[科学技术]城市既有建筑玻璃风险的排雷兵——记中国建材总院、国检集团国家

根据中国建筑玻璃和工业玻璃协会的数据，中国建筑玻璃的产量和消费量占世界的50%以上，是世界上最大的建筑玻璃生产国和使用国；80%以上的门窗幕墙玻璃是钢化玻璃和中空玻璃。现有玻璃幕墙面积超过10亿平方米，每年增加约7000万平方米。玻璃方便了人们的生活，提升了城市的“面值”。另一方面，由于玻璃的固有脆性和钢化玻璃的内应力，建筑中钢化玻璃自爆和坠落造成的安全事故和问题日益突出。近年来，幕墙玻璃爆裂或脱落造成的损坏和伤害事件频繁发生，每年发生数万起安全事故，被称为城市中的定时炸弹。如何消除这种风险一直是国内外的难题，已经成为城市公共安全的隐患，引起了社会和政府的高度关注。研究建筑玻璃的使用安全性和可靠性评估、检测技术及相关设备，具有紧迫性和重要性。

在2018年1月8日举行的国家科技奖励大会上，“建筑玻璃服务风险检测与可靠性评估关键技术、设备及应用”项目获得国家科技进步奖二等奖。该项目由中国建筑材料总公司和中国国家质检总局共同承担。

突破建筑玻璃“癌症”无法诊断的禁区

钢化玻璃自爆，俗称“玻璃癌”，是建筑玻璃使用安全中最常见的问题，也是困扰行业的百年难题，不可避免，难以诊断。

该项目的第一完成人、中国建筑材料科学研究院国家检验组首席科学家鲍告诉笔者，以前的解决方案通常是在生产钢化玻璃时使用优质浮法玻璃原板或进行高温均匀化处理，其特点是降低自爆率，但不能完全消除。缺点是高温均匀化处理成本高，导致钢化玻璃强度下降，不适合在役建筑玻璃。本项目实施前，国内外对既有高层建筑钢化玻璃自爆的风险评估长期处于无技术、无设备、无标准的状态。大多数只能使用事后统计和经验评估，不能提前预测其潜在风险。作为中国最大的材料检验认证机构，中国国家检验检疫局在世界上处于领先地位，积极寻求解决检测中的技术难题。

2005年，鲍承担了科技部国际合作项目“安全玻璃的可靠性评估与无损在线检测”，重点研究钢化玻璃自爆风险预测技术的国际难题。自爆是突发的，不可预知的。每当这种事故发生在高层建筑或街道上，往往会导致灾难性的后果。要解决这个问题，首先要了解自爆的机理和影响因素。玻璃自爆的原因，业内早有定论，是玻璃中的硫化镍杂质在一定条件下发生了从α-nis到β-nis的相变，导致体积膨胀。

鲍团队的研究从寻找硫化镍开始。玻璃中硫化镍杂质的直径只有0.1-0.3 mm，肉眼几乎看不见。用放大镜或扫描仪检查极其困难，现场检测更是困难。为了确定杂质缺陷的性质，该小组首先收集了大量钢化玻璃的自爆碎片，并从自爆源中取出部分玻璃进行断口分析。自爆源的每个断口都可以发现一个微小的杂质。在分析了大量杂质的成分后，鲍的研究小组发现，除了众所周知的硫化镍之外，还有以前从未发现的杂质颗粒，如单质硅和氧化铝。由于这些不会发生相变的杂质颗粒的膨胀系数与玻璃的膨胀系数不一致，在升温或降温过程中会造成杂质颗粒与玻璃之间的挤压。当挤压达到一定程度时，玻璃的局部应力会超过玻璃的局部强度，导致破裂进而自爆。所以钢化玻璃自爆是硫化镍、硅等杂质挤压周围玻璃产生应力集中而引起的脆性材料力学和断裂力学现象。从力学角度分析问题、解决问题是鲍的强项。

鲍基于材料力学和脆性材料临界破坏的强度模型，建立了钢化玻璃自爆的破坏准则和条件，证明了钢化玻璃自爆不仅是由于微小杂质颗粒引起的，而且是因为微小杂质颗粒位于钢化玻璃的拉应力区。如果杂质的膨胀系数大于玻璃的膨胀系数，在升温过程中会挤压玻璃，反之，在降温过程中会挤压界面。显然，这些挤压会引起应力集中，导致钢化玻璃自爆。

虽然光学或视觉检测微小杂质极其困难，但在透明材料中很容易发现应力集中。包团队的研究思路发生了根本性的变化，从寻找高层建筑玻璃自爆源的杂质，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围应力场分布的相关性，发现自爆的根本原因在于玻璃内部拉应力区的应力集中。事实上，如果一种杂质不引起应力集中，就不会引起玻璃爆炸。

他们分析了钢化玻璃中杂质颗粒的类型、形状、尺寸和分布位置对应力集中的影响，得出了钢化玻璃自爆风险等级的影响系数和分级标准，提出了自爆判据，开发了钢化玻璃自爆源的自动检测方法，研制了国内外第一台透射反射式光弹性扫描仪。该技术被制定为国家标准gb/t30020，成为评价钢化玻璃自爆风险的关键手段。

经光弹性扫描法测试，认为现有幕墙钢化玻璃能够“将自爆率降低到万分之三以下”。这些技术具有通用性，不仅可用于现有建筑玻璃自爆风险的现场检测，还可用于玻璃生产线或幕墙玻璃安装前的玻璃自爆源调查，以及服务真空玻璃真空度衰减率的检测等鲍·说:

建筑玻璃坠落风险检测中有一项新技术

该项目的另一项重大创新是发明了预测建筑玻璃坠落风险的“动态相对法”及其评估标准。建筑玻璃从高层建筑掉落到地面是比自爆更危险的灾难。通常隐框幕墙结构胶失效脱落。在玻璃幕墙工程的安全检测中，国内外检测机构一般采用作图法和红外摄像技术来评价幕墙结构胶的粘结强度，但作图法容易导致二次风险，红外摄像结果难以量化。传统简单的目测或人工推送方法多采用事后统计和经验评估，无法提前预测其潜在风险。

针对上述建筑玻璃使用安全评价中的瓶颈问题，在科技部专项和北京市科委重大公共安全项目的支持下，鲍团队从机理研究-检测技术-设备开发-标准制定-推广应用，进行了十余年的系统研发， 形成了一系列既有建筑玻璃可靠性评估和风险预测以及建筑玻璃耐久性检测的技术和设备，发明了预测建筑玻璃坠落风险的“动态相对法”

具体来说，相同尺寸的建筑玻璃在相同支撑条件下的固有频率基本相同。当玻璃支座松动时，其固有频率必然下降。测试每块玻璃的固有频率并订购。频率越低，风险越大。给出了四个风险等级的频率阈值。此外，该团队开发了一种幕墙玻璃坠落风险检测器，可以自动识别幕墙坠落风险水平并无线传输数据。该技术不仅可用于玻璃幕墙，还可用于陶瓷幕墙、石材幕墙等外围构件的服务安全检测。

促进建筑节能、安全和耐久性的一体化

建筑玻璃应用中的另一个突出问题是，在空使用的玻璃密封失效导致节能和安全隐患。

中国的中型空玻璃产量和使用量居世界首位。作为建筑幕墙中应用最广泛的节能玻璃，中空玻璃的性能和质量对幕墙的整体性能至关重要。受各种环境因素和中空玻璃质量问题的影响，会导致各种失效模式，直接影响中空玻璃的节能效率，甚至带来严重的安全隐患。因此，检测中空玻璃的产品质量和使用性能非常重要。为了实现我国中空玻璃的质量提升和安全应用，在自主创新的基础上，结合我国国情，国家质检总局玻璃检测中心研发了无制冷剂中空玻璃冷凝测试仪等10大类耐久性检测设备，并建立了耐久性评估技术体系。率先为1800台中空玻璃机组搭建耐久性测试服务平台，测试中空玻璃的耐候性、抗紫外线性、耐腐蚀性和耐老化性，并获得美国medium /きだよ中国空玻璃耐久性测试国内市场份额超过90%，引领和促进中国中国空玻璃行业健康快速发展。对于在役的中空玻璃，项目组揭示了其气密性与应力变形的关系，即中空层泄漏后，应力和变形集中在受力玻璃上，从而减少了medium /きだ在现场评价空玻璃密封性能是否无效的检测技术“挠度比较法”的发明。简单地说，给定的集中载荷通过橡胶球头施加到中间空玻璃面板的中心，同时，通过玻璃厚度计测量middle /き

服务于玻璃的力量“脉搏”

在役玻璃的强度是评价玻璃抵抗外力、保证玻璃构件安全可靠的重要参数。鲍团队发明了类似中医脉诊的“声发射监测球压法”，用于检测建筑玻璃表面的局部强度，判断钢化玻璃表面的应力均匀性。研制了一种玻璃局部强度在线检测仪，可无损监测现有玻璃的使用强度或承载能力的退化。该技术解决了以下两个问题:(1)检测和监测在役玻璃构件的强度退化规律，评估服役可靠性；对建筑玻璃的质量和强度等级进行无损检测，并监测当前强度是否满足使用安全要求。该技术主要应用于建筑幕墙玻璃的局部强度在线检测和强度退化监测而不漏检，也可应用于建筑玻璃的在线检测和可靠性保证试验，如夹层玻璃和钢化玻璃强度等级的无损检测，航空空、汽车玻璃和建筑玻璃产品的无损质量检测，以及服务部件的强度退化监测。

从难以预测的灾难性事故到可以预测的潜在事故

“项目实现的核心进展是灾害事故难以预测，潜在事故可以预测。”鲍表示，以上创新技术均为原创。从测试技术的研发、测试设备的开发，到多项成果转化为国家、行业、地方标准，形成了全方位的无损、自动化、标准化的成套测试技术和设备。示范应用，可推广应用于汽车、光伏、家用电器玻璃材料的质量检测和性能评价，实现在役建筑玻璃力学性能和安全可靠性评价领域的跨越式发展

最重要的是，这一成就具有很强的社会福利性。“所谓公益，不是考虑做一件事能赚多少钱，而是考虑不做这件事会造成什么样的损失。”鲍认为，这一成果的公益性体现在创新技术标准化、服务社会和世界、提高城市公共安全、确保建筑节能、为建筑玻璃安全服务和灾害事故预测提供全新的技术手段。既能取得巨大的社会效益，又能创造巨大的经济效益。鉴定专家评价成果为:创新突出，填补了国内外空空白，整体技术达到国际领先水平。成果获10项发明专利和7项实用新型授权，发表sci和ei收录的学术论文40余篇。

“通过项目的实施，我国从零开始实现了‘玻璃癌’检测技术的突破，下一步将继续完善和应用，这是国家质检总局检测技术创新的又一步。”鲍·说: