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摘要：本文总结了建筑玻璃力学性能、破坏形式和钢化玻璃自曝机理和降低钢化玻璃自曝方法，对建筑玻璃的设计应用具有指导意义。
关键词：建筑玻璃 力学性能 破坏形式 钢化玻璃自曝
1前言
建筑玻璃是典型的脆性材料，对其力学性能的深入理解对正确的设计与施工非常重要。本文对建筑玻璃的力学性能进行综述，以其对建筑玻璃的应用起到有益的作用。
2 力学特性
2.1弹性（词条“弹性”由行业大百科提供）
建筑玻璃是完全的弹性体，目前在全世界范围内尚未检测到其任何可见的塑性（词条“塑性”由行业大百科提供）变形。因此建筑玻璃设计施工时，其周边应采用软性材料与其接触，如胶条或密封胶，不得使其与金属材料（词条“金属材料”由行业大百科提供）如铝型材或钢型材直接接触。
2.2 脆性
建筑玻璃表面存在大量微裂纹，其脆性极大，其断裂韧性（词条“韧性”由行业大百科提供）极差，表现为破坏时突然断裂。因此，一般情况下，建筑玻璃不可作为工程结构材料（词条“结构材料”由行业大百科提供）使用。
2.3 强度离散性
由于建筑玻璃表面存在大量微裂纹，其强度与裂纹尺寸密切相关，而裂纹尺寸与数量随机存在，使得建筑玻璃强度离散性较大。设计使用时，应考虑较大的安全系数。一般情况下，应采用失效概率不大于0.1%时的安全系数。
2.4 强度取值
建筑玻璃的破坏与其表面裂纹的扩展密切相关，破坏时的起始裂纹位置、裂纹走向和作用力方向决定了强度的大小。建筑玻璃强度分为大面强度、边缘强度和端面强度，设计时应注意区分。
3 破坏形式
3.1 弯曲破坏
建筑玻璃在风荷载等外力作用下，表现为薄板的弯曲破坏，通常所说的钢化玻璃设计许用强度84MPa即是指弯曲强度。建筑玻璃不存在压缩强度（词条“压缩强度”由行业大百科提供）、剪切强度和拉伸强度，因此设计时，计算建筑玻璃的压缩应力、剪切应力和拉伸（词条“拉伸”由行业大百科提供）应力是没有意义的。
3.2 冲击破坏
在人体或物体的冲击作用下，建筑玻璃很容易破坏，即玻璃的抗冲击强度较低，因此改善其抗冲击强度是建筑玻璃生产时应重点考虑的问题。
3.3 热炸裂
在温差应力作用下，建筑玻璃极易发生热炸裂。由于玻璃热炸裂的起始裂纹始于玻璃板边部，因此其边部精加工对改善玻璃抗热炸裂能力作用明显，同时对玻璃进行热处理也将明显改善其抗热炸裂能力。
4 钢化玻璃自爆
建筑玻璃的弯曲强度和抗冲击强度较低，且极易发生热炸裂，限制了其应用，对其进行热处理，即钢化处理，可提高玻璃弯曲强度2—3倍，提高抗冲击强度3—4倍，不存在单独热炸裂问题。钢化玻璃的优异性能极大地拓展了建筑玻璃的应用。但是钢化玻璃也有明显的缺陷，即钢化玻璃自爆。只有详尽地了解了钢化玻璃自爆的机理，才能正确的设计使用。
钢化玻璃自爆的原因很多，最主要原因是
硫化镍（词条“硫化镍”由行业大百科提供）粒子的膨胀。玻璃中含有
硫化镍夹杂物 ，硫化镍夹杂物一般以结晶体(NiS)存在，室温下存在着
相向
相转变的热力学倾向，并伴有2—3%的体积膨胀。硫化镍粒子存在于
平板玻璃中，因而才存在于
半钢化玻璃和钢化玻璃中。但
平板玻璃和半钢化玻璃没有自爆现象，只有钢化玻璃才有自爆，原因是仅有硫化镍粒子由
相向
相转变的热力学倾向是不够的，必须具备一定的动力学条件才能实现这种相变，进而造成玻璃的自爆。平板玻璃是
