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真空玻璃安全性綜述

來源:2018-2019分析報告  作者:孫景春 劉忠偉 蔣毅 閆培起  日期:2019-8-21
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  摘要:本文從實際應用的角度出發,結合國內對建筑用安全玻璃的標準和規范的具體要求,論述了真空玻璃應用安全性方面的問題。在提高真空玻璃產品自身強度方面,使用低溫封接技術提高真空玻璃表面應力,通過理論分析和計算來科學合理地設計支撐物外形和排列間距,并模擬實際使用工況分析計算真空玻璃封邊強度,從上述三個方面論述了真空玻璃在實際應用中具有很高的安全性。最后,結合標準和規范中對真空玻璃應用中安全性的規定,分別給出了真空玻璃在玻璃幕墻、門窗以及采光頂等場所應用時推薦使用的安全配置。

  摘要

  本文從實際應用的角度出發,結合國內對建筑用安全玻璃的標準和規范的具體要求,論述了真空玻璃應用安全性方面的問題。在提高真空玻璃產品自身強度方面,使用低溫封接技術提高真空玻璃表面應力,通過理論分析和計算來科學合理地設計支撐物外形和排列間距,并模擬實際使用工況分析計算真空玻璃封邊強度,從上述三個方面論述了真空玻璃在實際應用中具有很高的安全性。最后,結合標準和規范中對真空玻璃應用中安全性的規定,分別給出了真空玻璃在玻璃幕墻門窗以及采光頂等場所應用時推薦使用的安全配置。

  一、前言

  真空玻璃是新型玻璃深加工產品,是我國玻璃工業中為數不多的具有自主知識產權的節能玻璃品種,它相比較于傳統的中空玻璃具有傳熱系數(詞條“傳熱系數”由行業大百科提供)低、抗結露因子級別高、隔聲性能高、壽命超長、結構輕薄等優勢。

  真空玻璃是由兩層平板玻璃構成的玻璃制品,兩層玻璃之間為氣壓低于0.01pa的真空層,使得氣體傳熱可忽略不計,這是真空玻璃熱工性能優異的機理。為了平衡真空玻璃內外大氣壓差,必須在兩層玻璃之間設置“支撐物”方陣,類似房屋中的承重柱,同時“支撐物”使玻璃之間保持間隔,形成真空層。“支撐物”方陣不僅要平衡大氣壓差,還要考慮到支撐物“熱橋”形成的傳熱,以及避免影響玻璃通透性,通常都要經過復雜和嚴格計算來綜合各種因素來進行設計。真空玻璃的結構如圖1所示。

圖1真空玻璃結構示意圖

  廣大用戶選用真空玻璃的原因主要是看中了其優異的保溫隔熱性能,可以大幅度的降低用于建筑物采暖(詞條“采暖”由行業大百科提供)和制冷的能耗。在實際工程應用中,不少用戶關心真空玻璃的安全性問題。關于真空玻璃的“安全性”這一概念,可以從兩個方面來介紹:一是真空玻璃自身強度;二是各種標準和規范對真空玻璃的實際應用提出的具體的限定指標。真空玻璃產品經過多年的研究和改進,不僅不斷的提升自身強度指標,同時也在適應各種標準和規范的要求,不斷完善產品結構,進一步提升產品的安全性。

  二、真空玻璃自身強度對產品安全性的影響

  1.表面應力和碎片狀態

  影響真空玻璃自身強度最主要的因素是玻璃的表面壓應力,產品的表面壓應力越大,其強度越高,越不易破碎。一旦玻璃意外發生破碎,表面壓應力越大的玻璃其碎片的尺寸越小,對人身安全來說,越小的玻璃碎片越安全。因此提高真空玻璃安全性最直接的辦法就是想辦法提高產品表面應力。

  最初的真空玻璃產品是采用未鋼化的平板玻璃加工,產品強度低,安全性差,現已基本淘汰。目前行業內眾多真空玻璃生產廠商都在使用鋼化玻璃來生產真空玻璃,并且結合各種低溫封接技術,使最終真空玻璃成品的表面應力不斷提高。現在已經可以規模化生產表面應力高于90MPa的真空玻璃產品,破碎后任意50mm×50mm區域內碎片數量均不小于40個,完全符合國標《建筑安全玻璃第二部分鋼化玻璃》GB15763.2的要求,破碎后的狀態與鋼化玻璃相同。因此,這樣的真空玻璃習慣上被稱為“鋼化真空玻璃”,是目前市場上強度和安全系數最高的真空玻璃產品,如圖2所示。

