張海梁 李會興 王蕾 劉耀文 尤海陽

（1. 東莞南玻工程玻璃有限公司 東莞 523141；2. 中國建筑玻璃與工業(yè)玻璃協(xié)會 北京 100037；3. 北京海陽順達玻璃有限公司 北京 102699）

0 引言

玻璃作為建筑幕墻的主要材料之一，因其優(yōu)良的采光、節(jié)能特點而不可替代。為了增加玻璃的強度和安全性能，通常采用物理風冷鋼化處理。物理風冷鋼化處理的玻璃按照碎片狀態(tài)分為鋼化玻璃和半鋼化玻璃。在國家政策和地方法規(guī)的引導下，國內(nèi)建筑幕墻普遍采用鋼化玻璃或半鋼化夾層玻璃及其復合產(chǎn)品。隨著人們對人身和財產(chǎn)安全、產(chǎn)品和服務質(zhì)量的注重，部分業(yè)主把鋼化玻璃表面應力檢測作為樓盤驗收標準之一，偶有發(fā)生因出廠檢測結果與安裝后檢測結果不同而引發(fā)糾紛。因此，有必要厘清鋼化玻璃安裝后檢測結果與鋼化生產(chǎn)時檢測結果存在差異的原因，為廠商和業(yè)主解決爭議提供參考數(shù)據(jù)。

1 檢測儀器介紹

目前使用最廣泛的鋼化玻璃表面應力無損檢測方法有兩種，一是差量表面折射儀法，簡稱DSR法，常用的儀器是我國生產(chǎn)的SSM-II型表面應力儀；另一種是臨界角表面偏光儀法，簡稱GASP法，常用的儀器是美國Strainoptic Technologies公司生產(chǎn)GASP應力儀。由于兩者采用的工作原理存在差異，致使儀器的構造、視場圖像和讀數(shù)方式存在差異。

SSM-II應力儀［1］工作原理是利用浮法玻璃表面錫擴散層的光波導效應來測定因應力引起的玻璃折射率的變化。圖1為SSM-II應力儀光路系統(tǒng)圖。

圖1 SSM-II應力儀光路系統(tǒng)圖［1］

從光源（白熾燈） 發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過狹縫，由高折射率柱面棱鏡匯聚后變成平行光，通過調(diào)節(jié)光源位置，使一束平行光以臨界角入射至玻璃與棱鏡的交界面，由于玻璃表面存在應力，在應力雙折射作用下，光線分解成為兩個振動面相互垂直的矢 量光，兩束矢量光在浮法玻璃的錫擴散層中傳播速度不同，因此以不同的全反射角折射到棱鏡。從棱鏡射出的光經(jīng)反光鏡反射進入干涉濾光片，由望遠物鏡系統(tǒng)聚焦，再經(jīng)過分析鏡后在分劃板成像而形成如圖2所示的一個清晰的明暗臺階圖像。通過測微目鏡，手動旋轉(zhuǎn)旋鈕，使內(nèi)置的對位線對準臺階平面，分別測量上下兩個臺階的讀數(shù)，計算臺階高度差，并計算出表面應力值。

圖2 SSM-II應力儀視場示意圖［1］

GASP應力儀［2］的工作原理是利用應力雙折射效應產(chǎn)生的干涉條紋，通過測定干涉條紋傾角來計算應力值。如圖3所示，GASP應力儀光源散發(fā)出的激光束以臨界角ic和45°偏振角入射到棱鏡邊緣導入玻璃表面的錫擴散層，在錫擴散層中以平行玻璃表面的方向運行一小段距離，應力雙折射效應導致激光束發(fā)生干涉效應，再經(jīng)過一個石英補償片Wc和分析器A，在視鏡中產(chǎn)生圖4所示的可見且穩(wěn)定的等距條紋，即干涉條紋。通過測微目鏡，手動旋轉(zhuǎn)表盤，使內(nèi)置的雙對位線平行于等距條紋，讀取表盤旋轉(zhuǎn)角度q，通過換算得到表面應力值。

圖3 GASP應力儀光路系統(tǒng)圖

圖4 GASP應力儀視場示意圖

GASP應力儀的對位線是平行的雙線，以便于目視觀察，微調(diào)幅度一般為±1°范圍，即儀器測量誤差在±（3～8）MPa以內(nèi)，精度相對較高。而SSM-II應力儀的對位線是單線，且需要分兩次調(diào)節(jié)對位線，微調(diào)幅度一般為±（0.03～0.05）mm，即儀器測量誤差在±（9～15）MPa之間，是GASP儀器測量誤差的2～3倍，因此GASP儀器的測量準確度相對更高。

