الخواص الميكانيكية للزجاج المعماري وآلية الانفجار الذاتي للزجاج المقسى ومشاركة التكنولوجيا لتقليل معدل الانفجار الذاتي

كممارسين في مجال الزجاج المعماري، غالبًا ما نواجه سلسلة من المشكلات الفنية المتعلقة بالزجاج. ومن بينها مشكلة الانفجار الذاتي  يتم التركيز بشكل خاص على الزجاج المقسى في عملية الإنتاج والتصنيع لدينا. تمت كتابة النص التالي من قبل مستشارنا الفني المحترف، والذي يلخص الخواص الميكانيكية للزجاج المعماري، وأشكال الفشل، وآلية الانفجار الذاتي للزجاج المقسى، وطرق تقليل الانفجار الذاتي للزجاج المقسى

مقدمة

الزجاج المعماري هو مادة هشة نموذجية. إن الفهم الشامل لخصائصه الميكانيكية له أهمية كبيرة للتصميم والبناء الصحيح. تستعرض هذه المقالة الخواص الميكانيكية للزجاج المعماري، مع توقع لعب دور مفيد في تطبيق الزجاج المعماري.

الخواص الميكانيكية

1. الزجاج المعماري المرن هو جسم مرن تمامًا. حتى الآن، لم يتم اكتشاف أي تشوه بلاستيكي مرئي له في جميع أنحاء العالم. لذلك، عند تصميم وبناء الزجاج المعماري، يجب أن يكون محيطه على اتصال بالمواد الناعمة مثل الشرائط المطاطية أو المواد المانعة للتسرب، ويجب ألا يتلامس بشكل مباشر مع المواد المعدنية مثل مقاطع الألمنيوم أو مقاطع الصلب.

2. يحتوي الزجاج المعماري الهش على عدد كبير من الشقوق الصغيرة على سطحه، مما يجعله هشًا للغاية ولديه صلابة ضعيفة للغاية للكسر، ويتجلى ذلك ككسر مفاجئ عند فشله. لذلك، في ظل الظروف العادية، لا يمكن استخدام الزجاج المعماري كمواد هيكلية هندسية.

3. تشتت القوة بسبب وجود عدد كبير من الشقوق الدقيقة على سطح الزجاج المعماري، فإن قوتها ترتبط ارتباطًا وثيقًا بحجم الشق، كما أن حجم الشرخ وكميته يتواجد بشكل عشوائي، مما يجعل تشتت قوة الزجاج المعماري كبيرًا نسبيًا. عند تصميم واستخدام الزجاج المعماري، يجب مراعاة عامل أمان أكبر. بشكل عام، بالنسبة للزجاج، يجب اعتماد عامل أمان باحتمالية فشل لا تزيد عن 0.1%.

4. قيمة القوة: يرتبط فشل الزجاج المعماري ارتباطًا وثيقًا بانتشار التشققات السطحية. يجب تمييز موقع الشق الأولي واتجاه الشق وقت الفشل أثناء التصميم. ويحدد اتجاه تطبيق القوة قوة الزجاج المعماري.

يتم تصنيف قوة الزجاج المعماري إلى قوة مساحة كبيرة، وقوة الحافة، وقوة الوجه النهائية.

أشكال الفشل

1.فشل الانحناء تحت تأثير القوى الخارجية مثل حمل الرياح، يُظهر الزجاج المعماري فشل الانحناء للألواح الرقيقة. بشكل عام، تصميم الزجاج المقسى يتطلب قوة 84MPa، وهي قوة الانحناء.

لا يتمتع الزجاج المعماري بقوة الضغط أو قوة القص أو قوة الشد. لذلك، عند التصميم، لا معنى لحساب إجهاد الضغط وإجهاد القص وإجهاد الشد للزجاج المعماري

2. أضرار الصدمات تحت تأثير جسم الإنسان أو الأشياء، يكون الزجاج المعماري عرضة للتلف، أي أن مقاومة تأثير الزجاج منخفضة نسبيًا. ولذلك، فإن تحسين مقاومته للصدمات يعد مسألة رئيسية ينبغي أخذها في الاعتبار عند إنتاج الزجاج المعماري.

3. التكسير الحراري تحت تأثير إجهاد فرق درجة الحرارة، يكون زجاج البناء معرضًا بدرجة كبيرة للتشقق الحراري. نظرًا لأن التشقق الأولي للانفجار الحراري الزجاجي يبدأ من حافة اللوحة الزجاجية، فإن المعالجة الدقيقة لحافته لها تأثير كبير على تحسين مقاومة الزجاج للانفجار الحراري. وفي الوقت نفسه، فإن المعالجة الحرارية للزجاج ستعزز بشكل كبير مقاومته للانفجار الحراري.

