【門窗幕墻網】城市既有建筑玻璃風險的排雷兵——記中國建材總院、國檢集團國家科技進步二等獎研發團隊
　　
　　中國建筑玻璃與工業玻璃協會的數據顯示，我國建筑玻璃產量和用量在全球均超過50%以上，是世界上建筑玻璃的生產和使用國；門窗幕墻玻璃80%以上是鋼化玻璃和中空玻璃，既有玻璃幕墻面積超過10億平方米，每年新增量約7000萬平方米。玻璃方便了人們的生活，提升了城市的“顏值”，但另一方面，由于玻璃的本征脆性和鋼化玻璃內應力的特點，建筑鋼化玻璃自爆與墜落導致的安全事故和問題日益凸顯。近些年，因幕墻玻璃自爆或脫落造成的損物、傷人事件頻發，每年發生的安全事故上萬起，被稱為城市上空的不定時炸彈。如何排除這種風險一直是國內外的難題，成為城市公共安全的隱患問題，引發社會與政府高度關注。研究建筑玻璃服役安全和可靠性評價、檢測技術及相關設備顯得緊迫而重要。
　　
　　在2018年1月8日舉行的國家科學技術獎勵大會上，解決這一難題的“建筑玻璃服役風險檢測和可靠性評價關鍵技術與設備及應用”項目榮獲國家科技進步二等獎。該項目由中國建材總院和國檢集團共同承擔。
　　
　　突破建筑玻璃“癌癥”無法診斷的禁區
　　
　　鋼化玻璃自爆，俗稱“玻璃癌癥”，是建筑玻璃服役安全中普遍的問題，同時也是困擾行業的百年難題，無法避免又難以診斷。
　　
　　中國建材總院所屬國檢集團首席科學家包亦望告訴筆者，以往的解決方案通常是在生產鋼化玻璃時采用優質浮法玻璃原片，或者進行高溫均質處理，其特點是可降低自爆率，但無法完全杜絕。缺點是高溫均質處理成本較高、導致鋼化玻璃強度下降，不適用于服役中的建筑玻璃。對于高層既有建筑鋼化玻璃自爆風險評估難題，在本項目實施前，國內外長期處于無技術、無設備和無標準的狀況。大多只能采用事后統計和經驗評估的方式，無法事先預測其潛在風險。作為中國的材料檢驗認證機構，國檢集團敢為天下先，積極尋求解決測試技術難點的方法。
　　
　　2005年，包亦望承擔了科技部國際合作項目“安全玻璃可靠性評價與無損在線測試”，重點針對鋼化玻璃自爆風險的預測技術這個國際性難題。自爆問題具有突發性和不可預知性，每當這種事故發生在高層建筑或臨街位置，往往容易導致災難性后果。要解決這種問題，首先要搞清楚自爆機理和影響因素。玻璃自爆原因，業內早已達成的共識是，玻璃內含有的硫化鎳雜質，在一定條件下發生從α-NiS到β-NiS的相變，導致體積膨脹。
　　
　　包亦望團隊的研究，是從尋找硫化鎳開始的。玻璃里的硫化鎳雜質直徑只有0.1—0.3毫米，肉眼基本看不見，用放大鏡或掃描儀檢查極為困難，現場檢測就更困難。為了確定雜質缺陷的性質，團隊首先收集大量的鋼化玻璃自爆殘片，并取出自爆源的部分玻璃進行斷口分析，每一個自爆源斷口都能找出一個微小的雜質。在對大量雜質進行成分分析后，包亦望團隊發現，除了大家熟知的硫化鎳，還有從未被發現過的單質硅、氧化鋁等雜質顆粒。這些并不會發生相變的雜質顆粒由于膨脹系數與玻璃不一致，在升溫或降溫過程中會引起雜質顆粒與玻璃之間的擠壓，當這種擠壓達到一定程度就會導致玻璃局部應力超過玻璃局部強度而發生破裂，繼而發生自爆。因此，鋼化玻璃的自爆是由硫化鎳、單質硅等雜質擠壓周邊玻璃并產生應力集中而導致的一種脆性材料力學和斷裂力學的現象。從力學角度來分析和解決問題，這是固體力學專業出身的包亦望的強項。
　　