2 影響因素分析

影響檢測結果的因素一般從兩個方面進行分析，一是檢測儀器及檢測條件是否有差異，二是有沒有受到外部因素的干擾。通過對比工廠生產(chǎn)檢測環(huán)境和安裝后檢測環(huán)境，逐條列舉差異，并采用SSM-II和GASP兩種應力儀進行實驗驗證，找出影響因素。

2.1 檢測條件的影響

2.1.1 測量角度

根據(jù)應力儀的工作原理，只有垂直于光路的應力才能被測出，如果主應力平行于光透射方向，則會得出不存在應力的錯誤結論。因此，在實際生產(chǎn)過程中有時會發(fā)生檢測不到應力的情況，換一個角度或測量點又能檢測到應力。為驗證不同的測量角度是否會影響到應力的檢測結果，分別使用GASP和SSM-II兩種儀器對多塊鋼化玻璃在同一位置點沿平行玻璃的短邊和垂直玻璃的短邊兩個角度進行表面應力檢測，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 同一位置點不同檢測角度的應力檢測記錄 MPa

檢測數(shù)據(jù)顯示，平行于玻璃短邊方向和垂直于玻璃短邊方向的應力值相差最大為8.75 MPa，平均相差約為5.00 MPa。檢測時還發(fā)現(xiàn)，沿鋼化進爐方向測量時，應力儀位于鋼化波形的波峰位置，有較好的貼合面，容易觀察到應力儀的臺階或傾斜條紋；而當應力儀位于波谷位置時，如果波形較大則儀器與玻璃無法良好貼合，視區(qū)臺階或斜條紋較模糊，影響測量準確性。為避免由于檢測角度不同導致測量結果產(chǎn)生差異，通常的做法是參照美標ASTM C1048的方法［3］，同一測量點分別沿相互垂直的兩個角度測量，取其平均值作為該位置點的應力值，國內(nèi)標準尚未見到有關要求。

2.1.2 玻璃溫度

溫度的變化會改變棱鏡、折射油、玻璃的光學參數(shù)，從而導致檢測數(shù)據(jù)失真。表2中實驗數(shù)據(jù)為SSM-II應力儀檢測不同溫度下同一塊玻璃的表面應力值數(shù)據(jù)。

表2 溫度與應力測量值的對應關系

數(shù)據(jù)顯示，當玻璃表面溫度從常溫升高到60℃時應力值降低7～11 MPa，當溫度升高到90 ℃時應力值降低14～21 MPa，平均溫度每升高1℃則應力值下降0.25 MPa。這說明鋼化玻璃表面溫度越高，應力檢測值將越低。為此，國家標準GB/T 18144—2008 條款4.1.4明確規(guī)定：為了避免熱應力的產(chǎn)生，試樣內(nèi)外溫度應一致并與周圍的環(huán)境溫度相同［1］。在實際生產(chǎn)過程中，應避免在玻璃處于較高溫度的情況下檢測應力。

圖5 不同溫度對玻璃表面應力測量的影響

2.1.3 水平放置和豎直放置

由于玻璃鋼化后存在弓形以及玻璃自身具有一定彈性，當玻璃豎直放置時會受到自身重力和底部支撐力作用，不能保證玻璃完全處于自然伸直狀態(tài)，從而導致玻璃表面應力狀態(tài)發(fā)生變化。且玻璃豎直測試時，不方便檢測人員的測量作業(yè)，影響測量準確度。表3實驗測量數(shù)據(jù)顯示，國產(chǎn)SM-II應力儀水平測量和豎直測量結果最大差異為14 MPa，進口GASP應力儀水平測量和豎直測量結果最大差異為10.49 MPa。為避免豎直放置產(chǎn)生的影響，國家標準GB/T 18144—2008 條款4.1.6明確規(guī)定：將被檢測試樣的錫擴散層朝上水平平穩(wěn)放置［1］，其目的是使玻璃處于自然狀態(tài)，消除外界作用力的約束。

表3 鋼化玻璃水平放置測量和豎直放置測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計 MPa

2.1.4 不同儀器測量結果差異

從表1、表3可以看出，對于同一塊鋼化玻璃同一檢測點，且在相同的檢測條件下，GASP應力儀和SSM-II應力儀由于工作原理不同，導致測量的結果存在差異。在實際檢測中，應考慮由于檢測儀器的不同引起的測量誤差，從而避免誤判。

2.2 受外力作用的影響

當鋼化玻璃受到外力作用時，會改變玻璃表面壓應力狀態(tài)。如圖6所示，玻璃在受到外力荷載時，受壓面的表面壓應力增大，而拉伸面的表面壓應力首先用于抵消荷載產(chǎn)生的彎曲張應力，此時表面壓應力會降低，當荷載彎曲張應力大于表面壓應力時，拉伸面就會出現(xiàn)張應力，當張應力達到玻璃能夠承受的極限時，玻璃就會破裂。因此，在鋼化玻璃受到外力作用的時候，檢測到的表面應力值與自然狀態(tài)下的表面應力值存在差異，是外在荷載力和玻璃表面壓應力的矢量和。

