【門窗幕墻網(wǎng)】1 前言

真空玻璃是新型玻璃深加工產(chǎn)品，是我國玻璃工業(yè)中為數(shù)不多的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的節(jié)能玻璃品種，它相 比較于傳統(tǒng)的中空玻璃具有傳熱系數(shù)低、抗結(jié)露因子級(jí)別高、隔聲性能高、壽命超長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)輕薄等優(yōu)勢(shì)。

真空玻璃是由兩層平板玻璃構(gòu)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(jì)，這是真空玻璃熱工性能優(yōu)異的機(jī)理。為了平衡真空玻璃內(nèi)外大氣壓差，必須在兩層玻璃之間設(shè)置“支撐物”方陣，類似房屋中的承重柱，同時(shí)“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(jīng)過復(fù)雜和嚴(yán)格計(jì)算來綜合各種因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。真空玻璃的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

廣大用戶選用真空玻璃的原因主要是看中了其優(yōu)異的保溫隔熱性能，可以大幅度地降低用于建筑物采暖和制冷的能耗。在實(shí)際工程應(yīng)用中，不少用戶關(guān)心真空玻璃的安全性問題。關(guān)于真空玻璃的“安全性”這一概念， 可以從兩個(gè)方面來介紹：一是真空玻璃自身強(qiáng)度；二是各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)真空玻璃的實(shí)際應(yīng)用提出的具體限定、指標(biāo)。真空玻璃產(chǎn)品經(jīng)過多年的研究和改進(jìn)，不僅不斷地提升自身強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)也在適應(yīng)各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，不斷完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的安全性。

圖 1 真空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖

2   真空玻璃自身強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)品安全性的影響

2.1 表面應(yīng)力和碎片狀態(tài)

影響真空玻璃自身強(qiáng)度最主要的因素是玻璃的表面壓應(yīng)力，產(chǎn)品的表面壓應(yīng)力越大，其強(qiáng)度越高，越不易破碎。一旦玻璃意外發(fā)生破碎，表面壓應(yīng)力越大的玻璃其碎片的尺寸越小，對(duì)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(chǎn)品表面應(yīng)力。

最初的真空玻璃產(chǎn)品是采用未鋼化的平板玻璃加工，產(chǎn)品強(qiáng)度低、安全性差，現(xiàn)已基本淘汰。目前行業(yè)內(nèi)眾多真空玻璃生產(chǎn)廠商都在使用鋼化玻璃來生產(chǎn)真空玻璃，并且結(jié)合各種低溫封接技術(shù)，使最終真空玻璃成品的表面應(yīng)力不斷提高。現(xiàn)在已經(jīng)可以規(guī)模化生產(chǎn)表面應(yīng)力高于90MPa的真空玻璃產(chǎn)品，破碎后任意50mm×50mm區(qū)域內(nèi)碎片數(shù)量均不小于40個(gè)，完全符合國標(biāo)《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(tài)與鋼化玻璃相同。因此，這樣的真空玻璃習(xí)慣上被稱為“鋼化真空玻璃”，是目前市場(chǎng)上強(qiáng)度和安全系數(shù)最高的真空玻璃產(chǎn)品，如圖2所示。

圖2 鋼化真空玻璃碎片狀態(tài)

鋼化玻璃是通過使平板玻璃在應(yīng)變點(diǎn)以上快速冷卻的方法使表面形成壓應(yīng)力層，從而提高強(qiáng)度。但玻璃自 身結(jié)構(gòu)的缺陷，如硫化鎳粒子、結(jié)石等會(huì)導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。目前，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為鋼化玻璃的自爆率不超過0.3％。如將鋼化玻璃進(jìn)行均質(zhì)處理，其自爆率會(huì)進(jìn)一步降低。