　　利用材料力學基礎和脆性材料臨界破壞的強度模型，包亦望建立了鋼化玻璃自爆的破壞準則和自爆條件，證明了鋼化玻璃自爆不僅僅是因為微小顆粒雜質，還因為小顆粒雜質剛好位于鋼化玻璃的拉應力區。如果雜質的膨脹系數比玻璃大，它將在升溫過程擠壓玻璃，反之，在降溫過程產生界面擠壓。顯然這些擠壓都會引起應力集中而導致鋼化玻璃自爆。
　　
　　雖然用光學或肉眼檢測微小雜質極為困難，但是查找透明材料里面的應力集中卻是一件容易的事。包亦望團隊的研究思路發生了根本改變，從查找高層建筑玻璃自爆源雜質到檢測自爆源雜質引起的應力集中，通過揭示鋼化玻璃內部雜質顆粒與周邊應力場分布的關聯性，發現自爆的根本原因在于玻璃內部拉應力區內的應力集中。實際上，如果某個雜質沒有導致應力集中，它也就不會導致玻璃自爆。
　　
　　他們分析了鋼化玻璃內部雜質顆粒種類、形貌、尺寸、分布位置對應力集中的影響，獲得了鋼化玻璃自爆風險等級的影響系數及劃分標準，提出自爆準則，并開發了鋼化玻璃自爆源自動檢測方法，研制了國內外首臺透射式和反射式光彈掃描儀，該技術被制訂為國家標準GB/T30020，成為評估鋼化玻璃自爆風險的關鍵手段。
　　
　　既有幕墻鋼化玻璃通過光彈掃描法檢測后，被認為是可以“降低自爆率到萬分之三以下”。“這些技術具有普適性，不僅可用于既有建筑玻璃自爆風險的現場檢測，還可推廣至玻璃生產線或幕墻玻璃安裝前的玻璃自爆源排查，以及推廣至服役真空玻璃真空度衰減率檢測等?！卑嗤f。
　　
　　建筑玻璃墜落風險檢測有了新技術
　　
　　項目的另一大創新點是，發明了“動態相對法”預測建筑玻璃墜落風險及評估標準。建筑玻璃從高層建筑上脫落到地面是比自爆更加危險的一種災害。通常是隱框幕墻的結構膠失效而導致的脫落。在玻璃幕墻工程安全檢查中，國內外檢測機構一般采用拉拔法和紅外攝像技術評估幕墻結構膠的粘結牢固程度，但拉拔法易導致二次風險，紅外攝像結果難以定量。傳統目測或手推的簡單方法大多是采用事后統計和經驗評估，無法事先預測其潛在風險。
　　
　　針對上述建筑玻璃服役安全評價的瓶頸問題，在科技部專項項目和北京市科委重大公共安全項目的支持下，包亦望團隊以解決測試技術難題和提高建筑玻璃服役安全為目標，從機理研究—測試技術—設備開發—標準制訂—推廣應用，進行了十多年的系統研發，形成了既有建筑玻璃可靠性評價和風險預測以及建筑玻璃耐久性檢測的系列技術與設備，發明了“動態相對法”預測建筑玻璃墜落風險及評估標準。
　　
　　具體來說，對于相同尺寸和相同支撐條件下的建筑玻璃，其固有頻率都基本相同。當某塊玻璃支撐松動，其固有頻率必然會下降。測試每塊玻璃的固有頻率并排序，頻率越低風險越大；并給出了4個風險等級劃分的頻率閾值。此外，團隊開發了幕墻玻璃墜落風險檢測儀，自動識別幕墻墜落風險等級，數據無線傳輸。該項技術不僅可用于玻璃幕墻，也可推廣到陶瓷幕墻和石材幕墻等外圍構件的服役安全檢測。
　　
　　促進建筑節能與安全耐久一體化
　　
　　建筑玻璃應用中另一個突出的問題是，服役中空玻璃密封失效而導致建筑不節能并容易造成安全隱患。
　　
