陳敬申，蘇偉鋒，歐偉強(qiáng)，鄭勝林

（廣州江河幕墻系統(tǒng)工程有限公司，廣東 廣州 511340）

玻璃幕墻是一種形態(tài)新穎、通透感強(qiáng)的建筑外墻裝飾，具有現(xiàn)代建筑簡潔光亮的顯著特征，成為商業(yè)及標(biāo)志性建筑的首選，受建筑師和開發(fā)商的青睞。建筑外觀效果是幕墻設(shè)計(jì)的參照和依據(jù)，其中陰影盒設(shè)計(jì)構(gòu)成建筑幕墻整體設(shè)計(jì)的重要組成部分。陰影盒在構(gòu)造上采用玻璃加背板保溫層的做法，玻璃與背板之間形成密閉空間，為了滿足等壓設(shè)計(jì)，常常采用開通氣等壓孔。依據(jù)國內(nèi)外大量的幕墻工程統(tǒng)計(jì)，地處熱帶、亞熱帶的不少幕墻工程的陰影盒玻璃內(nèi)側(cè)出現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象（也稱起霧和霉變），幕墻玻璃的起霧現(xiàn)象嚴(yán)重影響建筑外觀效果，目前除了更換玻璃別無他法，且不能從根源上徹底消除。過多數(shù)量的起霧玻璃已產(chǎn)生巨大的維保費(fèi)用，若找不到發(fā)生霉變的根本緣由和解決方案，會讓幕墻相關(guān)方承擔(dān)巨大損失。

1 玻璃起霧及霉變現(xiàn)象

圖1是香港和新加坡某項(xiàng)目完工后出現(xiàn)的陰影盒玻璃風(fēng)化霉變照片。根據(jù)多年來工程經(jīng)驗(yàn)和觀察，幕墻陰影盒（見圖2）構(gòu)造設(shè)計(jì)上采用在陰影盒上部開通氣孔、下部開排水孔的，方式解決等壓和空氣對流問題，當(dāng)層間封閉區(qū)域采用單片玻璃時，陰影盒玻璃易發(fā)生起霧結(jié)露。

圖1 陰影盒玻璃霉變現(xiàn)象

圖2 陰影盒設(shè)計(jì)

對大量工程的陰影盒腔內(nèi)產(chǎn)生水汽的原因進(jìn)行分析可知，陰影盒內(nèi)部空氣與室外大氣相通，空氣在通氣孔和排水孔緩慢對流。當(dāng)太陽光照射時，腔內(nèi)溫度比室外升溫快很多，受限于通氣孔和排水孔的尺寸，氣流交換需要較長時間，此時腔內(nèi)處于高溫高濕狀態(tài)，受濕度和溫度控制的露點(diǎn)溫度急劇上升，超過玻璃內(nèi)表面溫度時，起霧現(xiàn)象和結(jié)露就會發(fā)生；當(dāng)室外快速降溫時，玻璃溫度隨之降低，低于腔內(nèi)露點(diǎn)溫度就出現(xiàn)起霧和結(jié)露現(xiàn)象。根據(jù)玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)和熱工計(jì)算，單片玻璃室內(nèi)外溫度相當(dāng)，因此玻璃內(nèi)表面溫度依賴于室外空氣溫度和升溫速度。分析結(jié)果和實(shí)地觀察一致，早晨、傍晚或天氣突變時段經(jīng)常發(fā)現(xiàn)陰影盒玻璃內(nèi)側(cè)起霧現(xiàn)象，室外溫度上升穩(wěn)定后大部分霧氣消散。

對不同工程的霉變現(xiàn)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和觀察，當(dāng)溫差短時間變化較大時，單片玻璃易出現(xiàn)起霧結(jié)露現(xiàn)象，隨著溫度升高，水珠逐漸蒸發(fā)并消退；當(dāng)陰影盒玻璃為非鍍膜單層時，極易出現(xiàn)永不消退的白色斑點(diǎn)，俗稱“霉變”或“發(fā)霉”。對粘結(jié)在玻璃面上的“白色物質(zhì)”進(jìn)行分析可知，這些“白色物質(zhì)”殘留物附著在玻璃表面，非常牢固且難清洗，隨后將其取樣后送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)成分分析。在掃描電子顯微鏡（SEM）下放大100倍后觀察，白色殘留物顆粒質(zhì)地細(xì)膩均勻，雖無法分辨，但可確定這些物質(zhì)是良好的晶體。隨著SEM倍數(shù)的放大，晶體的成分是硅質(zhì)物質(zhì)，和取樣玻璃成分一致，可知白色附著物的產(chǎn)生是在高溫、高濕及富水環(huán)境下單層玻璃內(nèi)側(cè)的風(fēng)化現(xiàn)象。熱帶、亞熱帶的早晚氣溫變化、極端天氣等造成濕度、溫度高低波動及循環(huán)往復(fù)，加上城市工業(yè)、汽車尾氣中的CO2、SO2等酸性氣體的促進(jìn)，進(jìn)一步加速玻璃內(nèi)側(cè)的風(fēng)化效應(yīng)。