真空玻璃的加工工藝有一個(gè)特點(diǎn)，在其邊部封接材料熔封過程中，通常要將玻璃加熱到300℃以上，并保持較長(zhǎng)的一段時(shí)間，這與鋼化玻璃均質(zhì)過程相似，因而鋼化真空玻璃成品自爆率經(jīng)過這一工藝過程得到了有效控制，進(jìn)一步提高了使用安全性。

2.2 支撐物矩陣設(shè)計(jì)

另一個(gè)影響真空玻璃強(qiáng)度的因素是支撐物矩陣的設(shè)計(jì)。真空玻璃中間層的支撐物起到平衡玻璃片內(nèi)外大氣 壓差的作用，如圖 3 所示。大氣壓對(duì)真空玻璃外表面施加了一個(gè)均布載荷，在真空層內(nèi)要由支撐物對(duì)玻璃內(nèi)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(chǎn)生以下三個(gè)主要的應(yīng)力：（1）玻璃基片的彎曲應(yīng)力，在支撐位置玻璃外表面和支撐物連線中點(diǎn)玻璃內(nèi)表面產(chǎn)生極值；（2）支撐物壓應(yīng)力；（3）支撐物與玻璃的接觸應(yīng)力。圖4 所示為偏光鏡下真空玻璃支撐物矩陣的應(yīng)力斑，也稱為真空星。

為保證支撐物矩陣不會(huì)影響玻璃采光和視覺效果，通常都將支撐物設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)支撐物的外形尺寸，能保證上述三個(gè)應(yīng)力在材料允許的范圍內(nèi)，同時(shí)得到真空玻璃最低的導(dǎo)熱系數(shù)。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(jīng)過嚴(yán)格的理論計(jì)算來進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(gòu)造及大氣壓作用下應(yīng)力分布示意圖 

圖4 真空玻璃支撐物矩陣應(yīng)力斑

參考《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015 對(duì)平板玻璃長(zhǎng)期荷載作用下安全強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的具體規(guī)定，以直徑為0.6mm的環(huán)形金屬支撐物為例，假設(shè)支撐物表面處理為理想狀態(tài)，即光滑無毛刺棱角，經(jīng)過模型分析和模擬計(jì)算，真空玻璃允許的最大支撐物間距可參考表1數(shù)據(jù)。該結(jié)果經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證與實(shí)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(shí)兼顧保溫性能和使用安全性，真空玻璃的支撐物設(shè)計(jì)和間距的選擇應(yīng)該參考表 1提供 的參考數(shù)據(jù)，在合理的范圍內(nèi)選擇，讓廣大用戶放心。

2.3 封邊可靠性

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(shí)際應(yīng)用中，尤其是在隱框幕墻的應(yīng)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(diǎn)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(xué)性能要求。

目前，各真空玻璃生產(chǎn)廠家所使用的封邊焊料都不盡相同，并且有各自獨(dú)特的加工工藝，難以逐一列舉計(jì) 算。本節(jié)選用北京新立基真空玻璃技術(shù)有限公司所使用的低熔點(diǎn)玻璃焊料為例，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算，分析真空玻璃在實(shí)際使用中受到自重、溫差以及風(fēng)載荷作 用下的邊部應(yīng)力狀態(tài)和大小來說明真空玻璃封邊的可靠性問題。

對(duì)玻璃焊料的基本性能進(jìn)行三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)、封接界面的拉伸和剪切強(qiáng)度測(cè)試。低熔點(diǎn)玻璃焊料的彎曲強(qiáng)度按《玻璃材料彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法》JC/T676-1997 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，真空玻璃封接界面拉伸和剪切強(qiáng)度 按《ISO13124 Fine ceramics ( advanced ceramics， advanced technical ceramics )-test method for interfacial bond strength of ceramic materials》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。測(cè)試結(jié)果見表2所示。

