Aufrufe: 0 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 14.05.2025 Herkunft: Website
Als Praktiker im Bereich Architekturglas stoßen wir häufig auf eine Reihe technischer Probleme im Zusammenhang mit Glas. Darunter das Problem der Selbstexplosion gehärtetes Glas . In unserem Produktions- und Herstellungsprozess legen wir besonderen Wert auf Der folgende Text wurde von unserem professionellen technischen Berater verfasst und fasst die mechanischen Eigenschaften von Architekturglas, die Formen des Versagens, den Mechanismus der Selbstexplosion von gehärtetem Glas und die Methoden zur Reduzierung der Selbstexplosion von gehärtetem Glas zusammen
Architekturglas ist ein typisches sprödes Material. Ein gründliches Verständnis seiner mechanischen Eigenschaften ist für die korrekte Planung und Konstruktion von großer Bedeutung. In diesem Artikel werden die mechanischen Eigenschaften von Architekturglas untersucht, mit der Erwartung, dass sie bei der Anwendung von Architekturglas eine vorteilhafte Rolle spielen.
1. Elastisches Architekturglas ist ein vollständig elastischer Körper. Bisher wurden weltweit keine sichtbaren plastischen Verformungen des Glases festgestellt. Daher sollte bei der Planung und Konstruktion von Architekturglas dessen Peripherie Kontakt mit weichen Materialien wie Gummistreifen oder Dichtstoffen haben und darf nicht in direkten Kontakt mit Metallmaterialien wie Aluminiumprofilen oder Stahlprofilen kommen.
2. Sprödes Architekturglas weist eine große Anzahl von Mikrorissen auf seiner Oberfläche auf, die es extrem spröde machen und eine extrem schlechte Bruchzähigkeit aufweisen, was sich in einem plötzlichen Bruch beim Versagen äußert. Daher kann Architekturglas unter normalen Umständen nicht als technisches Strukturmaterial verwendet werden.
3. Festigkeitsstreuung Aufgrund des Vorhandenseins einer großen Anzahl von Mikrorissen auf der Oberfläche von Architekturglas hängt seine Festigkeit eng mit der Rissgröße zusammen, und die Rissgröße und -menge sind zufällig, was die Festigkeitsstreuung von Architekturglas relativ groß macht. Bei der Gestaltung und Verwendung von Architekturglas sollte ein größerer Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden. Im Allgemeinen sollte für Glas ein Sicherheitsfaktor mit einer Ausfallwahrscheinlichkeit von nicht mehr als 0,1 % angenommen werden.
4. Festigkeitswert: Das Versagen von Architekturglas hängt eng mit der Ausbreitung von Oberflächenrissen zusammen. Bei der Konstruktion sollten die anfängliche Rissstelle und die Rissrichtung zum Zeitpunkt des Versagens unterschieden werden. Die Richtung der Krafteinwirkung bestimmt die Festigkeit von Architekturglas.
Die Festigkeit von Architekturglas wird in Großflächenfestigkeit, Kantenfestigkeit und Stirnflächenfestigkeit eingeteilt.
1. Biegeversagen Unter der Einwirkung äußerer Kräfte wie Windlast zeigt Architekturglas das Biegeversagen dünner Platten. Im Allgemeinen erfordert das Design von gehärtetem Glas eine Festigkeit von 84 MPa, was der Biegefestigkeit entspricht.
Architekturglas hat keine Druckfestigkeit, Scherfestigkeit oder Zugfestigkeit. Daher ist es beim Entwurf sinnlos, die Druckspannung, Scherspannung und Zugspannung von Architekturglas zu berechnen
2. Aufprallschäden Unter dem Aufprall des menschlichen Körpers oder von Gegenständen ist Architekturglas anfällig für Beschädigungen, d. h. die Schlagfestigkeit des Glases ist relativ gering. Daher ist die Verbesserung der Schlagfestigkeit ein zentrales Thema, das bei der Herstellung von Architekturglas berücksichtigt werden sollte.