　　我國中空玻璃產量和使用量全球，作為建筑幕墻上應用為廣泛的節能玻璃，中空玻璃的性能和質量對幕墻的整體使用性能至關重要。由于受各種環境因素影響，加上中空玻璃本身質量問題，會導致其產生各種各樣的失效模式，直接影響中空玻璃的節能功效，甚至帶來嚴重的安全隱患。因此，中空玻璃的產品質量及其服役性能檢測至關重要。為實現我國中空玻璃的質量提升和安全應用，基于自主創新摸索和結合我國國情，在國檢集團玻璃檢測中心研發了無冷媒中空玻璃結露試驗儀等系列10個類別的耐久性檢測設備，建立了耐久性評價技術體系。率先建成了可年檢1800個中空玻璃單元體耐久性檢測服務平臺，可測試中空玻璃耐氣候、耐紫外、耐腐蝕老化等性能，獲得美國中空玻璃認證委員會和北美中空玻璃協會的國際認可和驗證，填補了國內空白。國內中空玻璃耐久性檢測市場占有率超過90%，引領并促進了我國中空玻璃產業的健康快速發展。對于服役中的中空玻璃，項目團隊揭示了其氣密性和受力變形之間的關系，即中空層漏氣之后受力和變形均集中在受力作用的那一片玻璃上，從而降低了中空玻璃承載性能，增大了受力較大的外片玻璃破裂或墜落的安全隱患。發明了“撓度比較法”現場評價中空玻璃密封性能是否失效的檢測技術，簡單來說，通過橡膠球頭對中空玻璃面板中心施加一個給定的集中載荷，同時利用玻璃厚度儀測量中空層厚度，并結合計算與分析軟件，來判別中空玻璃密封單元是否出現通透性漏氣，實現現場評價中空玻璃的安全性能。
　　
　　為玻璃服役強度“號脈”
　　
　　服役玻璃的強度是評價玻璃抵抗外力作用，保障玻璃構件安全可靠性的一個重要參數。包亦望團隊發明了類似中醫號脈診斷的“聲監控球壓法”，測試建筑玻璃表面的局部強度，判斷鋼化玻璃表面應力均勻性。研制了玻璃局部強度在線檢測儀，實現了非破壞性監控既有玻璃服役強度或承載性能退化。該技術解決了以下兩個問題：對正在工程服役的玻璃構件檢測和監控它的強度退化規律，進行服役可靠性評價；對建筑玻璃的質量和強度水平進行非破壞性檢驗，監測當前強度是否滿足使用安全性要求。該技術主要應用于建筑幕墻玻璃的局部強度在線測試和強度退化監測，不發生漏檢，還可應用于建筑玻璃的在線測試和可靠性保障試驗，如夾層玻璃和鋼化玻璃的強度水平無損檢測、航空、汽車玻璃、建筑玻璃產品的非破壞性質量檢驗和服役構件的強度退化監測。
　　
　　從災難事故難以預測到潛在事故可預測
　　
　　“項目實現的核心進步是從災難事故難以預測到潛在事故可以預測。”包亦望說，以上創新技術均屬于原始創新，從檢測技術研發，檢測設備研制，到多項成果轉化為國家、行業和地方標準，形成了建筑玻璃全生命周期風險管理和運維安全監管的全方位的無損、自動化、標準化成套檢測技術與設備，示范應用，并可推廣應用至汽車、光伏、家電用玻璃材料的質量檢測和性能評價，在服役建筑玻璃力學性能和安全可靠性評價領域實現了跨越式發展。
　　
　　重要的是，該成果具有很強的社會公益性?！八^公益性，所追求的不是考慮做一件事能掙多少錢，而是考慮不做這個事將造成什么樣的損失?！卑嗤J為，該成果的公益性體現在創新技術標準化，服務社會，服務世界，提升了城市公共安全，保障了建筑節能，為建筑玻璃安全服役和災難事故的預測提供了全新的技術手段。在實現重大社會效益的同時也能創造巨大的經濟效益。成果被鑒定專家評價為：創新性突出，填補了國內外空白，整體技術達到國際領先水平。成果獲授權發明專利10項，實用新型7項，發表SCI、EI收錄的學術論文40多篇。
　　
　　“通過項目的實施，我國實現了‘玻璃癌癥’檢測技術從無到有的突破，下一步還將繼續完善和應用推廣，這也是國檢集團在測試技術創新方面的又一個臺階?！卑嗤f。