圖2 鋼化真空玻璃碎片狀態

  鋼化玻璃是通過使平板玻璃在應變點以上快速冷卻的方法使表面形成壓應力層,從而提高強度。但玻璃自身結構的缺陷,如硫化鎳粒子、結石等會導致鋼化玻璃自爆。目前行業內普遍認為鋼化玻璃的自爆率不超過0.3%。如將鋼化玻璃進行均質處理,其自爆率會進一步降低。

  真空玻璃的加工工藝有一個特點,在其邊部封接材料熔封過程中,通常要將玻璃加熱(詞條“加熱”由行業大百科提供)到300℃以上,并保持較長的一段時間,這與鋼化玻璃均質過程相似,因而鋼化真空玻璃成品自爆率經過這一工藝過程得到了有效的控制,進一步提高了使用安全性。

  2、支撐物矩陣設計

  另一個影響真空玻璃強度的因素是支撐物矩陣的設計。真空玻璃中間層的支撐物起到平衡玻璃片內外大氣壓差的作用,如圖3所示。大氣壓對真空玻璃外表面施加了一個均布載荷,在真空層內要由支撐物對玻璃內表面施加的支撐力來平衡。玻璃基片與支撐物的相互作用使真空玻璃產生以下3個主要的應力:(1)玻璃基片的彎曲應力,在支撐位置玻璃外表面和支撐物連線中點玻璃內表面產生極值;(2)支撐物壓應力;(3)支撐物與玻璃的接觸應力。圖4所示為偏光鏡下真空玻璃支撐物矩陣的應力斑(詞條“應力斑”由行業大百科提供),也稱為真空星。

  為保證支撐物矩陣不會影響玻璃采光和視覺效果,通常都將支撐物設計的比較小,并且希望支撐間距盡量增大。通過合理布置支撐物間距和設計支撐物的外形尺寸,能保證上述3個應力在材料允許的范圍內,同時得到真空玻璃最低的導熱系數。因而,真空玻璃支撐物的形狀、端面面積和矩陣排列的間距都需要經過嚴格的理論計算來進行設計,使真空玻璃在使用過程中的安全性得到有效的保障。

圖3真空玻璃構造及大氣壓作用下應力分布示意圖

圖4真空玻璃支撐物矩陣應力斑

  參考《建筑玻璃應用技術規程JGJ113-2015對平板玻璃長期荷載作用下安全強度設計值的具體規定,以直徑為0.6mm的環形金屬支撐物為例,假設支撐物表面處理為理想狀態,即光滑無毛刺棱角,經過模型分析和模擬計算,真空玻璃允許的最大支撐物間距可參考表1數據。該結果經過試驗驗證與實際使用情況符合度非常高。

表1 真空玻璃基片厚度允許的最大支撐距離

  由此可見,為了同時兼顧保溫性能和使用安全性,真空玻璃的支撐物設計和間距的選擇應該參考表1提供的參考數據,在合理的范圍內選擇,讓廣大用戶放心。

  3、封邊可靠性(詞條“可靠性”由行業大百科提供)

  真空玻璃是通過焊料(通常是低溫玻璃焊料)沿著四周將兩片平板玻璃密封在一起,封邊寬度通常在10-16mm之間。真空玻璃在實際應用中,尤其是在隱框幕墻的應用中,由于受到外力、玻璃本身自重以及溫差等多重作用,低熔點封邊玻璃焊料在滿足密封功能之外,還需要滿足一定的力學性能要求。

  目前,各真空玻璃生產廠家所使用的封邊焊料都不盡相同,并且有各自獨特的加工工藝,難以逐一列舉計算。本節選用北京新立基真空玻璃技術有限公司所使用的低熔點玻璃焊料為例,通過實測數據和理論計算,分析真空玻璃在實際使用中受到自重、溫差以及風載荷作用下的邊部應力狀態和大小,來說明真空玻璃封邊的可靠性問題。

  對玻璃焊料的基本性能進行三點彎曲強度(詞條“彎曲強度”由行業大百科提供)試驗、封接界面的拉伸剪切強度測試。低熔點玻璃焊料的彎曲強度按《玻璃材料彎曲強度試驗方法》JC/T676-1997標準執行,真空玻璃封接界面拉伸和剪切強度按《ISO13124 Fine ceramics ( advanced ceramics, advanced technical ceramics )-test method for interfacial bond strength of ceramic materials》標準執行。測試結果如表2所示。

