給建筑玻璃幕墻“體檢” 讓風險可以預測

【中玻網(wǎng)】隨著我國建筑玻璃幕墻的廣泛應用，建筑玻璃爆開與掉落導致的安全事故和問題日益凸顯。事故頻發(fā)引起了各級相關部門部門的高度重視，以往大多是事后統(tǒng)計已有的破損，無法預測既有建筑玻璃潛在風險。

　　鋼化玻璃爆開，俗稱“玻璃癌癥”，是既有玻璃服役安全中普遍但又難以檢驗、“無法治療”的全部性難題。針對建筑玻璃服役安全評價的瓶頸問題，中國建材集團旗下中國建材總院所屬國檢集團重要地位科學家包亦望敢為天下先，以提升其服役安全和風險預測為目標，打破了國內外建筑玻璃行業(yè)百年難題。他主持完成的項目“建筑玻璃服役風險檢驗和可靠性評價關鍵技術與設備及應用”榮獲2017年國家科學技術進步獎二等獎。

　　科技創(chuàng)新，讓風險可以預測

　　包亦望根據(jù)玻璃的本征脆性和“寧碎不屈”的特點，認為要解決這種風險預測問題，首先要搞清楚爆開機理和影響因素。包亦望團隊的研究，是從尋找硫化鎳開始的。

　　玻璃里的硫化鎳雜質直徑只有0.1~0.3毫米左右，肉眼基本看不見，用放大鏡或掃描儀檢查微小雜質較為困難，現(xiàn)場檢驗更加困難。為了確定雜質缺點的性質，團隊首先收集大量的鋼化玻璃爆開后的殘片，并取出爆開源的部分玻璃進行斷口分析，每一個爆開源斷口都能找出一個微小的雜質。在對大量的雜質進行成分分析后，包亦望團隊發(fā)現(xiàn)，除了大家熟知的硫化鎳，還有從未被發(fā)現(xiàn)過的單質硅、氧化鋁等雜質顆粒。這些并不會發(fā)生相變的雜質顆粒由于膨脹系數(shù)與玻璃不一致，在升溫或降溫過程中也會引起雜質顆粒與玻璃之間的擠壓，這種擠壓達到一定程度就會導致玻璃局部應力超過玻璃局部強度而破裂，從而發(fā)生爆開。因此，鋼化玻璃的爆開是由硫化鎳、單質硅等雜質擠壓周邊玻璃并產生應力集中而導致的一種脆性材料力學和斷裂力學的現(xiàn)象。從力學的角度來分析和解決問題，這是固體力學有經(jīng)驗出身的包亦望的強項。

　　利用材料力學基礎和脆性材料臨界破壞的強度模型，包亦望建立了鋼化玻璃爆開的破壞準則和爆開條件，證明了鋼化玻璃爆開不僅僅是因為微小顆粒雜質，還因為小顆粒雜質剛好位于鋼化玻璃的拉應力區(qū)。如果雜質的膨脹系數(shù)比玻璃大，它將在升溫過程擠壓玻璃，反之，在降溫過程產生界面擠壓。顯然這些擠壓都會引起應力集中而導致鋼化玻璃爆開。

　　雖然用光學或肉眼檢驗微小雜質較為困難，但是查找透明材料里面的應力集中卻是一件容易的事。包亦望團隊的研究思路因此發(fā)生了根本改變，從查找高層建筑玻璃爆開源雜質到檢驗爆開源雜質引起的應力集中，通過揭示鋼化玻璃內部雜質顆粒與周邊應力場分布的關聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)爆開的根本原因在于玻璃內部拉應力區(qū)內的應力集中。

　　包亦望團隊通過分析鋼化玻璃內部雜質顆粒種類、形貌、尺寸、分布位置對應力集中的影響，獲得了鋼化玻璃爆開風險等級的影響系數(shù)及劃分標準，提出爆開準則，并開發(fā)了鋼化玻璃爆開源自動檢驗方法，研制了國內外首臺透射式和反射式光彈掃描儀。該技術被制定為國家標準GB/T 30020，成為評估鋼化玻璃爆開風險的關鍵手段。技術還可推廣至玻璃生產線或幕墻安裝前的鋼化玻璃爆開源排查，為建筑玻璃及玻璃制品的安全使用提供了科學、系統(tǒng)的評價理論及無損在線檢驗方法。

　　包亦望團隊還發(fā)明了“動態(tài)相對法”預測建筑玻璃掉落風險及評估標準;開發(fā)了幕墻玻璃掉落風險檢驗儀，自動識別幕墻掉落風險等級，數(shù)據(jù)無線傳輸，創(chuàng)新技術還具有普適性，也可推廣到陶瓷幕墻和石材幕墻等外圍構件的服役安全檢驗;研制出一種可用于檢驗高空建筑幕墻的機器人裝備——玻璃幕墻安全檢驗智能機器人，解決了高層建筑玻璃幕墻檢驗人員高空作業(yè)風險難題，實現(xiàn)了玻璃幕墻安全智能化、自動化檢驗，破解了以往“蜘蛛人”高空對幕墻檢驗的危險難題。

　　建筑玻璃應用中另一個突出的問題是服役中空玻璃密封失效而導致建筑不節(jié)能并容易造成外片玻璃脫落，建筑玻璃從高層建筑上脫落到地面是比爆開更加危險的一種災害。我國中空玻璃產量和使用量遍布大部分國家，中空玻璃的產品質量及其服役性能檢驗至關重要。該團隊研發(fā)了無冷媒中空玻璃結露試驗儀等系列10個類別的耐久性檢驗設備，建立了耐久性評價技術體系，率先建成了世界上很大的、可年檢1800個中空玻璃單元體耐久性檢驗服務平臺，獲得美國中空玻璃認證委員會和北美中空玻璃協(xié)會的全部認可和驗證，填補了空白區(qū)域。

　　對于服役中的中空玻璃，包亦望揭示了其氣密性和受力變形之間的關系，即中空層漏氣之后受力和變形均集中在受力作用的那一片玻璃上，從而降低了中空玻璃承載性能，加大了受力非常大的外片玻璃破裂或掉落的安全隱患。發(fā)明了“撓度比較法”現(xiàn)場評價中空玻璃密封性能是否失效的檢驗技術，實現(xiàn)現(xiàn)場評價中空玻璃的安全性能，為建筑玻璃安全服役和災難事故的預測提供了全新的技術手段。