退火玻璃，其内部无应力。半钢化玻璃和钢化玻璃经
淬火后其内部具有应力，属于
预应力材料。半钢化玻璃和钢化玻璃内部应力状态见图1。
由图1可见，半钢化玻璃和钢化玻璃内部应力分布趋势是一致的，都是外表面处于压应力，内部处于张应力，两者的区别是钢化玻璃表面压应力和内部张应力比半钢化玻璃的表面压应力和内部张应力都大。只有玻璃中的硫化镍粒子位于足够大的张应力区，硫化镍粒子才具备相变的动力学条件，因为硫化镍粒子相变伴随体积膨胀，足够大的张应力为硫化镍粒子体积膨胀提供了动力学条件，这就是平板玻璃和半钢化玻璃不发生自爆，钢化玻璃自爆的原因。玻璃中的硫化镍粒子是随机分布的，如果玻璃中的硫化镍粒子位于钢化玻璃最大张应力部位，该粒子就可能成为钢化玻璃自爆的起爆点。由硫化镍粒子造成的钢化玻璃自爆其爆裂点裂纹形状往往与蝴蝶相似，被称为蝴蝶形裂纹，有些在爆裂点中部有一个有色颗粒，被认为是硫化镍粒子，这两个特性往往被用来作为钢化玻璃是否是自爆的判据。硫化镍粒子在钢化玻璃自爆前后的体积是不同的，爆裂前体积小，不易被看见;自爆后其体积增大，地点确定，很容易被看见，这也是钢化玻璃自爆不易预见的原因之一。钢化玻璃自爆裂纹见图2。
硫化镍粒子造成的钢化玻璃自爆具有主动性、自发性、无外因，是真正意义上的自爆。
硫化镍粒子造成钢化玻璃自爆需要两个条件：其一硫化镍粒子所处位置的张应力大小;其二硫化镍粒子的尺寸。硫化镍粒子尺寸越大，它需要的张应力越小，即对应不同的张应力，硫化镍粒子存在临界尺寸，钢化玻璃中张应力越大，硫化镍粒子的临界尺寸越小，产生自爆硫化镍粒子越多，钢化玻璃自爆的概率越大。
平板玻璃中除含有硫化镍粒子外，还含有结石、气泡和杂质，玻璃是典型的脆性材料，其力学行为服从断裂力学。玻璃中的结石、气泡和杂质在玻璃中将会形成裂纹，是钢化玻璃的薄弱点，特别是裂纹尖端是应力集中处。如果结石、气泡或杂质处在钢化玻璃的张应力区，或在荷载作用下使其处于张应力，都可能导致钢化玻璃炸裂。
我国标准要求其表面应力不应小于90MPa，美国标准中规定钢化玻璃的表面压应力为大于69MPa，可否将我国钢化玻璃表面压应力降低到与美国标准一致或接近非常值得研究。如果可行，将极大地降低钢化玻璃的自爆率。降低表面压应力值限值可能会造成钢化玻璃碎片偏大，不过即使钢化玻璃表面压应力很高，碎片很小，也无法保证碎片都以分裂状态存在，许多情况下碎片表现为裂而不碎，形成“钢化玻璃被”，其结果与大一点的碎片区别不大，甚至其危害性更大，因此可以考虑降低钢化玻璃表面压应力值限值。况且我国半钢化玻璃标准规定，其表面压应力值限值为不大于60MPa，钢化玻璃标准规定，其表面压应力值限值为不小于90MPa，如果玻璃表面压应力处于60—90MPa之间，既不属于半钢化玻璃，也不属于钢化玻璃，属于不合格品。从这个角度来说，也应将钢化玻璃表面压应力值限值降低，如果将半钢化玻璃表面压应力值限值与钢化玻璃表面压应力值限值连接有困难，至少可将钢化玻璃表面压应力值限值降低，缩小两者的差距。