表2 低熔點玻璃焊料強度測試結果

  首先考慮玻璃自重對封邊的影響。豎直放置的復合真空玻璃中的一片或幾片玻璃自重全部由邊緣封接部位承擔,受到剪切應力作用。例如玻璃結構為T6+夾膠+T6+V+T6+9A+T6的復合真空結構,玻璃尺寸為2.8m×1.8m,封邊寬度10mm,真空玻璃封接部位承受共12mm厚度的玻璃自重影響,經過計算其剪切強度為0.0161MPa。從表2中得到低熔點玻璃焊料封接界面的剪切強度為3.45MPa,按持久應力作用取安全系數為6,則設計強度為0.575Mpa,遠高于上述舉例中真空玻璃封接部位實際承受的剪切強度。因此,真空玻璃邊緣封接強度能夠承受玻璃自重的作用。

  其次考慮溫差作用下真空玻璃邊緣封接的可靠性。當真空玻璃內外片溫度不同時,因真空玻璃內外片膨脹程度不同,可造成邊緣封接部位產生剪切應力。通過模型計算結果顯示,溫差引起的對玻璃焊料的剪切應力只與溫差和玻璃基片的厚度有關,與真空玻璃長寬尺寸無關。表3為通過計算得到的不同厚度真真空玻璃基片和不同溫差下封接部位剪切應力數值。

表3不同厚度真空玻璃基片和不同溫差下封接部位剪應力

  由計算結果可以看出,由溫差產生的封接部位剪切應力遠小于封邊玻璃實際測試的剪應強度(3.45MPa),因此,溫差對封邊玻璃的影響可以忽略不計。

  最后考慮風載荷作用下真空玻璃邊緣封接可靠性。假設真空玻璃邊部處于自由狀態,不受邊框約束,這時風壓下真空玻璃邊部會發生彎曲,最大應力產生在最大彎矩處,即邊部中心位置。按照前面復合結構真空玻璃的例子,長邊2.8m為自由邊,通過理論計算得到焊料承受的最大彎曲應力為2.99MPa。表2實際測量得到的低熔點玻璃焊料彎曲應力為33.16MPa,按短期載荷作用,取安全系數為3,則設計強度為11.05MPa。可見,實例中的真空玻璃在該設計風壓作用下封邊焊料是安全可靠的。而實際上真空玻璃裝配在幕墻或后,由于邊部有框架密封膠的支撐作用,在風壓作用下實際彎矩遠小于完全自由狀態。根據權威部門實際風壓測試結果顯示,該真空玻璃結構邊緣封接部位實際承受國家最高級別5000Pa風壓測試,仍保持結構和功能完好。

  三、標準和規范中對真空玻璃應用中安全性的規定

  為保證真空玻璃在實際應用中的安全性和防護性,除了需要滿足前面介紹的有關真空玻璃自身強度的各種設計指標以外,還應滿足各種工程應用技術規范的要求,使真空玻璃產品結構設計乃至運輸、安裝和使用等各個方面都有理有據,使廣大客戶可以放心使用。

  通過對中國地區幕墻用玻璃的各種規范和工程應用指南的調研和匯總,可以得到對幕墻用真空玻璃的總體性要求:幕墻(全波幕墻除外)必須使用安全玻璃(鋼化玻璃、夾層玻璃(詞條“夾層玻璃”由行業大百科提供)及由鋼化玻璃或夾層玻璃組合加工而成的其他玻璃制品);玻璃幕墻采用夾層玻璃時,宜采用干法加工合成;框支承玻璃幕墻,單片玻璃的厚度不應小于6mm,離子性中間層夾層玻璃的單片厚度不應小于4mm、PVB夾層玻璃的單片厚度不應小于5mm;夾層玻璃、中空玻璃的單片玻璃厚度相差不宜大于3mm。針對上述通用性要求,建議幕墻用真空玻璃采用以下三種結構:

  中空+真空+夾膠

  中空+真空+中空

  夾膠+真空+夾膠

  除此之外,《建筑安全玻璃管理規定》要求,除幕墻(全波幕墻除外)必須使用安全玻璃外,以下位置也需要使用安全玻璃:7層及7層以上建筑物外開窗;面積大于1.5m2的窗玻璃,或玻璃底邊離最終裝修面小于500mm的落地窗;公共建筑物的出入口、門廳等部位。因而真空玻璃在上述場所的使用也建議采用復合結構。

