爆机理研究，提出了"光弹扫描法"检测钢化玻璃自爆的方法，并研制了钢化玻璃自爆风险现场检测仪，从而使得长期以来钢化玻璃自爆的检测和预警难题得以突破。
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论文作者:颜泽和
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/23
标签：自爆论文; 应力论文; 钢化玻璃论文; 玻璃论文; 颗粒论文; 杂质论文; 局部论文; 《基层建设》2018年第7期论文;