圖6 鋼化玻璃受外力作用下的應力分布情況

外力來源主要包括復合產(chǎn)品的粘結力、玻璃安裝方式、安裝約束力和重心遷移導致的自重力、環(huán)境風壓引起的撓度形變、氣溫變化導致的中空玻璃凹凸變形等，這些都會導致鋼化玻璃表面應力測量值失真。

2.2.1 復合產(chǎn)品的粘結力

由于鋼化玻璃的熱加工特性，玻璃本身會產(chǎn)生一定程度的彎曲變形。在兩片鋼化玻璃加工成夾層玻璃或中空玻璃時，PVB/密封膠的厚度是無法填補鋼化玻璃彎曲引起的空隙，這就需要PVB/密封膠通過自身的粘結力克服鋼化玻璃的彎曲變形，使兩片玻璃很好的吻合在一起，由此也會造成鋼化玻璃表面應力值的改變。圖7為鋼化玻璃加工成夾層、中空復合產(chǎn)品后的三種典型情況。

圖7 鋼化玻璃加工成夾層、中空復合產(chǎn)品后的三種典型情況

如圖7所示，（a）當兩片玻璃同向彎曲時，夾層/中空后的鋼化玻璃受力較小，表面應力值改變較??；（b）當鋼化玻璃朝外凸，夾層/中空時中間間隙大，受到向內(nèi)的拉力，表面應力值增大；（c）當鋼化玻璃朝內(nèi)凹，夾層/中空時中間間隙小，受到向外的擠壓力，表面應力值減小。另外，實際生產(chǎn)過程中也存在平直的鋼化玻璃夾層后出現(xiàn)彎曲，鋼化玻璃的各個位置的彎曲變形方向和程度有所區(qū)別，表面應力值變化存在隨機性，有的位置增大，有的位置減小，有的位置不變。測量夾層前后的玻璃表面應力值，如表4所示。從表4可以看出，當單片鋼化玻璃弓形為1‰～2‰時，夾層后表面應力變化最大到達13.48 MPa。

表4 鋼化玻璃夾層前后的應力值檢測情況 MPa

2.2.2 安裝受力

玻璃產(chǎn)品安裝時靠周邊的框架或連接桿支撐，玻璃四周會受到約束力并向中間區(qū)域傳遞。這種約束力相對復雜，與玻璃的安裝方式和組裝作業(yè)有很大關系，會改變鋼化玻璃的應力狀態(tài)，并在一定程度上引起反射影像變形。

2.2.3 風壓及氣溫變化

幕墻玻璃會受到風壓影響產(chǎn)生撓度變形［4］，同時氣溫變化會引起中空玻璃內(nèi)腔氣壓變化而產(chǎn)生外凸和內(nèi)凹［5］。玻璃的變形會引起表面應力值的改變，因此，在高溫天氣或風壓較大的情況下檢測幕墻玻璃的應力值會存在一定程度的偏差。圖8為氣候變化對幕墻玻璃產(chǎn)生的撓度變形示意圖。

圖8 氣候變化對幕墻玻璃產(chǎn)生的撓度變形示意圖

2.3 小結

基于實驗數(shù)據(jù)，得出影響鋼化玻璃表面應力檢測結果準確性的因素主要有：

（1）不同的檢測儀器誤差不同，SSM-II應力儀測量誤差為9～15 MPa，GASP應力儀測量誤差為3～5 MPa，GASP儀器的測量準確度相對更高；

（2）不同的測量角度會影響應力測量結果，平均差異為5.00 MPa；

（3）玻璃溫度越高應力測量值越低，在29～94 ℃的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，玻璃溫度每升高1 ℃則應力檢測值下降0.25 MPa；

（4）玻璃水平放置和豎直放置的應力測量結果有差異，用SM-II應力儀測量最大差異14 MPa，用GASP應力儀測量的最大差異10.49 MPa；

（5）單片鋼化玻璃經(jīng)過夾層或中空后會引起表面應力的改變，弓形為1‰～2‰，表面應力測量值變化最大到達13.48 MPa；

（6）玻璃安裝受框架約束會引起表面應力的改變；

（7）風壓及氣溫變化會引起玻璃撓度形變，外凸時表面應力變小，內(nèi)凹時表面應力變大。

檢測儀器、測量角度、玻璃溫度、玻璃放置狀態(tài)、產(chǎn)品結構、安裝、風壓和氣溫變化都會影響到鋼化玻璃表面應力測量結果，且玻璃安裝后的檢測環(huán)境相對于工廠的檢測環(huán)境已發(fā)生較大變化，很難精準檢測玻璃表面應力值，因此玻璃安裝后檢測結果與工廠生產(chǎn)過程檢測結果會存在較大差異。