表2 低熔點(diǎn)玻璃焊料強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

首先考慮玻璃自重對(duì)封邊的影響。豎直放置的復(fù)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(dān)，受到剪切應(yīng)力作用。例如：玻璃結(jié)構(gòu)為T6+夾膠+T6+V+T6+9A+T6的復(fù)合真空結(jié)構(gòu)，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(jīng)過計(jì)算其剪切強(qiáng)度為0.0161MPa。從表2中得到低熔點(diǎn)玻璃焊料封接界面的剪切強(qiáng)度為3.45MPa，按持久應(yīng)力作用取安全系數(shù)為6，則設(shè)計(jì)強(qiáng)度為0.575MPa，遠(yuǎn)高于上述舉例中真空玻璃封接部位實(shí)際承受的剪切強(qiáng)度。因此，真空玻璃邊緣封接強(qiáng)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(dāng)真空玻璃內(nèi)外片溫度不同時(shí)，因真空玻璃內(nèi)外片膨脹程度不同，可造成邊緣封接部位產(chǎn)生剪切應(yīng)力。通過模型計(jì)算結(jié)果顯示，溫差引起的對(duì)玻璃焊料的剪切應(yīng)力只與溫差和玻璃基片的厚度有關(guān)，與真空玻璃長(zhǎng)寬尺寸無關(guān)。表3為通過計(jì)算得到的不同厚度真空玻璃基片和不同溫差下封接部位剪切應(yīng)力數(shù)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(yīng)力

由計(jì)算結(jié)果可以看出，由溫差產(chǎn)生的封接部位剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于封邊玻璃實(shí)際測(cè)試的剪應(yīng)強(qiáng)度（3.45MPa），因此溫差對(duì)封邊玻璃的影響可以忽略不計(jì)。

最后考慮風(fēng)載荷作用下真空玻璃邊緣封接可靠性。假設(shè)真空玻璃邊部處于自由狀態(tài)，不受邊框約束，這時(shí)風(fēng)壓下真空玻璃邊部會(huì)發(fā)生彎曲，最大應(yīng)力產(chǎn)生在最大彎矩處，即邊部中心位置。按照前面復(fù)合結(jié)構(gòu)真空玻璃的例子，長(zhǎng)邊2.8m為自由邊，通過理論計(jì)算得到焊料承受的最大彎曲應(yīng)力為2.99MPa。表2實(shí)際測(cè)量得到的低熔點(diǎn)玻璃焊料彎曲應(yīng)力為33.16MPa，按短期載荷作用，取安全系數(shù)為3，則設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 11.05MPa。可見，實(shí)例中的真空玻璃在該設(shè)計(jì)風(fēng)壓作用下封邊焊料是安全可靠的。而實(shí)際上真空玻璃裝配在幕墻或門窗后，由于邊部有框架或密封膠的支撐作用，在風(fēng)壓作用下實(shí)際彎矩遠(yuǎn)小于完全自由狀態(tài)。根據(jù)權(quán)威部門實(shí)際風(fēng)壓測(cè)試結(jié)果顯示，該真空玻璃結(jié)構(gòu)邊緣封接部位實(shí)際承受國家最高級(jí)別5000Pa風(fēng)壓測(cè)試，仍保持結(jié)構(gòu)和功能完好。

3 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中對(duì)真空玻璃應(yīng)用中安全性的規(guī)定

為保證真空玻璃在實(shí)際應(yīng)用中的安全性和防護(hù)性，除了需要滿足前面介紹的有關(guān)真空玻璃自身強(qiáng)度的各種設(shè)計(jì)指標(biāo)以外，還應(yīng)滿足各種工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范的要求，使真空玻璃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乃至運(yùn)輸、安裝和使用等各個(gè)方面都有理有據(jù)，使廣大客戶可以放心使用。

通過對(duì)中國地區(qū)幕墻用玻璃的各種規(guī)范和工程應(yīng)用指南的調(diào)研和匯總，可以得到對(duì)幕墻用真空玻璃的總體性要求：幕墻（全玻幕墻除外）必須使用安全玻璃（鋼化玻璃、夾層玻璃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(shí)，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(yīng)小于 6mm，離子性中間層夾層玻璃的單片厚度不應(yīng)小于4mm、PVB夾層玻璃的單片厚度不應(yīng)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(duì)上述通用性要求，建議幕墻用真空玻璃采用以下三種結(jié)構(gòu)：

