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给建筑玻璃幕墙“体检” 让风险可以预测

 
 
给建筑玻璃幕墙“体检” 让风险可以预测  
 

■本报通讯员 王艳萍

给建筑玻璃幕墙“体检” 让风险可以预测

项目第一完成人包亦望教授作为项目获奖代表参加颁奖大会。

随着我国建筑玻璃幕墙的广泛应用,建筑玻璃自爆与坠落导致的安全事故和问题日益凸显。事故频发引起了各级政府部门的高度重视,以往大多是事后统计已有的破损,无法预测既有建筑玻璃潜在风险。

钢化玻璃自爆,俗称“玻璃癌症”,是既有玻璃服役安全中最普遍但又最难以检测、“无法治疗”的国际性难题。针对建筑玻璃服役安全评价的瓶颈问题,中国建材集团旗下中国建材总院所属国检集团首席科学家包亦望敢为天下先,以提升其服役安全和风险预测为目标,突破了国内外建筑玻璃行业百年难题。他主持完成的项目“建筑玻璃服役风险检测和可靠性评价关键技术与设备及应用”荣获2017年国家科学技术进步奖二等奖。

科技创新,让风险可以预测

包亦望根据玻璃的本征脆性和“宁碎不屈”的特点,认为要解决这种风险预测问题,首先要搞清楚自爆机理和影响因素。包亦望团队的研究,最初是从寻找硫化镍开始的。

玻璃里的硫化镍杂质直径只有0.1~0.3毫米左右,肉眼基本看不见,用放大镜或扫描仪检查微小杂质极为困难,现场检测更加困难。为了确定杂质缺陷的性质,团队首先收集大量的钢化玻璃自爆后的残片,并取出自爆源的部分玻璃进行断口分析,每一个自爆源断口都能找出一个微小的杂质。在对大量的杂质进行成分分析后,包亦望团队发现,除了大家熟知的硫化镍,还有从未被发现过的单质硅、氧化铝等杂质颗粒。这些并不会发生相变的杂质颗粒由于膨胀系数与玻璃不一致,在升温或降温过程中也会引起杂质颗粒与玻璃之间的挤压,这种挤压达到一定程度就会导致玻璃局部应力超过玻璃局部强度而破裂,从而发生自爆。因此,钢化玻璃的自爆是由硫化镍、单质硅等杂质挤压周边玻璃并产生应力集中而导致的一种脆性材料力学和断裂力学的现象。从力学的角度来分析和解决问题,这是固体力学专业出身的包亦望的强项。

利用材料力学基础和脆性材料临界破坏的强度模型,包亦望建立了钢化玻璃自爆的破坏准则和自爆条件,证明了钢化玻璃自爆不仅仅是因为微小颗粒杂质,还因为小颗粒杂质刚好位于钢化玻璃的拉应力区。如果杂质的膨胀系数比玻璃大,它将在升温过程挤压玻璃,反之,在降温过程产生界面挤压。显然这些挤压都会引起应力集中而导致钢化玻璃自爆。

虽然用光学或肉眼检测微小杂质极为困难,但是查找透明材料里面的应力集中却是一件容易的事。包亦望团队的研究思路因此发生了根本改变,从查找高层建筑玻璃自爆源杂质到检测自爆源杂质引起的应力集中,通过揭示钢化玻璃内部杂质颗粒与周边应力场分布的关联性,发现自爆的根本原因在于玻璃内部拉应力区内的应力集中。

包亦望团队通过分析钢化玻璃内部杂质颗粒种类、形貌、尺寸、分布位置对应力集中的影响,获得了钢化玻璃自爆风险等级的影响系数及划分标准,提出自爆准则,并开发了钢化玻璃自爆源自动检测方法,研制了国内外首台透射式和反射式光弹扫描仪。该技术被制定为国家标准GB/T 30020,成为评估钢化玻璃自爆风险的关键手段。技术还可推广至玻璃生产线或幕墙安装前的钢化玻璃自爆源排查,为建筑玻璃及玻璃制品的安全使用提供了科学、系统的评价理论及无损在线检测方法。

包亦望团队还发明了“动态相对法”预测建筑玻璃坠落风险及评估标准;开发了幕墙玻璃坠落风险检测仪,自动识别幕墙坠落风险等级,数据无线传输,创新技术还具有普适性,也可推广到陶瓷幕墙和石材幕墙等外围构件的服役安全检测;研制出一种可用于检测高空建筑幕墙的机器人装备——玻璃幕墙安全检测智能机器人,解决了高层建筑玻璃幕墙检测人员高空作业风险难题,实现了玻璃幕墙安全智能化、自动化检测,破解了以往“蜘蛛人”高空对幕墙检测的危险难题。

建筑玻璃应用中另一个突出的问题是服役中空玻璃密封失效而导致建筑不节能并容易造成外片玻璃脱落,建筑玻璃从高层建筑上脱落到地面是比自爆更加危险的一种灾害。我国中空玻璃产量和使用量全球第一,中空玻璃的产品质量及其服役性能检测至关重要。该团队研发了无冷媒中空玻璃结露试验仪等系列10个类别的耐久性检测设备,建立了耐久性评价技术体系,率先建成了世界上最大的、可年检1800个中空玻璃单元体耐久性检测服务平台,获得美国中空玻璃认证委员会和北美中空玻璃协会的国际认可和验证,填补了国内空白。

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