3. Thermische Rissbildung Unter der Einwirkung von Temperaturunterschieden ist Bauglas sehr anfällig für thermische Risse. Da der anfängliche Riss einer thermischen Glasexplosion am Rand der Glasplatte beginnt, hat die Feinbearbeitung der Kante einen erheblichen Einfluss auf die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Glases gegenüber thermischer Explosion. Gleichzeitig erhöht die Wärmebehandlung des Glases auch seine Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Explosionen erheblich.
Die Biegefestigkeit und Schlagfestigkeit von selbstexplosivem Architekturglas aus gehärtetem Glas sind relativ gering und es ist sehr anfällig für thermische Risse, was seine breite Anwendung einschränkt.
Eine Wärmebehandlung von Glas, insbesondere eine Vorspannbehandlung, kann seine Biegefestigkeit um das Zwei- bis Dreifache und seine Schlagfestigkeit um das Drei- bis Vierfache erhöhen. Es besteht kein Problem einzelner thermischer Risse.
Die hervorragende Leistung von gehärtetem Glas hat die Anwendung von Architekturglas erheblich erweitert. Allerdings hat gehärtetes Glas auch einen deutlichen Nachteil, nämlich die Selbstexplosion von gehärtetem Glas. Nur wenn man den Mechanismus der Selbstexplosion von gehärtetem Glas gründlich versteht, kann gehärtetes Glas richtig entworfen und verwendet werden. Es gibt viele Gründe für die spontane Explosion von gehärtetem Glas, und der wichtigste ist die Ausdehnung von Nickelsulfidpartikeln. Das Glas enthält Nickelsulfideinschlüsse, die im Allgemeinen als Kristalle (NiS) vorliegen. Bei Raumtemperatur besteht eine thermodynamische Tendenz der Phase A, sich in die Gegenphase umzuwandeln, begleitet von einer Volumenausdehnung von 2 % bis 3 %. Nickelsulfidpartikel kommen in Flachglas vor, weshalb sie auch in halbgehärtetem Glas und gehärtetem Glas vorkommen.
Bei Flachglas und halbgehärtetem Glas kommt es jedoch nicht zu einer Selbstexplosion. Nur gehärtetes Glas weist das Phänomen der Selbstexplosion auf. Der Grund dafür ist, dass die thermodynamische Tendenz der Phasenumwandlung von Nickelsulfidpartikeln von a nach A unzureichend ist. Um diese Phasenumwandlung zu erreichen, müssen bestimmte kinetische Bedingungen erfüllt sein, die wiederum zur Selbstexplosion des Glases führen. Flachglas ist getempertes Glas und es gibt keine Spannung im Inneren. Halbgehärtetes Glas und gehärtetes Glas weisen nach dem Abschrecken innere Spannungen auf und gehören zu den vorgespannten Materialien.
Die inneren Spannungszustände von halbgehärtetem Glas und gehärtetem Glas sind in Abbildung 1 dargestellt.
Wie aus Abbildung 1 ersichtlich ist, sind die internen Spannungsverteilungstrends von halbgehärtetem Glas und gehärtetem Glas konsistent, wobei die Außenfläche unter Druckspannung und die Innenfläche unter Zugspannung steht. Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass die Oberflächendruckspannung und die innere Zugspannung von gehärtetem Glas beide größer sind als die von halbgehärtetem Glas. Nickelsulfidpartikel im Glas verfügen nur dann über die kinetischen Voraussetzungen für eine Phasenumwandlung, wenn sie sich in einem ausreichend großen Zugspannungsbereich befinden. Da die Phasenumwandlung von Nickelsulfidpartikeln mit einer Volumenausdehnung einhergeht, führt eine ausreichend große Zugspannung zu einer Volumenausdehnung der Nickelsulfidpartikel.