خفف من الزجاج الانفجار الذاتي

إن قوة الانحناء ومقاومة الصدمات للزجاج المعماري ذو الانفجار الذاتي من الزجاج المقسى منخفضة نسبيًا، وهو عرضة بشدة للتكسير الحراري، مما يحد من تطبيقه على نطاق واسع.

المعالجة الحرارية للزجاج، أي معالجة التقسية، يمكن أن تزيد من قوة الانحناء بمقدار 2 إلى 3 مرات وقوة التأثير بمقدار 3 إلى 4 مرات. لا توجد مشكلة التكسير الحراري الفردي.

أدى الأداء الممتاز للزجاج المقسى إلى توسيع نطاق تطبيق الزجاج المعماري بشكل كبير. ومع ذلك، فإن الزجاج المقسى له أيضًا عيب واضح، وهو الانفجار الذاتي للزجاج المقسى. فقط من خلال الفهم الشامل لآلية الانفجار الذاتي للزجاج المقسى، يمكن تصميم الزجاج المقسى واستخدامه بشكل صحيح. هناك العديد من الأسباب للانفجار التلقائي للزجاج المقسى، وأهمها هو توسع جزيئات كبريتيد النيكل. يحتوي الزجاج على شوائب كبريتيد النيكل، والتي توجد بشكل عام على شكل بلورات (نيكل). في درجة حرارة الغرفة، هناك ميل ديناميكي حراري للمرحلة A للتحول إلى المرحلة المعاكسة، مصحوبة بتوسع في الحجم بنسبة 2٪ إلى 3٪. توجد جزيئات كبريتيد النيكل في الزجاج المسطح، ولهذا السبب توجد أيضًا في الزجاج شبه المقسى والزجاج المقسى.

ومع ذلك، الزجاج المسطح والزجاج شبه المقسى ليس لديهم ظاهرة الانفجار الذاتي. فقط الزجاج المقسى لديه ظاهرة الانفجار الذاتي. والسبب هو أن الميل الديناميكي الحراري لتحول الطور لجزيئات كبريتيد النيكل من a إلى A غير كافٍ. يجب استيفاء شروط حركية معينة لتحقيق هذا التحول المرحلي، والذي يؤدي بدوره إلى الانفجار الذاتي للزجاج. الزجاج المسطح هو زجاج ملدن ولا يوجد إجهاد بالداخل. الزجاج شبه المقسى والزجاج المقسى، بعد التبريد، يتعرضان لإجهاد داخلي وينتميان إلى مواد مسبقة الإجهاد.

تظهر حالات الإجهاد الداخلي للزجاج شبه المقسى والزجاج المقسى في الشكل 1.

كما يتبين من الشكل 1، فإن اتجاهات توزيع الضغط الداخلي للزجاج شبه المقسى والزجاج المقسى متسقة، حيث يكون السطح الخارجي تحت ضغط الضغط والسطح الداخلي تحت ضغط الشد. الفرق بين الاثنين هو أن إجهاد الضغط السطحي وإجهاد الشد الداخلي للزجاج المقسى أكبر من إجهاد الزجاج شبه المقسى. تتمتع جزيئات كبريتيد النيكل في الزجاج بالظروف الحركية لتحويل الطور فقط عندما تكون موجودة في منطقة إجهاد شد كبيرة بما فيه الكفاية. نظرًا لأن تحول الطور لجسيمات كبريتيد النيكل يكون مصحوبًا بتمدد الحجم، فإن إجهاد الشد الكبير بدرجة كافية يؤدي إلى تمدد حجم جسيمات كبريتيد النيكل.

