鋼化玻璃自爆原因及鑒別方法

每到夏季，不少城市近期經(jīng)常報(bào)道有高層建筑玻璃幕墻鋼化玻璃炸裂的事件發(fā)生。那么真的是像新聞中提到的玻璃被高溫?zé)颈▎帷私庖幌落摶Ａё员脑颉?/span>

其實(shí)從鋼化玻璃誕生開始，就伴隨著自爆問題。鋼化玻璃自爆可以表述為鋼化玻璃在無外部直接作用的情況下而自動(dòng)發(fā)生破碎的現(xiàn)象。在鋼化加工、貯存、運(yùn)輸、安裝、使用等過程中均可發(fā)生鋼化玻璃自爆。

鋼化玻璃自爆率

國(guó)內(nèi)的自爆率各生產(chǎn)廠家并不一致，從3%～0.3%不等。一般自爆率是按片數(shù)為單位計(jì)算的，沒有考慮單片玻璃的面積大小和玻璃厚度，所以不夠準(zhǔn)確，也無法進(jìn)行更科學(xué)的相互比較。為統(tǒng)一測(cè)算自爆率，須確定統(tǒng)一的假設(shè)。定出統(tǒng)一的條件：每5～8噸玻璃含有一個(gè)足以引發(fā)自爆的硫化鎳；每片鋼化玻璃的面積平均為1.8m2；硫化鎳均勻分布。則計(jì)算出6mm厚的鋼化玻璃計(jì)算自爆率為0.64%～0.54%，即6mm鋼化玻璃的自爆率約為3‰～5‰。這與國(guó)內(nèi)高水平加工企業(yè)的實(shí)際值基本吻合。

即使完全按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，也不能避免鋼化玻璃自爆。大型建筑物輕易就會(huì)用上幾百噸玻璃，這意味著玻璃中硫化鎳和異質(zhì)相雜質(zhì)存在的幾率很大，所以鋼化玻璃雖經(jīng)熱浸處理，自爆依然不可避免

鋼化玻璃自爆機(jī)理

自爆按起因不同可分為兩種：

一是由玻璃中可見缺陷引起的自爆，例如結(jié)石、砂粒、氣泡、夾雜物、缺口、劃傷、爆邊等；

二是由玻璃中硫化鎳（NIS）雜質(zhì)和異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。BALLANTYNE于1961年提出鋼化玻璃自爆的硫化鎳機(jī)制。BORDEAUX和KASPER通過對(duì)250例自爆的研究，發(fā)現(xiàn)引起自爆的硫化鎳直徑在0.04～0.65mm之間，平均粒徑為0.2mm。新發(fā)現(xiàn)異質(zhì)相顆粒引起鋼化玻璃自爆。

這是兩種不同類型的自爆，應(yīng)明確分類，區(qū)別對(duì)待，采用不同方法來應(yīng)對(duì)和處理。前者一般目視可見，檢測(cè)相對(duì)容易，故生產(chǎn)中可控。后者則主要由玻璃中微小的硫化鎳顆粒體積膨脹引發(fā)，無法目測(cè)檢驗(yàn)，故不可控。在實(shí)際運(yùn)作和處理上，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無法檢驗(yàn)而繼續(xù)存在，成為使用中的鋼化玻璃自爆的主要因素。硫化鎳類自爆后更換難度大，處理費(fèi)用高，同時(shí)會(huì)伴隨較大的質(zhì)量投訴及經(jīng)濟(jì)損失，造成業(yè)主的不滿甚至更為嚴(yán)重的其他后果。所以，硫化鎳引發(fā)的自爆是我們討論的要點(diǎn)。

玻璃經(jīng)鋼化爐鋼化處理后，表面層形成壓應(yīng)力。內(nèi)部板芯層呈張應(yīng)力，壓應(yīng)力和張應(yīng)力共同構(gòu)成一個(gè)平衡體。玻璃本身是一種脆性材料，耐壓但不耐拉，所以玻璃的大部分破碎是張應(yīng)力引發(fā)的。