2 玻璃的霉變機(jī)理

根據(jù)文獻(xiàn)[1-4]可知，建筑玻璃是一種鈉鈣玻璃，其主要成分為SiO2，其次是Na2O和CaO以及少量硅酸鈉等。硅酸鈉是一種可溶性硅酸鹽，易溶于水。當(dāng)水分附著在玻璃表面時，表面的硅酸鈉、氧化鈉及氧化鈣被水解或水化反應(yīng)，生成氫氧化鈉、氫氧化鈣及硅酸或二氧化硅，生成的堿液與空氣中的CO2、SO2結(jié)合生成Na2CO3、CaCO3和H2O，并附著在玻璃表面。碳酸鈉吸水性極好，不易揮發(fā)，吸收水分后潮解形成堿性液體腐蝕玻璃面，生成的水加速玻璃“返潮”現(xiàn)象，進(jìn)一步增強(qiáng)表面風(fēng)化速率，產(chǎn)生以點(diǎn)帶面的風(fēng)化現(xiàn)象，類似于生物發(fā)霉現(xiàn)象，俗稱玻璃“霉變”。當(dāng)環(huán)境溫度升高，濕度降低時，玻璃表面的堿液濃度增大，這些相對高濃度的堿液與玻璃長期接觸后，加速侵蝕了玻璃表面，風(fēng)干后殘留物形成了“白斑”。圖3描述了整個化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)物的相互作用的過程。隨著晝夜溫度的循環(huán)波動，玻璃表面的水分不斷地凝結(jié)、水化、蒸發(fā)、再凝結(jié)、再水化、再蒸發(fā)持續(xù)下去。這種循環(huán)往復(fù)的蒸、凝作用（見圖4），加速風(fēng)化效應(yīng)，是玻璃霉變的主要過程和方式。相比，室外玻璃的霉變并不突出，其時常經(jīng)受風(fēng)雨可有效降低表面堿液濃度，與室外溫度和濕度一致，不易結(jié)露，不具備加快風(fēng)化的主要條件。

圖3 霉變的化學(xué)反應(yīng)過程推演

圖4 陰影盒內(nèi)部蒸-凝循環(huán)作用

3 陰影盒模擬試驗(yàn)

為了查清陰影盒玻璃霉變的原因，在新加坡某建筑屋頂設(shè)置一個模擬樣板來探究根源，圖5為試驗(yàn)箱體。

本試驗(yàn)設(shè)置了9種參數(shù)，東、西、北3個朝向共27個不同的對比組，通過這些對比組的試驗(yàn)結(jié)果來確定玻璃配置，氣孔大小，氣孔位置以及幕墻朝向，對陰影盒起霧的影響及其程度。同時，記錄室內(nèi)外溫度和濕度、玻璃內(nèi)表面溫度和濕度等，為露點(diǎn)溫度及結(jié)論分析判斷提供數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采用單元系統(tǒng)玻璃幕墻，測試周期為1年，數(shù)據(jù)采集周期為1個月。表1為試驗(yàn)對比組的相關(guān)參數(shù)。

圖5 試驗(yàn)箱體

表1 試驗(yàn)對比組的相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）對比S1/S1A、S2/S2A的這2組樣板可觀察到陰影盒玻璃內(nèi)側(cè)早上、晚上或下雨天有起霧，天晴后逐漸消失。由此可知，陰影盒腔內(nèi)的露點(diǎn)溫度在早晚或雨季高于室外溫度，排氣孔的大小和位置對玻璃內(nèi)側(cè)的起霧影響有限，尤其短時間內(nèi)。

（2）對比S1、S1A，S2、S2A，S3、S3A這3組樣板，觀察到S3/S3A很少出現(xiàn)起霧現(xiàn)象，即便是有，也晚于前2組。根據(jù)熱工計(jì)算，鍍膜玻璃傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)遠(yuǎn)小于清玻，陰影盒腔內(nèi)的濕度和溫度變化程度低于清玻，其腔內(nèi)露點(diǎn)溫度低于清玻1~2℃。

