第2章 玻璃面板

　　第2章 玻璃面板第2章 玻璃面板 玻璃的化学成分是无机无定形氧化硅。无定形状态是指既非固体又非液体的玻璃质状态。最常用的玻璃是碱钙硅酸盐玻璃。纯玻璃的主要成分是硅沙晶。玻璃具有弹性、脆性和粘弹性的特征，其力学性能在一个较小的温度区间变化非常剧烈。 §2.1 玻璃的制作工艺 早期工艺：浇铸、吹和旋转。 近代工艺：拉制。 现代工艺：浮法线世纪初，随着比利时和美国拉制玻璃技术的发展，出现了高质量的玻璃薄板。融化的玻璃穿过辊筒垂直下落然后冷化。这一工艺在1913年以生产宽度为2.3m的标准产品而投入商业应用。通过不同...

　　第2章 玻璃面板 玻璃的化学成分是无机无定形氧化硅。无定形状态是指既非固体又非液体的玻璃质状态。最常用的玻璃是碱钙硅酸盐玻璃。纯玻璃的主要成分是硅沙晶。玻璃具有弹性、脆性和粘弹性的特征，其力学性能在一个较小的温度区间变化非常剧烈。 §2.1 玻璃的制作工艺 早期工艺：浇铸、吹和旋转。 近代工艺：拉制。 现代工艺：浮法线世纪初，随着比利时和美国拉制玻璃技术的发展，出现了高质量的玻璃薄板。融化的玻璃穿过辊筒垂直下落然后冷化。这一工艺在1913年以生产宽度为2.3m的

　　产品而投入商业应用。通过不同的拉制速度可以生产不同厚度的玻璃板材。在相当长的一个时间内,拉制工艺是全世界制作玻璃板材的主要方法。 自1960年以来浮法玻璃大量地替代了玻璃平板和薄板。浮法玻璃工艺由皮尔金顿发明和发展，为玻璃制造技术带来了根本性的突破。浮法玻璃的生产线包括配料车间和浮法线浮法玻璃加工工艺 在配料车间，原材料根据不同配方被混合和储存。标准纯浮法玻璃的原材料含硅沙晶（72%）、氧化钙、碱、碳酸钾、氧化镁、氧化铁、白云石、氧化铝和20％～20%的回收碎玻璃。 浮法线m，包含的主要部分为：熔化罐、浮法池、退火韧化炉以及自动切割和仓储。熔化罐可放置多达2100t的玻璃，在罐上通过两侧加油或气点燃熔炉。玻璃溶液被加热至1500 oC或1600 oC。流下罐的玻璃通过在玻璃溶液上吹过的冷空气冷却至1100C o。在罐底溶液流进浮法池。浮法池含有约1800t的熔化锡。锡的优点是其熔点低。由于锡的高密度，玻璃在其上以带状流动。玻璃在锡上的稳定厚度一般在6mm～7mm之间。通过辊筒将玻璃带快速倒下，可以得到较薄的玻璃板材；通过挡板限制横向的自由流动，可以得到较厚的玻璃板材。常用玻璃制品的厚度是4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm和19mm，也有24mm厚的。生产线的连续性保证了玻璃带流下浮法池具有11m/min的速度。玻璃带的宽度通常为3500mm，并被切至3210mm。在浮法池的底端，玻璃温度约为600oC。没有故障时不可中断生产流程。一个浮法工厂可以不需革新和维修地连续运转数年。浮法工厂的玻璃日产量可达600～800t。 退火韧化炉是一个密封箱。在玻璃工业里退火这一专用名词一般用于定义控制逐渐加热和逐渐冷却的最后工艺。因此，浮法玻璃也称退火玻璃。在退火韧化炉里，在玻璃带的纵横两个方向严格控制的温度环境下，玻璃在辊筒上传输。为了释放玻璃中的应力，玻璃带还要经过特殊的热处理。当玻璃送出退火韧化炉时，玻璃的温度被冷却到100 oC。 自动切割和仓储：玻璃从退火韧化炉内出现后经过一个检查点，被自动切割为具有标准长度6m的3210mm×6000mm的板材，更长的玻璃可定制。玻璃板料被捡起并堆放到仓储间的一侧。 §2.2 玻璃的耐腐蚀性 玻璃的化学成分如表2-1所示[1][2]： 表2-1                            玻璃的化学成分 项目 含量(%) 二氧化硅（SiO2） 69～74 氧化钙（CaO） 5～12 氧化钠（Na2O） 12～16 氧化镁（MgO） 0～6 氧化铝（Al2O3） 0～3     碱钙硅酸盐玻璃通常具有较好的抵抗酸和碱溶液的性能。玻璃表面也具有足够的硬度。但是，玻璃的硬度只有5～6 Mohs单位,在清洗玻璃时如果不足够小心的话，尖锐的硬物甚至水中的微小沙粒都有可能在玻璃表面产生刮痕。如果一个水膜长时间地附着在玻璃表面就会形成浸析。硅和水中氧的结合物会强于玻璃网格空隙中的钠、钙和镁等离子成分，这意味着这些离子很快就会与水形成溶液。在水膜中的极少量水中，出现浓缩碱并侵蚀剩余的酸网格，从而导致玻璃表面的腐蚀。在玻璃窗户和立面上通常不会产生这样一种侵蚀，除非在水平面上无法排水。水泥矿物质、湿混凝土或强碱清洁剂也会导致玻璃的浸析。 §2.3 玻璃的表面结构和断裂特性 由于建筑结构会承受不同的荷载，可以预期玻璃表面会因不同的机械原因（如刮擦、清洗、风蚀等）而损伤（图2-2）。此外，机械和化学处理，如切割、打磨、喷沙、酸蚀、涂层或印花等，会影响玻璃的表面结构和强度。更严重的内在损伤是玻璃边缘特别是钻孔周边引起的，这样的损伤很难通过抛光处理予以消除，因为抛光很难消除较深的裂纹。 玻璃的实际强度可以通过给玻璃施加保护层来改善。应用这样一个概念，在一定条件下可以给夹层或中空玻璃的内表面分配较高的最大应力。但是，必须同时注意到玻璃边缘的强度通常在