玻璃表面和边部在加工、运输、贮存和施工过程，可能造成有划痕、炸口和爆边等缺陷，易造成应力集中而导致钢化玻璃自爆。玻璃表面本来就存在大量的微裂纹，这也是玻璃力学行为服从断裂力学的根本原因。这些微裂纹在一定的条件下会扩展，如水蒸气的作用、荷载的作用等，都可能加速微裂纹的扩展。通常情况下微裂纹的扩展速度是极其缓慢的，表现为玻璃的强度是一恒定值。但是玻璃表面的微裂纹有一临界值，当微裂纹尺寸接近或达到临界值时，裂纹快速扩张，导致玻璃破裂。如果玻璃表面和边部存在接近临界尺寸的微裂纹，如玻璃表面和边部在加工、运输、贮存和施工过程造成的划痕、炸口、爆边等缺陷尺寸就较大，玻璃可能在极小的荷载作用下就导致玻璃表面或边部微裂纹快速扩张，最终导致玻璃破裂。
为此应提高钢化玻璃边部加工质量，明确边部加工要求，如两边完全磨边或三边不完全磨边，避免玻璃边部和表面划伤和磕碰。理论分析和实验表明，钢化玻璃边部钢化程度较低，因此应对钢化玻璃边部重点保护。对于点支式幕墙玻璃，如果对玻璃打孔，孔边一定要精磨，最好达到抛光的程度，因为玻璃孔边是应力集中部位。
钢化玻璃在生产过程中需要对玻璃进行加热和冷却（词条“冷却”由行业大百科提供），玻璃在加热或冷却时沿玻璃板面方向不均匀和沿厚度方向的不对称，将导致钢化玻璃沿板面方向应力不均匀和沿厚度方向应力分布不对称，这些都有可能造成钢化玻璃自爆。钢化玻璃沿板面方向应力不均匀，可以造成玻璃局部处于张应力，如果这种张应力过大，超过玻璃的断裂强度，玻璃就会爆裂。玻璃板沿厚度方向应力分布应当是对称的，即上下两表面处于压应力，中间处于张应力，上下表面的压应力大小、应力层厚度和变化完全是对称的，玻璃板承受正负风压的能力是相同的。如果玻璃板沿厚度方向应力分布不对称，玻璃板承受正负风压的能力就不相同，一侧承受荷载的能力较强，另一侧较小，即玻璃可能在较小荷载作用下破损，严重时，玻璃板在无荷载作用下产生变形，造成幕墙玻璃影像畸变。
为此应提高钢化玻璃表面应力均匀度和沿厚度方向的对称度。特别对于low-e玻璃的钢化更要关注其钢化玻璃应力沿厚度方向的对称度，因为low-e玻璃上下表面对热辐射吸收的差异将会造成low-e玻璃在加热时玻璃板沿厚度方向温度的差异，而这种差异最终将会导致钢化玻璃应力沿厚度方向的不对称，目前在玻璃钢化过程中采用强制对流的方法来消除这种不利因素。
钢化玻璃内部应力不均匀，存在较大应力梯度，会造成自爆，表现为碎片颗粒大小不一且差距较大。表面压应力有五个测点，取平均值。应增加五个测点最大值和最小值之间的差值限值，用以表征钢化玻璃表面压应力均匀性（词条“均匀性”由行业大百科提供）。
减小钢化玻璃板面尺寸，可降低钢化玻璃自爆率。目前我国在应用建筑玻璃方面呈现板面越来越大的趋势，钢化玻璃尺寸越大，玻璃板越厚，自爆概率越大。在一块钢化玻璃板中，只要有一个自爆点，并最终导致钢化玻璃自爆，无论钢化玻璃板块大小，整个钢化玻璃板都破碎。玻璃板块越大，含有杂质、硫化镍粒子、边部加工缺陷、表面划伤、应力的不均匀等等导致钢化玻璃自爆的不利因素就随之增加。在同样荷载作用下，玻璃板块越大，玻璃板就得越厚，含有杂质、硫化镍粒子、边部加工缺陷、表面划伤、应力的不均匀等等导致钢化玻璃自爆的不利因素也会增加，钢化玻璃自爆概率就会加大。因此应依据平板玻璃厚度、质量等级对钢化玻璃板面尺寸做出限制。
5 结束语
《建筑门窗幕墙用钢化玻璃》JG/T455和《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113对钢化玻璃的生产和建筑玻璃的应用均做出明确的规定，本文对建筑玻璃的力学性能进行综合评述，对理解上述标准提供部分补充说明。
作者单位：北京中新方建筑科技研究中心