يتم توفير الظروف الديناميكية. هذا هو السبب وراء عدم تعرض الزجاج المسطح والزجاج شبه المقسى للانفجار الذاتي بينما يتعرض الزجاج المقسى للانفجار الذاتي. يتم توزيع جزيئات كبريتيد النيكل في الزجاج بشكل عشوائي. إذا كانت موجودة في المنطقة ذات أقصى إجهاد شد للزجاج المقسى، فقد تصبح هذه الجسيمات نقطة الاشتعال للانفجار الذاتي للزجاج المقسى. غالبًا ما يكون للانفجار الذاتي للزجاج المقسى الناتج عن جزيئات كبريتيد النيكل شكل صدع عند نقطة الانفجار مشابه لشكل الفراشة، وهو ما يسمى صدع على شكل فراشة. تحتوي بعض الزجاجات المقسى ذاتية الانفجار على جسيمات ملونة في منتصف نقطة الانفجار، والتي يُعتقد أنها جسيمات كبريتيد النيكل. غالبًا ما يتم استخدام هاتين الخاصيتين كمعايير لتحديد ما إذا كان الزجاج المقسى ينفجر ذاتيًا أم لا. يختلف حجم جزيئات كبريتيد النيكل قبل وبعد الانفجار الذاتي للزجاج المقسى. قبل الانفجار، كان الحجم صغيرًا وليس من السهل رؤيته. بعد الانفجار الذاتي، يزداد حجمه، ويتم تحديد الموقع، ومن السهل جدًا رؤيته. وهذا أيضًا أحد الأسباب التي تجعل من الصعب التنبؤ بالانفجار الذاتي للزجاج المقسى. يظهر الشكل 2 صدع الانفجار الذاتي للزجاج المقسى.

الانفجار الذاتي للزجاج المقسى الناتج عن جزيئات كبريتيد النيكل له خصائص المبادرة والعفوية وليس له سبب خارجي، وهو حقًا انفجار ذاتي حقيقي. هناك شرطان مطلوبان حتى تتسبب جزيئات كبريتيد النيكل في الانفجار الذاتي للزجاج المقسى. الأول هو حجم إجهاد الشد في الموقع الذي توجد فيه جسيمات كبريتيد النيكل. والثاني هو حجم جزيئات كبريتيد النيكل. كلما زاد حجم جزيئات كبريتيد النيكل، قل إجهاد الشد الذي تتطلبه. وهذا يعني أنه بالنسبة لضغوط الشد المختلفة، فإن جسيمات كبريتيد النيكل لها أحجام حرجة. في الزجاج المقسى، كلما زاد إجهاد الشد، قل الحجم الحرج لجزيئات كبريتيد النيكل، وزاد إنتاج جزيئات كبريتيد النيكل ذاتية الانفجار، وزاد احتمال الانفجار الذاتي للزجاج المقسى.

بالإضافة إلى جزيئات كبريتيد النيكل، يحتوي الزجاج المسطح أيضًا على أحجار وفقاعات وشوائب. الزجاج مادة هشة نموذجية، وسلوكها الميكانيكي يتبع ميكانيكا الكسر. ستشكل الحجارة والفقاعات والشوائب الموجودة في الزجاج شقوقًا في الزجاج، وهي نقطة الضعف في الزجاج المقسى، خاصة أن طرف الشق هو منطقة تركيز الضغط. إذا كانت الحجارة أو الفقاعات أو الشوائب موجودة في منطقة ضغط الشد للزجاج المقسى، أو إذا تعرضت لضغط الشد تحت الحمل، فقد يتسبب ذلك في تحطم الزجاج المقسى.

وفقًا للمعايير الصينية، يجب ألا يقل ضغط سطح الزجاج المقسى عن 90 ميجا باسكال، بينما تنص المعايير الأمريكية على أن ضغط سطح الزجاج المقسى يجب أن يكون أكبر من 69 ميجا باسكال. من الجدير جدًا دراسة ما إذا كان من الممكن تقليل إجهاد الضغط السطحي للزجاج المقسى في بلدنا ليكون متوافقًا مع معايير الولايات المتحدة أو قريبًا منها. 

إذا كان ذلك ممكنًا، فسوف يقلل بشكل كبير من معدل الانفجار الذاتي للزجاج المقسى. قد يؤدي تقليل القيمة الحدية لضغط الضغط السطحي إلى زيادة حجم شظايا الزجاج المقسى. ومع ذلك، حتى لو كان ضغط الضغط السطحي للزجاج المقسى مرتفعًا جدًا وكانت الأجزاء صغيرة جدًا، فلا يمكن ضمان وجود جميع الأجزاء في حالة انقسام. في كثير من الحالات، تكون الشظايا متشققة ولكنها غير مكسورة، وتشكل 'غطاءً من الزجاج المقسى'. ولا تختلف النتيجة كثيرًا عن نتيجة الشظايا الأكبر حجمًا، وفي بعض الحالات يكون الضرر أكبر. لذلك، يمكن اعتبار تقليل القيمة الحدية لضغط الضغط السطحي للزجاج المقسى. 