　　中是起控制作用的。 图2-2 玻璃的表面结构 玻璃的原子粘结性很强，具有原始微观结构和完备表面的玻璃具有极高的理论机械强度。然而，玻璃体内微观结构的破坏以及玻璃表面的毛孔和刮痕会产生格里菲思微裂纹（图2-3）。当作用有外荷载时，裂纹尖端会产生极高的应力峰值。与其他材料相比，这样的应力峰值不会因塑性变形而减少。因为表面裂纹在玻璃表面或钻孔周围是不可避免的，所以玻璃的实际破坏强度要远远低于其理论强度[1][2]。 图2-3 玻璃表面裂纹 当应力峰值达到“临界（拉）应力”时，裂纹在槽口尖端开始扩展。某些情况下，裂纹以小的增量扩展，增量之间会停顿。断裂力学中，这样的缓慢或“稳定”的裂纹扩展被称为亚临界扩展，本质上取决于荷载持续时间。短期荷载下的容许应力高于长期荷载下的值。裂纹尖端的化学反应会影响亚临界的裂纹扩展，例如，周围环境的潮湿会加速裂纹的扩展，但是有时也能观察到裂纹闭合。 一旦超过临界裂纹扩展速度，裂纹就会失稳，即裂纹宽度迅速增加，这会导致玻璃单元的突然断裂。 当亚临界裂纹扩展在长期荷载下增加以及在裂纹尖端发生相应的化学反应时，必须将使用多年的玻璃单元的实际最大容许应力降低到根据短期荷载试验所得值之下。玻璃强度和裂纹深度及荷载作用时间的关系见图2-4所示。 图2-4 玻璃强度与裂纹深度及荷载作用时间的关系 §2.4 玻璃的强度和应力应变曲线 玻璃的强度很大程度上取决于玻璃表面的完备性。玻璃表面许多随机微观裂纹和宏观裂缝的存在使玻璃的实际抗拉强度值要远远低于其机械强度理论值。由于玻璃没有明显的塑性发展能力，裂缝扩展会导致没有预兆的突然的脆性断裂。因为玻璃尺寸越大其表面存在缺陷的几率越高，小片玻璃的测试强度高于大片玻璃，这就导致了玻璃强度值的高度离散性。因为玻璃裂纹在长期荷载作用下会扩展直至玻璃破坏，玻璃的强度还与荷载作用时间的长短有关。 玻璃结构工程所采用的玻璃强度的典型值是[2]： 退火玻璃：45MPa； 钢化玻璃：120MPa； 半钢化玻璃：70 MPa。 退火玻璃45MPa的强度值对应于10秒钟的短期荷载作用，而在50天的荷载作用下其强度降低至25MPa，即降低到55%。因为钢化玻璃和半钢化玻璃的表面存在预压应力，所以荷载作用时间对其强度没有明显影响。 刚从生产线下线的玻璃的强度分布也很广，但高于玻璃强度的平均值。玻璃安装后及在其使用期间，玻璃表面的损伤会累积，其临界裂纹的形成概率会提高。因此，同刚刚下线的玻璃相比，带损伤的玻璃具有较低的平均强度，但相对较窄的概率分布。见图2-5。 图2-5 玻璃强度统计曲线                                玻璃的材料参数 项目 数值 玻璃 钢材 铝合金 自重(kN/m3) 25 78.5 27.0 弹性模量(MPa) 70000 206000 65800 剪切模量(MPa) 28000 80000 27000 泊松比 0.23 0.26 0.3 抗拉强度(退火玻璃) (MPa) 45 235～345 160～265 抗压强度(MPa) 800 235～345 160～265 硬度(Mohs scale) 5～6 179(HB) 95(HB) 熔点(oC) 600 1450～1430 658 热膨胀系数(K-1) 9×10-6 12×10-6 24×10-6         