● 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(guī)定》要求，除幕墻（全玻幕墻除外）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(chǎng)所的使用也建議采用復(fù)合結(jié)構(gòu)。

根據(jù)規(guī)定，除上述特殊位置之外的窗玻璃可以單獨(dú)使用真空玻璃，尤其是強(qiáng)度高、安全性好的鋼化真空玻璃。考慮到為了滿足型材設(shè)計(jì)需要，可以在單真空玻璃的基礎(chǔ)上適當(dāng)復(fù)合一層單真空或單夾膠的結(jié)構(gòu)，都是值得推薦的配置。

真空玻璃由于腔體內(nèi)的真空度可以達(dá)到1.0×10-2 Pa，因此在平放使用時(shí)，不會(huì)因?yàn)闅怏w傳導(dǎo)而造成傳熱增大，采光頂也是真空玻璃的重要應(yīng)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(nèi)對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的建筑玻璃應(yīng)用有具體而明確的規(guī)定，主要內(nèi)容匯總?cè)缦拢?/span>

采光頂玻璃應(yīng)為安全玻璃。屋面距離地方高度大于3m時(shí)，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(yīng)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(jiǎn)支矩形最大相對(duì)撓度為短邊 /60；(4) 玻璃面板面積不宜大于2.5㎡，長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)不宜大于2m。

針對(duì)上述規(guī)定，建議沒有節(jié)能要求的采光頂采用夾膠復(fù)合真空結(jié)構(gòu)，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(jié)能要求的采用夾膠+中空復(fù)合真空的結(jié)構(gòu)，如6mm+1.14夾膠+5mm+V+5mm+12A+6mm（所有玻璃為鋼化玻璃）。

《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015對(duì)真空玻璃的最大許用面積進(jìn)行了規(guī)定，具體細(xì)則見表4所示。

表4

如表4所示，該規(guī)程規(guī)定厚度為5mm+V+5mm的真空玻璃（公稱厚度為10mm），在建筑上應(yīng)用時(shí)最大面積不可以超過2.7m2，這也是從安全性方面考慮對(duì)真空玻璃的實(shí)際使用提出了限定指標(biāo)。值得注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)制定是依據(jù)非鋼化真空玻璃的強(qiáng)度制定的。如今隨著低溫封接技術(shù)的進(jìn)步，真空玻璃的表面應(yīng)力得到不斷提升，目前已經(jīng)可以做到90MPa以上，強(qiáng)度得到極大地提升，因此理論上來說超過上述要求需用面積的真空玻璃產(chǎn)品，如果應(yīng)用在建筑上的，其安全性也是有保障的。

4 結(jié)語

綜上所述，行業(yè)內(nèi)經(jīng)各研究單位和真空玻璃生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)過多年的技術(shù)積累和研究，在扎實(shí)充分地理論分析和計(jì)算的基礎(chǔ)上，真空玻璃的自身強(qiáng)度不斷得到提升，完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用中最惡劣工況下的安全性需要。基于對(duì)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的總結(jié)和研究，真空玻璃的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用也能得到理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)，進(jìn)一步保障了真空玻璃產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的安全性，使廣大客戶用得放心。相信在行業(yè)內(nèi)各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷下，在各界同仁的共同努力下，只要我們從科研到生產(chǎn)再到工程應(yīng)用的所有環(huán)節(jié)中尊重科學(xué)，遵守法規(guī)和規(guī)范，一定能走出一條真空玻璃健康發(fā)展的康莊大道。

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作者：

北京新立基真空玻璃技術(shù)有限公司 孫景春、劉忠偉、蔣毅

北京中新方建筑科技研究中心 閆培起