Die dynamischen Bedingungen sind gegeben. Aus diesem Grund kommt es bei Flachglas und halbgehärtetem Glas im Gegensatz zu gehärtetem Glas nicht zur Selbstexplosion. Nickelsulfidpartikel im Glas sind zufällig verteilt. Wenn sie sich im Bereich der maximalen Zugspannung des gehärteten Glases befinden, können diese Partikel zum Zündpunkt für die Selbstexplosion des gehärteten Glases werden. Die durch Nickelsulfidpartikel verursachte Selbstexplosion von gehärtetem Glas führt häufig zu einer Rissform an der Berststelle, die der eines Schmetterlings ähnelt, was als schmetterlingsförmiger Riss bezeichnet wird. Einige selbstexplodierende gehärtete Gläser weisen in der Mitte des Explosionspunkts ein farbiges Partikel auf, bei dem es sich vermutlich um ein Nickelsulfidpartikel handelt. Diese beiden Eigenschaften werden häufig als Kriterien zur Bestimmung, ob gehärtetes Glas selbst explodiert, herangezogen. Das Volumen der Nickelsulfidpartikel ist vor und nach der Selbstexplosion von gehärtetem Glas unterschiedlich. Vor der Explosion ist das Volumen klein und nicht leicht zu erkennen. Nach der Selbstexplosion nimmt sein Volumen zu, der Ort ist bestimmt und es ist sehr gut zu erkennen. Dies ist auch einer der Gründe, warum die Selbstexplosion von gehärtetem Glas nicht leicht vorherzusagen ist. Der Selbstexplosionsriss von gehärtetem Glas ist in Abbildung 2 dargestellt.
Die durch Nickelsulfidpartikel verursachte Selbstexplosion von gehärtetem Glas zeichnet sich durch Initiative, Spontaneität und keine äußere Ursache aus und ist eine echte Selbstexplosion. Damit Nickelsulfidpartikel zur Selbstexplosion von gehärtetem Glas führen, sind zwei Bedingungen erforderlich. Einer davon ist die Größe der Zugspannung an der Stelle, an der sich die Nickelsulfidpartikel befinden. Der zweite Faktor ist die Größe der Nickelsulfidpartikel. Je größer die Nickelsulfidpartikel sind, desto geringer ist die erforderliche Zugspannung. Das heißt, für unterschiedliche Zugspannungen haben Nickelsulfidpartikel kritische Größen. Bei gehärtetem Glas gilt: Je größer die Zugspannung, desto kleiner die kritische Größe der Nickelsulfidpartikel, desto mehr selbstexplodierende Nickelsulfidpartikel werden erzeugt und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Selbstexplosion von gehärtetem Glas.
Flachglas enthält neben Nickelsulfidpartikeln auch Steine, Blasen und Verunreinigungen. Glas ist ein typisches sprödes Material und sein mechanisches Verhalten folgt der Bruchmechanik. Steine, Blasen und Verunreinigungen im Glas bilden Risse im Glas, was die Schwachstelle von gehärtetem Glas darstellt, insbesondere die Spitze des Risses ist der Bereich der Spannungskonzentration. Befinden sich Steine, Blasen oder Verunreinigungen in der Zugspannungszone des gehärteten Glases oder wird es unter Belastung einer Zugspannung ausgesetzt, kann es zum Zersplittern des gehärteten Glases kommen.
Nach chinesischen Standards sollte die Oberflächenspannung von gehärtetem Glas nicht weniger als 90 MPa betragen, während amerikanische Standards vorschreiben, dass die Oberflächendruckspannung von gehärtetem Glas mehr als 69 MPa betragen sollte. Es ist äußerst forschungswürdig, ob die Oberflächendruckspannung von gehärtetem Glas in unserem Land so reduziert werden kann, dass sie den Standards der Vereinigten Staaten entspricht oder diesen nahekommt.
Wenn möglich, wird dadurch die Selbstexplosionsrate von gehärtetem Glas erheblich reduziert. Eine Verringerung des Grenzwerts der Oberflächendruckspannung kann dazu führen, dass die Fragmente des gehärteten Glases größer werden. Selbst wenn die Oberflächendruckspannung von gehärtetem Glas sehr hoch ist und die Bruchstücke sehr klein sind, kann nicht garantiert werden, dass alle Bruchstücke in einem gespaltenen Zustand vorliegen. In vielen Fällen weisen die Fragmente Risse auf, sind aber nicht zerbrochen und bilden eine „Abdeckung aus gehärtetem Glas“. Das Ergebnis unterscheidet sich nicht wesentlich von dem größerer Fragmente, in manchen Fällen ist der Schaden sogar noch größer. Daher kann eine Reduzierung des Grenzwerts der Oberflächendruckspannung von gehärtetem Glas in Betracht gezogen werden.