玻璃的应力－应变曲线及其与钢材和钢筋混凝土材料的比较见图2-6所示： 图2-6 玻璃的应力－应变曲线及其与其他材料的比较 玻璃的强度设计值按表2-3取用： 表2-3                        玻璃的强度设计值fg（N/mm2） 种类 厚度（mm） 大面 侧面 普通玻璃 5 28.0 19.5 浮法玻璃 5～12 28.0 19.5 12～19 24.0 17.0 ≥20 20.0 14.0 钢化玻璃 5～12 84.0 58.8 12～19 72.0 50.4 ≥20 59.0 41.3 注；1 夹层玻璃和中空玻璃的强度设计值可按所采用的玻璃类型确定； 2 当钢化玻璃的强度标准值达不到浮法玻璃强度标准值的3倍时，表中数值应根据实测结果予以调整； 3 半钢化玻璃强度设计值可取浮法玻璃强度设计值的2倍。当半钢化玻璃的强度标准值达不到浮法玻璃强度标准值的2倍时，其设计值应根据实测结果予以调整； 4 侧面指玻璃切割后的断面，其宽度为玻璃厚度。         §2.5 玻璃类型 按玻璃的结构使用功能,玻璃可划分为退火玻璃、钢化玻璃、半钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃等[2]。 §2.5.1 退火玻璃 按浮法玻璃加工工艺生产的退火玻璃是目前应用最为广泛的玻璃类型，具有表2-2所示的材料参数。工业化的生产流程可以制作大量具有理想平面的厚度在2～19mm的高质量、高清晰度的玻璃。在加工过程中可以对退火玻璃着色制造有色玻璃，或去色制造白色玻璃。退火玻璃的热疲劳抗力约为30oC（最大40oC），即：如果在玻璃的两个表面存在这一温差，玻璃将碎裂。退火玻璃的碎裂图样如图2-7所示。 图2-7 退火玻璃的碎裂后状态 §2.5.2 钢化玻璃 回火钢化工艺的主要目的是将预压应力导入玻璃表面，以提高玻璃抵抗外部效应的强度。钢化玻璃也称为预应力玻璃。热回火是最常用的钢化方法。将玻璃加热到大约650oC，然后通过空气喷射以淬火使玻璃表面比其内部更快地冷却。在玻璃表面冷却后，内部继续冷却收缩使表面产生压应力，而内部产生拉应力以与表面压应力相平衡。最终，沿玻璃厚度方向产生了二次函数形的应力分布，如图3-8所示。 图2-8 钢化玻璃中的预应力分布 经过热处理的钢化玻璃的机械性能得到了明显提高。它对均匀荷载、热应力和大多数冲击荷载的效应，大约是退火玻璃的4倍。6mm厚钢化玻璃的抗冲击强度为8.13Pa，而普通平板玻璃的抗冲击强度仅为2.35Pa。钢化玻璃的抗弯强度比普通平板玻璃大4～5倍。钢化玻璃的厚度最大可加工至19mm。一旦玻璃中有裂纹扩展到受拉区，因玻璃所固有的应变能的迅速释放，整面钢化玻璃会立即碎裂。玻璃的破坏会形成许多碎小玻璃粒，如图3-9所示。所以，同玻璃裂成尖锐片相比，钢化玻璃造成人员伤害的几率会大大降低。正因为如此，在我国钢化玻璃也称安全玻璃。 图2-9 钢化玻璃典型的碎裂后状态 钢化玻璃不能被切割，因此板材的切割和钻孔必须在回火钢化工艺前完成。在回火钢化后，玻璃必须经历一个热浸试验。玻璃被加热到290 oC后，在此温度下放置数小时以检查硫化镍（NiS）分子的存在，硫化镍能够导致玻璃在暴露于高温下的裂爆，即通常所谓的“自爆”。

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