鋼化玻璃中硫化鎳晶體發(fā)生相變時(shí)，其體積膨脹，處于玻璃板芯張應(yīng)力層的硫化鎳膨脹使鋼化玻璃內(nèi)部產(chǎn)生更大的張應(yīng)力，當(dāng)張應(yīng)力超過玻璃自身所能承受的限度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。國(guó)外研究證明：玻璃主料石英砂或砂巖帶入鎳，燃料及輔料帶入硫，在1400℃～1500℃高溫熔窯燃燒熔化形成硫化鎳。當(dāng)溫度超過1000℃時(shí)，硫化鎳以液滴形式隨機(jī)分布于熔融玻璃液中。當(dāng)溫度降至797℃時(shí)，這些小液滴結(jié)晶固化，硫化鎳處于高溫態(tài)的α-NiS晶相（六方晶體）。當(dāng)溫度繼續(xù)降至379℃時(shí)，發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變成為低溫狀態(tài)的β-NiS（三方晶系），同時(shí)伴隨著2.38%的體積膨脹。這個(gè)轉(zhuǎn)變過程的快慢，既取決于硫化鎳顆粒中不同組成物（包括Ni7S6、NiS、NiS1.01）的百分比含量，還取決于其周圍溫度的高低。如果硫化鎳相變沒有轉(zhuǎn)換完全，則即使在自然存放及正常使用的溫度條件下，這一過程仍然繼續(xù)，只是速度很低而已。

當(dāng)玻璃鋼化加熱時(shí)，玻璃內(nèi)部板芯溫度約620℃，所有的硫化鎳都處于高溫態(tài)的α-NiS相。隨后，玻璃進(jìn)入風(fēng)柵急冷，玻璃中的硫化鎳在379℃發(fā)生相變。與浮法退火窯不同的是，鋼化急冷時(shí)間很短，來不及轉(zhuǎn)變成低溫態(tài)β-NiS而以高溫態(tài)硫化鎳α相被“凍結(jié)”在玻璃中?？焖偌崩涫共ＡУ靡凿摶?，形成外壓內(nèi)張的應(yīng)力統(tǒng)一平衡體。在已經(jīng)鋼化了的玻璃中硫化鎳相變低速持續(xù)地進(jìn)行著，體積不斷膨脹擴(kuò)張，對(duì)其周圍玻璃的作用力隨之加大。鋼化玻璃板芯本身就是張應(yīng)力層，位于張應(yīng)力層內(nèi)的硫化鎳發(fā)生相變時(shí)體積膨脹也形成張應(yīng)力，這兩種張應(yīng)力疊加在一起，足以引發(fā)鋼化玻璃的破裂即自爆。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于表面壓應(yīng)力為100MPa的鋼化玻璃，其內(nèi)部的張應(yīng)力為45MPa左右。此時(shí)張應(yīng)力層中任何直徑大于0.06mm的硫化鎳均可引發(fā)自爆。另外，根據(jù)自爆研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，95%以上的自爆是由粒徑分布在0.04mm～0.65mm之間的硫化鎳引發(fā)。根據(jù)材料斷裂力學(xué)計(jì)算出硫化鎳引發(fā)自爆的平均粒徑為0.2mm.因此，國(guó)內(nèi)外玻璃加工行業(yè)一致認(rèn)定硫化鎳是鋼化玻璃自爆的主要原因。

鋼化玻璃自爆還有一些其他因素：玻璃開槽及鉆孔的不合理、玻璃原片質(zhì)量較差、厚度不均如壓花玻璃、應(yīng)力分布不均例如彎鋼化玻璃及區(qū)域鋼化玻璃等。

如何鑒別鋼化玻璃的自爆

首先看起爆點(diǎn)（鋼化玻璃裂紋呈放射狀，均有起始點(diǎn)）是否在玻璃中間，如在玻璃邊緣，一般是因?yàn)椴Ａ唇?jīng)過倒角磨邊處理或玻璃邊緣有損傷，造成應(yīng)力集中，裂紋逐漸發(fā)展造成的；如起爆點(diǎn)在玻璃中部，看起爆點(diǎn)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(xì)觀察兩小塊多邊形公用邊（蝴蝶的軀干部分）應(yīng)有肉眼可見的黑色小顆粒（硫化鎳結(jié)石），則可判斷是自爆的；否則就應(yīng)是外力破壞的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑。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(jié)石位于二塊"蝴蝶斑"的界面上。 

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