（3）對S4、S4A進(jìn)行觀察可知，相比單片玻璃，出現(xiàn)起霧現(xiàn)象非常少，即便是有也發(fā)生在玻璃四周與邊框相近的地方。中空層起到內(nèi)外片溫度的隔斷和保溫作用，即內(nèi)片玻璃溫度不隨外片玻璃快速升溫和降低，主要依賴陰影盒腔內(nèi)溫度，此溫度遠(yuǎn)高于腔內(nèi)露點(diǎn)溫度，起霧難發(fā)生。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，腔內(nèi)溫度最高可達(dá)72℃以上，最低溫度略高于室內(nèi)空調(diào)溫度，邊框受腔內(nèi)溫度影響較大，導(dǎo)致相近玻璃內(nèi)側(cè)偶爾會發(fā)生起霧情況，但不明顯。

（4）對S5進(jìn)行觀察可知，起霧現(xiàn)象發(fā)生后就很難完全消散。玻璃組裝或安裝時，陰影盒內(nèi)的溫度和濕度不可控，封閉后氣體與外界不對流，若發(fā)生起霧，就成為常態(tài)，甚至無法消退，見圖6。玻璃邊部有明顯水霧，難蒸發(fā)消退。

圖6 試驗(yàn)箱S5對比組樣板

（5）對比S1、S1A，S2、S2A，S5這3組樣板可知，排氣孔對壓力平衡，腔內(nèi)外氣體對流有至關(guān)重要的作用，也是腔內(nèi)濕度趨于平衡的重要通道。實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外濕度一致，避免不可控常態(tài)玻璃起霧現(xiàn)象。

（6）對比S3、S3A，S4、S4A這兩組樣板，鍍膜玻璃和中空玻璃等節(jié)能玻璃具有良好熱工性能，鍍膜玻璃減少熱烈進(jìn)入陰影盒腔內(nèi)及減緩升溫速度，中空玻璃的中空層可有效隔斷室內(nèi)外玻璃溫度直接傳遞，減緩內(nèi)片玻璃表面的降溫速度。同時鍍膜玻璃還有一重要特征：鍍膜層可隔斷水汽與本體玻璃的直接接觸，切斷風(fēng)化腐蝕鏈。

圖7為S1對比組陰影盒內(nèi)連續(xù)6 d的溫、濕度變化曲線。

圖7 S1對比組陰影盒內(nèi)連續(xù)6 d的溫、濕度變化曲線

根據(jù)溫、濕度可計(jì)算出每記錄點(diǎn)的陰影盒腔內(nèi)露點(diǎn)溫度，結(jié)果分析可知，當(dāng)溫度一定時，濕度變化5%，露點(diǎn)溫度變化1℃左右；當(dāng)濕度一定時，溫度變化1℃，露點(diǎn)溫度變化1℃左右。因此，降低陰影盒腔內(nèi)露點(diǎn)溫度或提高玻璃內(nèi)側(cè)溫度，是解決玻璃起霧的根源問題。

4 對錫面和通氣孔的討論

4.1 對玻璃錫面的討論

有研究者[3]提出玻璃錫面在預(yù)防玻璃霉變的觀點(diǎn)，此觀點(diǎn)主要從浮法玻璃成型工藝過程進(jìn)行研究，在N2和H2保護(hù)下，玻璃液流入錫槽中，漂浮在錫液表面上，在重力和表面張力作用下鋪開、攤平，形成上下表面平整的玻璃。過程中不可避免摻雜O2，與錫發(fā)生氧化反應(yīng)生成Sn2+，其與接觸的玻璃液中Fe3+發(fā)生反應(yīng)生成Sn4+，滲入玻璃面內(nèi)，并驅(qū)趕接觸面的Na+到錫液中，形成10~20μm的滲透層，增強(qiáng)了下表面的化學(xué)穩(wěn)定性。鑒于此種現(xiàn)象，玻璃廠在生產(chǎn)鍍膜玻璃時，要提前區(qū)分錫面，才能找到鍍膜面。

對于這個影響因素，采用樣本調(diào)查法進(jìn)行針對性分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在霉變的玻璃中錫面和空氣面都存在，霉變玻璃有一定的批次性，數(shù)據(jù)對比來看，玻璃錫面霉變占比空氣面霉變要少一些。據(jù)此可推斷，原片生產(chǎn)工藝的質(zhì)量提升降低錫離子滲透，錫面對玻璃霉變有一定作用，但過程不可控，無法量化其生產(chǎn)工藝控制，暫無法成為解決玻璃霉變的方案。