Darüber hinaus schreibt die Norm für halbgehärtetes Glas in unserem Land vor, dass der Grenzwert der Oberflächendruckspannung 60 MPa nicht überschreiten darf, während die Norm für gehärtetes Glas vorschreibt, dass der Grenzwert der Oberflächendruckspannung nicht weniger als 90 MPa betragen darf. Wenn die Oberflächendruckspannung des Glases zwischen 60 MPa und 90 MPa liegt, gehört es weder zu halbgehärtetem Glas noch zu gehärtetem Glas und gilt als minderwertiges Produkt.
Aus dieser Perspektive sollte auch der Grenzwert der Oberflächendruckspannung von gehärtetem Glas gesenkt werden. Wenn es schwierig ist, den Grenzwert der Oberflächendruckspannung von halbgehärtetem Glas mit dem von gehärtetem Glas zu verbinden, kann zumindest der Grenzwert der Oberflächendruckspannung von gehärtetem Glas verringert werden, um den Abstand zwischen beiden zu verringern. Während der Verarbeitung, des Transports, der Lagerung und des Aufbaus der Oberfläche und Kanten des Glases können Mängel wie Kratzer, rissige Kanten und gebrochene Kanten auftreten, die leicht zu Spannungskonzentrationen führen und zur Selbstexplosion von gehärtetem Glas führen können. Auf der Glasoberfläche befinden sich bereits zahlreiche Mikrorisse, was auch der wesentliche Grund dafür ist, dass das mechanische Verhalten von Glas der Bruchmechanik entspricht.
Diese Mikrorisse dehnen sich unter bestimmten Bedingungen aus, beispielsweise durch Einwirkung von Wasserdampf usw., was die Ausbreitung von Mikrorissen beschleunigen kann. Unter normalen Umständen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mikrorissen extrem langsam, was sich darin zeigt, dass die Festigkeit des Glases ein konstanter Wert ist. Allerdings gibt es einen kritischen Wert für Mikrorisse auf der Glasoberfläche. Wenn sich die Größe der Mikrorisse dem kritischen Wert nähert oder diesen erreicht, dehnen sich die Risse schnell aus und führen zum Bruch des Glases. Wenn Mikrorisse in der Nähe der kritischen Größe auf der Oberfläche und den Kanten des Glases vorhanden sind, wie z. B. Kratzer, Risse und abgebrochene Kanten, die während der Verarbeitung, des Transports, der Lagerung und der Konstruktion entstanden sind und relativ groß sind, können sich die Mikrorisse auf der Oberfläche oder den Kanten des Glases bei extrem geringen Belastungen schnell ausdehnen und schließlich zum Bruch des Glases führen.
Zu diesem Zweck sollte die Qualität der Kantenbearbeitung von gehärtetem Glas verbessert werden, und die Anforderungen an die Kantenbearbeitung sollten klar definiert werden, wie z. B. vollständiger Kantenschliff auf beiden Seiten oder unvollständiger Kantenschliff auf drei Seiten, um Kratzer und Unebenheiten an den Kanten und der Oberfläche des Glases zu vermeiden. Theoretische Analysen und Experimente zeigen, dass der Härtegrad der Kante von gehärtetem Glas relativ niedrig ist. Daher sollte die Kante des gehärteten Glases vorrangig geschützt werden. Wenn bei punktgestütztem Vorhangfassadenglas Löcher in das Glas gebohrt werden, müssen die Kanten der Löcher fein geschliffen werden, vorzugsweise auf eine polierte Oberfläche, da die Kanten der Glaslöcher Bereiche sind, in denen die Spannung konzentriert ist. Während des Produktionsprozesses von gehärtetem Glas ist Erhitzen und Kühlen erforderlich. Eine ungleichmäßige Bearbeitung entlang der Glasplattenoberfläche und Asymmetrie entlang der Dickenrichtung führen zu ungleichmäßiger Spannung entlang der Plattenoberfläche und einer asymmetrischen Spannungsverteilung entlang der Dickenrichtung des gehärteten Glases. All dies kann zur Selbstexplosion des gehärteten Glases führen. Ungleichmäßige Spannungen entlang der Oberfläche des gehärteten Glases können zu lokalen Zugspannungen im Glas führen. Ist diese Zugspannung zu groß und übersteigt die Bruchfestigkeit des Glases, platzt das Glas. Die Spannungsverteilung entlang der Dickenrichtung der Glasplatte sollte symmetrisch sein, d. h. die Ober- und Unterseite stehen unter Druckspannung und die Mittelfläche steht unter Zugspannung.
