Wyświetlenia: 0 Autor: Edytor witryny Czas publikacji: 2025-05-14 Pochodzenie: Strona
Jako praktycy w dziedzinie szkła architektonicznego często spotykamy się z szeregiem zagadnień technicznych związanych ze szkłem. Wśród nich problem samowybuchu na szkło hartowane . W naszej produkcji i procesie produkcyjnym szczególny nacisk kładziemy Poniższy tekst został napisany przez naszego profesjonalnego doradcę technicznego, podsumowując właściwości mechaniczne szkła architektonicznego, formy uszkodzeń, mechanizm samozapłonu szkła hartowanego oraz metody ograniczania samowybuchu szkła hartowanego
Szkło architektoniczne to typowy materiał kruchy. Dokładne zrozumienie jego właściwości mechanicznych ma ogromne znaczenie dla prawidłowego projektowania i budowy. W artykule dokonano przeglądu właściwości mechanicznych szkła architektonicznego, mając nadzieję, że odegra ono korzystną rolę w jego zastosowaniu.
1.Elastyczne Szkło architektoniczne jest ciałem całkowicie elastycznym. Dotychczas na świecie nie wykryto jego widocznych odkształceń plastycznych. Dlatego też projektując i konstruując szkło architektoniczne, jego obwód powinien mieć kontakt z materiałami miękkimi, takimi jak listwy gumowe czy uszczelniacze, a nie może mieć bezpośredniego kontaktu z materiałami metalowymi, takimi jak profile aluminiowe czy profile stalowe.
2. Kruche szkło architektoniczne ma na swojej powierzchni dużą liczbę mikropęknięć, co czyni je niezwykle kruchym i wyjątkowo słabą odpornością na pękanie, objawiającą się nagłym pękaniem w przypadku awarii. Dlatego też w normalnych okolicznościach szkło architektoniczne nie może być stosowane jako inżynieryjny materiał konstrukcyjny.
3. Rozproszenie wytrzymałości Ze względu na obecność dużej liczby mikropęknięć na powierzchni szkła architektonicznego, jego wytrzymałość jest ściśle powiązana z wielkością pęknięcia, a wielkość i ilość pęknięć występuje losowo, co powoduje, że rozrzut wytrzymałości szkła architektonicznego jest stosunkowo duży. Projektując i stosując szkło architektoniczne, należy wziąć pod uwagę większy współczynnik bezpieczeństwa. Generalnie dla szkła należy przyjąć współczynnik bezpieczeństwa o prawdopodobieństwie zniszczenia nie większym niż 0,1%.
4. Wartość wytrzymałości: Uszkodzenie szkła architektonicznego jest ściśle związane z rozprzestrzenianiem się pęknięć powierzchniowych. Podczas projektowania należy rozróżnić początkowe miejsce pęknięcia i kierunek pęknięcia w momencie zniszczenia. Kierunek przyłożenia siły decyduje o wytrzymałości szkła architektonicznego.
Wytrzymałość szkła architektonicznego dzieli się na wytrzymałość na dużych powierzchniach, wytrzymałość krawędzi i wytrzymałość powierzchni czołowej.
1. Zniszczenie zginania Pod wpływem sił zewnętrznych, takich jak obciążenie wiatrem, szkło architektoniczne wykazuje uszkodzenie zginania cienkich płyt. Ogólnie rzecz biorąc, konstrukcja szkła hartowanego wymaga wytrzymałości 84 MPa, czyli wytrzymałości na zginanie.
Szkło architektoniczne nie posiada wytrzymałości na ściskanie, ścinanie i rozciąganie. Dlatego przy projektowaniu nie ma sensu obliczanie naprężeń ściskających, ścinających i rozciągających szkła architektonicznego
2. Uszkodzenia udarowe Pod wpływem ciała ludzkiego lub przedmiotów szkło architektoniczne jest podatne na uszkodzenia, co oznacza, że odporność szkła na uderzenia jest stosunkowo niska. Dlatego poprawa jego odporności na uderzenia jest kluczową kwestią, którą należy uwzględnić przy produkcji szkła architektonicznego.
3. Pękanie termiczne Pod wpływem naprężeń wynikających z różnicy temperatur szkło budowlane jest bardzo podatne na pękanie termiczne. Ponieważ początkowe pęknięcie eksplozji termicznej szkła rozpoczyna się od krawędzi płyty szklanej, precyzyjna obróbka jej krawędzi ma znaczący wpływ na poprawę odporności szkła na eksplozję termiczną. Tymczasem obróbka cieplna szkła znacząco zwiększy także jego odporność na eksplozję termiczną.
Wytrzymałość na zginanie i udarność szkła architektonicznego z hartowanego szkła samowybuchowego są stosunkowo niskie i jest ono bardzo podatne na pękanie termiczne, co ogranicza jego szerokie zastosowanie.
Obróbka cieplna szkła, czyli odpuszczanie, może zwiększyć jego wytrzymałość na zginanie 2 do 3 razy i udarność 3 do 4 razy. Nie ma problemu indywidualnego pękania termicznego.