علاوة على ذلك، ينص معيار الزجاج شبه المقسى في بلدنا على أن القيمة الحدية لضغط الضغط السطحي يجب ألا تتجاوز 60 ميجا باسكال، بينما ينص معيار الزجاج المقسى على أن القيمة الحدية لضغط الضغط السطحي يجب ألا تقل عن 90 ميجا باسكال. إذا كان ضغط الضغط السطحي للزجاج يتراوح بين 60MPa و90MPa، فهو لا ينتمي إلى الزجاج شبه المقسى أو الزجاج المقسى ويعتبر منتجًا دون المستوى المطلوب. 

ومن هذا المنظور، ينبغي أيضًا تقليل القيمة الحدية لضغط الضغط السطحي للزجاج المقسى. إذا كان من الصعب ربط القيمة الحدية لضغط الضغط السطحي للزجاج شبه المقسى مع تلك الخاصة بالزجاج المقسى، فيمكن على الأقل تقليل القيمة الحدية لضغط الضغط السطحي للزجاج المقسى لتضييق الفجوة بين الاثنين. أثناء معالجة ونقل وتخزين وبناء سطح وحواف الزجاج، قد تحدث عيوب مثل الخدوش والحواف المتشققة والحواف المكسورة، والتي يمكن أن تسبب بسهولة تركيز الضغط وتؤدي إلى الانفجار الذاتي للزجاج المقسى. يوجد بالفعل عدد كبير من الشقوق الصغيرة على سطح الزجاج، وهو أيضًا السبب الأساسي وراء توافق السلوك الميكانيكي للزجاج مع ميكانيكا الكسر.

 سوف تتوسع هذه الشقوق الصغيرة في ظل ظروف معينة، مثل تأثير أحمال بخار الماء، وما إلى ذلك، وكل ذلك قد يؤدي إلى تسريع تمدد الشقوق الصغيرة. في ظل الظروف العادية، يكون معدل انتشار الشقوق الصغيرة بطيئًا للغاية، وهو ما يتجلى في أن قوة الزجاج تكون ذات قيمة ثابتة. ومع ذلك، هناك قيمة حرجة للشقوق الصغيرة على سطح الزجاج. عندما يقترب حجم الشقوق الصغيرة أو يصل إلى القيمة الحرجة، تتوسع الشقوق بسرعة، مما يؤدي إلى كسر الزجاج. إذا كانت هناك شقوق صغيرة قريبة من الحجم الحرج على سطح وحواف الزجاج، مثل الخدوش والشقوق والحواف المتكسرة التي تحدث أثناء المعالجة والنقل والتخزين والبناء، وهي كبيرة الحجم نسبيًا، فقد تتوسع الشقوق الصغيرة الموجودة على السطح أو حواف الزجاج بسرعة تحت أحمال صغيرة للغاية، مما يؤدي في النهاية إلى كسر الزجاج.

تحقيقًا لهذه الغاية، يجب تحسين جودة معالجة حواف الزجاج المقسى، ويجب تحديد متطلبات معالجة الحواف بوضوح، مثل طحن الحواف الكامل على كلا الجانبين أو طحن الحواف غير الكامل على ثلاثة جوانب، لتجنب الخدوش والصدمات على حواف وسطح الزجاج. يُظهر التحليل والتجارب النظرية أن درجة تقسية حافة الزجاج المقسى منخفضة نسبيًا. لذلك، يجب إعطاء الأولوية لحماية حافة الزجاج المقسى. بالنسبة لزجاج الحائط الساتر المدعوم بالنقطة، إذا تم حفر ثقوب في الزجاج، يجب أن تكون حواف الثقوب مطحونة جيدًا، ويفضل أن تكون مصقولة، حيث أن حواف الثقوب الزجاجية هي مناطق يتركز فيها الضغط. أثناء عملية إنتاج الزجاج المقسى، يلزم التسخين والتبريد. المعالجة غير المتساوية على طول سطح اللوحة الزجاجية وعدم التماثل على طول اتجاه السُمك ستؤدي إلى ضغط غير متساوٍ على طول سطح اللوحة وتوزيع الضغط غير المتماثل على طول اتجاه سمك الزجاج المقسى. كل هذا قد يسبب انفجارًا ذاتيًا للزجاج المقسى. يمكن أن يؤدي الضغط غير المتساوي على طول سطح الزجاج المقسى إلى إجهاد شد محلي في الزجاج. إذا كان إجهاد الشد كبيرًا جدًا ويتجاوز قوة كسر الزجاج، فسوف ينفجر الزجاج. يجب أن يكون توزيع الضغط على طول اتجاه سمك اللوحة الزجاجية متماثلًا، أي أن الأسطح العلوية والسفلية تخضع لضغط الضغط، والسطح الأوسط تحت ضغط الشد.