3 安全玻璃的標準

國家標準GB 15763.2—2005［6］和GB/T 18144—2008將鋼化玻璃的應力檢測作為推薦標準而非強制標準，標準規(guī)定鋼化玻璃表面應力應≥90 MPa，每片檢測5個位置點，以算術平均值作為最終結果，即同一塊玻璃允許個別點存在應力不滿足90 MPa。檢測時需將試樣水平平穩(wěn)放置，且試樣內(nèi)外溫度應一致并與周圍的環(huán)境溫度相同。以3塊玻璃為一組，3塊全部滿足要求為合格，2塊滿足要求則再增加3塊試樣進行檢測，全部滿足要求則判定這批玻璃合格。對于復合產(chǎn)品和安裝使用后的玻璃，在國家和行業(yè)的有關規(guī)范中沒有見到有關表面應力的測試要求。因此，從標準規(guī)范的角度來看，玻璃安裝后檢測玻璃的表面應力并作為判定玻璃合格與否的依據(jù)和驗收的標準是不恰當?shù)摹?/p>

行業(yè)內(nèi)判定是否為鋼化玻璃并非完全取決于玻璃表面應力，而是依據(jù)玻璃的碎片狀態(tài)判定。鋼化玻璃，破碎后呈碎顆粒狀，避免對人身造成致命傷害，因此鋼化玻璃也稱為鋼化安全玻璃。國內(nèi)外對鋼化玻璃碎片狀態(tài)的標準要求基本一致，即鋼化玻璃采用標準的破碎方式，4～12 mm平面鋼化玻璃在50 mm×50 mm的區(qū)域內(nèi)，碎片顆粒數(shù)應不少于40粒。對于鋼化安全玻璃的表面應力范圍界定，現(xiàn)行的各國標準差異較大，在國際上沒有一個統(tǒng)一的說法，如表5所示，我國標準要求鋼化玻璃表面應力值≥90 MPa，為最高；歐盟國家為≥75 MPa；美國和澳洲標準相同，規(guī)定鋼化玻璃應力≥69 MPa，為最低。我國的國標在1999年版本中應力值為95 MPa，到2005年修訂時降低為90 MPa，也是處于一個不斷調(diào)整的過程中。

表5 各國標準對鋼化玻璃應力值的要求

事實上，鋼化玻璃的應力越高，自爆率越高，不但無益，反而有害。早些年，很多企業(yè)普遍沒有應力檢測設備，靠砸試片數(shù)顆粒數(shù)來判定鋼化玻璃合格與否。另一方面，由于鋼化設備相對落后，應力不均勻，為了確保最少顆粒數(shù)一次達標，往往會采用大幅提高鋼化表面應力的方式，最終也導致了自爆率居高不下。

孫文遷等［7］通過實驗數(shù)據(jù)分析得出，當鋼化應力在90 MPa時，對應的碎片數(shù)大約為52片，并且隨著鋼化玻璃表面應力的增大，對應的玻璃碎片數(shù)也在增多。通過大量實驗測試，結果顯示對于5～12 mm的玻璃，表面應力＞82 MPa就能滿足顆粒數(shù)要求，達到安全玻璃標準，與孫文遷等人的實驗結果相符。圖9為玻璃表面應力與碎片數(shù)對照［7］。

圖9 玻璃表面應力與碎片數(shù)對照［7］

隨著科學技術不斷進步，現(xiàn)今的加工設備和工藝技術已能夠通過過程監(jiān)控和應力檢測將鋼化玻璃表面應力控制在一個合理的范圍內(nèi)，可以既滿足顆粒數(shù)要求，又避免過高的自爆率。

4 總結與建議

（1）由于玻璃安裝后，受到外力作用，且檢驗環(huán)境發(fā)生較大改變，很難精準檢測玻璃表面應力值，導致檢測結果與工廠檢測的結果存在較大差異。且根據(jù)國家標準規(guī)范的要求，玻璃安裝后的檢驗環(huán)境已不符合標準要求。因此，幕墻玻璃的表面應力檢測只能作為定性分析，即判定玻璃是否經(jīng)過鋼化處理，不能作為玻璃合格與否的判定依據(jù)。

（2）鋼化玻璃過高的表面應力將導致自爆率偏高，工廠生產(chǎn)鋼化玻璃時應將鋼化應力控制在合理的范圍內(nèi)，建議不超過110 MPa。

（3）隨著國家和人們對安全的重視程度提高，半鋼化夾層玻璃由于沒有自爆和碎片墜落風險，可取代鋼化玻璃。目前沿海地區(qū)一線城市多采用半鋼化夾層中空節(jié)能玻璃，但內(nèi)陸城市和地區(qū)使用比例較低，有待國家、地方和行業(yè)的推廣。