Die Größe der Druckspannung auf der Ober- und Unterseite, die Dicke und Variation der Spannungsschicht sind völlig symmetrisch. Die Fähigkeit der Glasplatte, positivem und negativem Winddruck standzuhalten, ist gleich. Wenn die Spannungsverteilung entlang der Dickenrichtung der Glasplatte asymmetrisch ist, ist die Fähigkeit der Glasplatte, positivem und negativem Winddruck standzuhalten, unterschiedlich. Eine Seite wird eine stärkere Tragfähigkeit haben, während die andere Seite eine schwächere hat. Das heißt, das Glas kann bei geringerer Belastung brechen. In schweren Fällen verformt sich die Glasplatte ohne Belastung, was zu einer Verzerrung des Bildes des Vorhangfassadenglases führt. Zu diesem Zweck sollten die Gleichmäßigkeit der Oberflächenspannung und die Symmetrie entlang der Dickenrichtung von gehärtetem Glas verbessert werden. Insbesondere beim Vorspannen von Low-E-Glas sollte der Symmetrie der Spannung entlang der Dickenrichtung mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Denn der Unterschied in der Absorption der Wärmestrahlung durch die Ober- und Unterseite von Low-E-Glas führt beim Erhitzen zu einem Temperaturunterschied entlang der Dickenrichtung der Glasplatte, und dieser Unterschied führt schließlich zu einer Asymmetrie der Spannung des gehärteten Glases entlang der Dickenrichtung.
Gegenwärtig wird bei der Glashärtung die Methode der erzwungenen Konvektion angewendet, um diesen ungünstigen Faktor zu beseitigen. Die innere Spannung von gehärtetem Glas ist ungleichmäßig und es gibt einen großen Spannungsgradienten, der eine Selbstexplosion verursachen kann, was sich darin äußert, dass die Größe der Fragmente stark variiert. Es gibt fünf Messpunkte für die Oberflächendruckspannung, und der Durchschnittswert wird gebildet. Die Grenzwerte der Differenz zwischen den Maximal- und Minimalwerten der fünf Messpunkte sollten addiert werden, um die Gleichmäßigkeit der Druckspannung zu charakterisieren die Oberfläche von gehärtetem Glas. Eine Verringerung der Oberflächengröße von gehärteten Glasplatten kann die Selbstexplosionsrate von gehärtetem Glas verringern. Derzeit zeigt die Anwendung von Architekturglas in China einen Trend zu immer größeren Plattenoberflächen. Je größer das gehärtete Glas und je dicker die Glasplatte, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Selbstexplosion.
In einem Platte aus gehärtetem Glas : Solange es einen Selbstexplosionspunkt gibt und es letztendlich zur Selbstexplosion des gehärteten Glases kommt, wird unabhängig von der Größe der Platte aus gehärtetem Glas die gesamte Platte aus gehärtetem Glas zersplittern. Je größer die Glasplatte ist, desto ungünstiger sind Faktoren wie Verunreinigungen, Nickelsulfidpartikel, Kantenbearbeitungsfehler, Oberflächenkratzer und ungleichmäßige Spannungen, die zur Selbstexplosion des gehärteten Glases führen können. Bei gleicher Belastung steigt die Wahrscheinlichkeit einer Selbstexplosion. Daher sollte die Größe von Hartglasplatten auf der Grundlage der Dicke und Qualität des Flachglases begrenzt werden.
Sowohl „Gehärtetes Glas für Gebäudetüren, Fenster und Vorhangfassaden“ (JG/T455-2014) als auch der „Technische Code für die Anwendung von Bauglas“ (JGJ113-2015) haben klare Vorschriften für die Herstellung von gehärtetem Glas und die Anwendung von Bauglas erlassen. Dieser Artikel gibt einen umfassenden Überblick über die mechanischen Eigenschaften von Bauglas und liefert einige ergänzende Erläuterungen zum Verständnis der oben genannten Standards.