4.2 對陰影盒通氣孔的討論

在單元幕墻的陰影盒封閉腔內(nèi)設(shè)置對外連同的通氣孔已經(jīng)成為幕墻設(shè)計(jì)主流構(gòu)造做法。對于通氣孔的作用和意義，各方說法大同小異，歸結(jié)為兩點(diǎn)：其一、內(nèi)外等壓；其二、凝結(jié)水的排水孔。由此可知，玻璃結(jié)露現(xiàn)象由來已久，采用有水可排的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行構(gòu)造處理，未深究某些玻璃會因風(fēng)化而出現(xiàn)霉變。據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT可估算出，當(dāng)最高溫度（72℃）時，假定腔內(nèi)氣體體積不變，氣體的物質(zhì)的量不變，則腔內(nèi)壓強(qiáng)升高近0.2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，約20 kPa；若壓強(qiáng)不變，氣體的物質(zhì)的量不變，氣體體積會膨脹20%，這觀察到有些玻璃“鼓肚子”現(xiàn)象相符?；谝陨戏治?，設(shè)置通氣孔可解決腔內(nèi)外壓力平衡問題。

通氣孔是否能夠解決玻璃霉變問題呢？從玻璃霉變的根源出發(fā)，玻璃風(fēng)化反應(yīng)發(fā)生的基本環(huán)境：少量水及干濕交替的環(huán)境。大量水稀釋堿液后流走，不易在玻璃上凝結(jié)；干濕交替環(huán)境是玻璃產(chǎn)生殘留物的關(guān)鍵，堿液腐蝕玻璃產(chǎn)生的凝結(jié)鹽在干燥環(huán)境下粘結(jié)在玻璃上，逐漸形成致密凝結(jié)的晶體。同時城市的各種廢氣（CO2、SO2等）通過氣孔進(jìn)入陰影盒腔內(nèi)，在高溫高濕環(huán)境下加速了玻璃風(fēng)化。由此可知，設(shè)置通氣孔解決玻璃霉變是不可行的。

5 結(jié)語

浮法玻璃霉變現(xiàn)象很早就有人研究，尤其在汽車、食品等行業(yè)。近10多年，建筑幕墻成為城市的一張名片的同時，早期未發(fā)現(xiàn)的問題，現(xiàn)在逐漸暴露出來。經(jīng)過近5年來的調(diào)查和研究，結(jié)合試驗(yàn)、觀察樣板和相關(guān)行業(yè)研究成果，給出以下結(jié)論供參考。

（1）玻璃霉變是風(fēng)化效應(yīng)的直接反應(yīng)。陰影盒玻璃選型不當(dāng)易產(chǎn)生風(fēng)化效應(yīng)，城市廢氣加速風(fēng)化作用。

（2）陰影盒設(shè)計(jì)時，應(yīng)設(shè)置通氣孔。封閉腔的內(nèi)外空氣對流是解決室內(nèi)外溫濕度平衡的基礎(chǔ)，否則腔內(nèi)濕氣不流通勢必出現(xiàn)難消退的水霧，壓強(qiáng)不均衡容易導(dǎo)致室外水不合理吸入腔內(nèi)，也不利于防水。

（3）陰影盒設(shè)計(jì)宜優(yōu)選單片鍍膜玻璃。單片鍍膜玻璃優(yōu)異的熱工性能可減少腔內(nèi)熱量快速聚集，有效降低陰影盒腔內(nèi)露點(diǎn)溫度，且鍍膜層有效保護(hù)玻璃不受風(fēng)化作用。中空玻璃的中空層和夾膠玻璃的PVB和SGP能夠延緩玻璃內(nèi)側(cè)面的降溫速度，有助于提高玻璃內(nèi)側(cè)溫度，降低結(jié)露風(fēng)險，但無法避免玻璃內(nèi)側(cè)面的風(fēng)化作用。

（4）規(guī)范組裝和安裝工藝，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行相關(guān)工作，避免漏開孔、堵孔、遮擋孔等問題發(fā)生。

（5）幕墻面的朝向、通氣孔的大小和位置、幕墻系統(tǒng)等對玻璃霉變有一定影響，但不突出。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通氣孔直徑不宜小于10 mm，不應(yīng)少于2個；對不能設(shè)置通氣孔的框架系統(tǒng)，宜采用單片鍍膜玻璃或中空玻璃。