  根據規定,除上述特殊位置之外的窗玻璃可以單獨使用真空玻璃,尤其是強度高安全性好的鋼化真空玻璃。考慮到為了滿足型材設計需要,可以在單真空玻璃的基礎上適當復合一層單真空或單夾膠的結構,都是值得推薦的配置。

  真空玻璃由于腔體內的真空度可以達到1.0×10-2Pa,因此在平放使用時,不會因為氣體傳導而造成傳熱增大,采光頂也是真空玻璃的重要應用方面。由于采光頂用玻璃需要承受水平自重、人員踩踏以及雨雪載荷等,因此國內對這個領域的建筑玻璃應用有具體而明確的規定,主要內容匯總如下:

  1) 采光頂玻璃應為安全玻璃。屋面距離地方高度大于3m時,必須采用夾膠玻璃;上人采光頂用玻璃必須采用夾層玻璃;

  2) 采光頂玻璃單片不宜小于6mm,夾膠玻璃單片不宜小于5mm,其中上人屋面單片玻璃厚度不宜小于8mm,且夾層膠片厚度不應小于0.76mm,夾層玻璃的兩片玻璃厚度相差不宜大于2mm;

  3) 采光頂玻璃面板簡支矩形最大相對撓度為短邊/60;

  4) 玻璃面板(詞條“面板”由行業大百科提供)面積不宜大于2.5㎡,長邊邊長不宜大于2m;

  針對上述規定,建議沒有節能要求的采光頂采用夾膠復合真空結構,如雙面夾膠真空玻璃6mm+1.14夾膠+5mm+V+5mm+1.14夾膠+6mm(所有玻璃為鋼化玻璃);有節能要求的采用夾膠+中空復合真空的結構,如6mm+1.14夾膠+5mm+V+5mm+12A+6mm(所有玻璃為鋼化玻璃)。

  最后《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113-2015對真空玻璃的最大許用面積進行了規定,具體細則如表4所示。

  如上表所示,該規程規定厚度為5mm+V+5mm的真空玻璃(公稱厚度為10mm),在建筑上應用時最大面積不可以超過2.7㎡,這也是從安全性方面考慮對真空玻璃的實際使用提出了限定指標。值得注意的是,該標準制定是依據非鋼化真空玻璃的強度制定的。如今隨著低溫封接技術的進步,真空玻璃的表面應力得到不斷的提升,目前已經可以做到90MPa以上,強度得到極大的提升,因此理論上來說超過上述要求需用面積的真空玻璃產品,如果應用在建筑上的,其安全性也是有保障的。

  四、結束語

  綜上所述,行業內經各研究單位和真空玻璃生產企業過多年的技術積累和研究,在扎實充分的理論分析和計算的基礎上,真空玻璃的自身強度不斷得到提升,完全可以滿足實際應用中最惡劣工況下的安全性需要。并且基于對各項標準和規范的總結和研究,真空玻璃的設計和工程應用也能得到理論支撐和技術指導,進一步的保障了真空玻璃產品實際應用的安全性,使廣大客戶用得放心。相信在行業內各級領導的關懷下,在各方同仁的共同努力下,只要我們在科研到生產再到工程應用的所有環節中尊重科學,遵守法規和規范,一定能走出一條真空玻璃健康發展的康莊大道。

  參考文獻

  唐鍵正. 真空玻璃產業化及發展前景[J]. 玻璃, 2008, 203(8): 26–36.TANG Jianzheng. J Glass (in Chinese), 2008, 203(8): 26–36

  《建筑真空玻璃承載性能及強度設計》劉小根,包亦望,中南大學學報(自然科學版),第42卷第2期2011年2月

  《安全型真空玻璃構件功能一體化優化設計》劉小根,包亦望,硅酸鹽學報,第38卷第7期2010年7月

  《支撐物缺位對真空玻璃應力和變形影響分析》劉小根,孫景春,門窗,2016年4月

  《真空玻璃邊緣封接強度即可靠性分析》許海鳳,劉小根,材料科學與工程學報,2012年2月

  [*]十三五項目“高性能全鋼化真空玻璃開發及連續線改造與生產示范”(2016YFC0700804-2)

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專家介紹

 劉忠偉

鋁門窗幕墻委員會專家組

工作單位:北京中新方建筑科技研究中心

技術職稱:教授級高級工程師,工學博士

專業:1.建筑幕墻設計與計算。 2.建筑幕墻應用技術咨詢;《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113主編。

專長:建筑玻璃應用科學與技術、建筑物理、建筑節能、建筑幕墻、門窗等專業的設計與研究。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2019-8-21/46322-1.htm
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