إن حجم ضغط الضغط على الأسطح العلوية والسفلية، وسمك وتنوع طبقة الضغط متناظرة تمامًا. قدرة اللوحة الزجاجية على تحمل ضغط الرياح الإيجابي والسلبي هي نفسها. إذا كان توزيع الضغط على طول اتجاه سمك اللوحة الزجاجية غير متماثل، فإن قدرة اللوحة الزجاجية على تحمل ضغط الرياح الإيجابي والسلبي ستكون مختلفة. سيكون لدى أحد الجانبين قدرة تحمل أقوى، في حين أن الجانب الآخر سيكون لديه قدرة أضعف. أي أن الزجاج قد ينكسر تحت حمولة أقل. في الحالات الشديدة، سوف تتشوه اللوحة الزجاجية في حالة عدم التحميل، مما يتسبب في تشويه صورة زجاج الحائط الساتر. ولتحقيق هذه الغاية، ينبغي تحسين توحيد الإجهاد السطحي والتماثل على طول اتجاه سمك الزجاج المقسى. وخاصة بالنسبة لتلطيف الزجاج منخفض الانبعاث، ينبغي إيلاء المزيد من الاهتمام لتماثل الضغط على طول اتجاه السمك. لأن الاختلاف في امتصاص الإشعاع الحراري بواسطة الأسطح العلوية والسفلية للزجاج منخفض الانبعاث سوف يسبب اختلاف درجة الحرارة على طول اتجاه سمك اللوحة الزجاجية أثناء التسخين، وهذا الاختلاف سيؤدي في النهاية إلى عدم تناسق إجهاد الزجاج المقسى على طول اتجاه السمك.

في الوقت الحاضر، في عملية تقسية الزجاج، يتم اعتماد طريقة الحمل الحراري القسري للقضاء على هذا العامل غير المواتي. إن الضغط الداخلي للزجاج المقسى غير متساوٍ وهناك تدرج إجهاد كبير، والذي يمكن أن يسبب انفجارًا ذاتيًا، يتجلى في اختلاف حجم الأجزاء بشكل كبير. هناك خمس نقاط قياس لضغط ضغط السطح، ويتم أخذ القيمة المتوسطة. يجب إضافة القيم الحدية للفرق بين القيم القصوى والدنيا لنقاط القياس الخمس لتمييز توحيد الزجاج. الضغط الضاغط على سطح الزجاج المقسى. إن تقليل حجم سطح ألواح الزجاج المقسى يمكن أن يقلل من معدل الانفجار الذاتي للزجاج المقسى. في الوقت الحاضر، في الصين، يُظهر تطبيق الزجاج المعماري اتجاهًا لأسطح الألواح الأكبر والأكبر. كلما زاد حجم الزجاج المقسى، وكلما زادت سماكة اللوحة الزجاجية، زاد احتمال الانفجار الذاتي.

في أ لوحة الزجاج المقسى ، طالما أن هناك نقطة انفجار ذاتي واحدة وتؤدي في النهاية إلى الانفجار الذاتي للزجاج المقسى، بغض النظر عن حجم لوحة الزجاج المقسى، فإن لوحة الزجاج المقسى بأكملها سوف تتحطم. كلما كانت اللوحة الزجاجية أكبر، زادت العوامل غير المواتية مثل الشوائب وجزيئات كبريتيد النيكل وعيوب معالجة الحواف والخدوش السطحية والضغط غير المتساوي الذي يمكن أن يسبب الانفجار الذاتي للزجاج المقسى. تحت نفس الحمل، سيزداد احتمال الانفجار الذاتي. ولذلك، ينبغي أن يقتصر حجم ألواح الزجاج المقسى على أساس سمك ودرجة جودة الزجاج المسطح.

خاتمة

وضع كل من 'الزجاج المقسى لأبواب ونوافذ المباني وجدران الستائر' (JG/T455-2014) و'الكود الفني لتطبيق زجاج المباني' (JGJ113-2015) لوائح واضحة بشأن إنتاج الزجاج المقسى واستخدام زجاج المباني. تجري هذه المقالة مراجعة شاملة للخواص الميكانيكية لزجاج المباني وتقدم بعض التفسيرات التكميلية لفهم المعايير المذكورة أعلاه.