Doskonałe właściwości szkła hartowanego znacznie poszerzyły zastosowanie szkła architektonicznego. Szkło hartowane ma jednak również wyraźną wadę, a mianowicie samozapłon szkła hartowanego. Tylko dokładne zrozumienie mechanizmu samowybuchu szkła hartowanego pozwala na jego prawidłowe zaprojektowanie i zastosowanie. Istnieje wiele przyczyn samorzutnego wybuchu szkła hartowanego, a najważniejszą z nich jest ekspansja cząstek siarczku niklu. Szkło zawiera wtrącenia siarczku niklu, które na ogół występują w postaci kryształów (NiS). W temperaturze pokojowej faza A ma termodynamiczną tendencję do przekształcania się w fazę przeciwną, czemu towarzyszy zwiększenie objętości od 2% do 3%. Cząsteczki siarczku niklu występują w szkle płaskim, dlatego występują również w szkle półhartowanym i hartowanym.
Jednakże szkło płaskie i szkło półhartowane nie wykazują zjawiska samowybuchu. Tylko szkło hartowane ma zjawisko samowybuchu. Powodem jest to, że tendencja termodynamiczna przemiany fazowej cząstek siarczku niklu z a do A jest niewystarczająca. Aby doszło do tej przemiany fazowej, muszą zostać spełnione określone warunki kinetyczne, co w efekcie powoduje samowybuch szkła. Szkło płaskie jest szkłem odprężanym i nie ma w nim naprężeń. Szkło półhartowane i szkło hartowane po hartowaniu mają naprężenia wewnętrzne i należą do materiałów naprężonych.
Stany naprężeń wewnętrznych szkła półhartowanego i hartowanego pokazano na rysunku 1.
Jak widać na rysunku 1, tendencje rozkładu naprężeń wewnętrznych w szkle półhartowanym i szkle hartowanym są spójne, przy czym powierzchnia zewnętrzna podlega naprężeniom ściskającym, a powierzchnia wewnętrzna podlega naprężeniom rozciągającym. Różnica między nimi polega na tym, że powierzchniowe naprężenie ściskające i wewnętrzne naprężenie rozciągające szkła hartowanego są większe niż w przypadku szkła półhartowanego. Cząstki siarczku niklu w szkle mają warunki kinetyczne przemiany fazowej tylko wtedy, gdy znajdują się w wystarczająco dużym obszarze naprężeń rozciągających. Ponieważ przemianie fazowej cząstek siarczku niklu towarzyszy zwiększenie objętości, odpowiednio duże naprężenie rozciągające powoduje zwiększenie objętości cząstek siarczku niklu.
Zapewnione są warunki dynamiczne. Z tego powodu szkło płaskie i półhartowane nie ulegają samowybuchowi w przeciwieństwie do szkła hartowanego. Cząsteczki siarczku niklu w szkle są rozmieszczone losowo. Jeżeli znajdują się one w obszarze największego naprężenia rozciągającego szkła hartowanego, cząstki te mogą stać się punktem zapłonu do samowybuchu szkła hartowanego. Samowybuch szkła hartowanego spowodowany cząsteczkami siarczku niklu często ma kształt pęknięcia w punkcie pęknięcia podobny do pęknięcia motyla, co nazywa się pęknięciem w kształcie motyla. Niektóre samowybuchające szkła hartowane mają w środku punktu wybuchu kolorową cząsteczkę, którą uważa się za cząstkę siarczku niklu. Te dwie cechy są często stosowane jako kryteria określające, czy szkło hartowane eksploduje samoczynnie. Objętość cząstek siarczku niklu jest różna przed i po samowybuchu szkła hartowanego. Przed eksplozją objętość jest niewielka i trudno ją zobaczyć. Po samowybuchu zwiększa się jego objętość, ustala się lokalizację i bardzo łatwo go zobaczyć. Jest to również jeden z powodów, dla których samowybuch szkła hartowanego nie jest łatwy do przewidzenia. Pęknięcie samowybuchowe szkła hartowanego pokazano na rysunku 2.
Samoeksplozja szkła hartowanego spowodowana cząsteczkami siarczku niklu ma cechy inicjatywy, spontaniczności i braku przyczyny zewnętrznej i jest naprawdę prawdziwym samoeksplozji. Aby cząstki siarczku niklu mogły spowodować samowybuch szkła hartowanego, wymagane są dwa warunki. Jednym z nich jest wielkość naprężenia rozciągającego w miejscu, w którym znajdują się cząstki siarczku niklu. Drugi to wielkość cząstek siarczku niklu. Im większy rozmiar cząstek siarczku niklu, tym mniejsze jest wymagane naprężenie rozciągające. Oznacza to, że dla różnych naprężeń rozciągających cząstki siarczku niklu mają rozmiary krytyczne. W szkle hartowanym im większe naprężenie rozciągające, im mniejszy rozmiar krytyczny cząstek siarczku niklu, tym więcej powstaje samowybuchających cząstek siarczku niklu i tym większe jest prawdopodobieństwo samowybuchu szkła hartowanego.
Oprócz cząstek siarczku niklu płaskie szkło zawiera również kamienie, pęcherzyki i zanieczyszczenia. Szkło jest typowym materiałem kruchym, a jego zachowanie mechaniczne wynika z mechaniki pękania. Kamienie, pęcherzyki i zanieczyszczenia w szkle tworzą pęknięcia w szkle, co jest słabym punktem szkła hartowanego, szczególnie wierzchołek pęknięcia jest obszarem koncentracji naprężeń. Jeśli w strefie naprężeń rozciągających szkła hartowanego znajdują się kamienie, pęcherzyki lub zanieczyszczenia lub jeśli szkło hartowane zostanie poddane naprężeniom rozciągającym pod obciążeniem, może to spowodować pęknięcie szkła hartowanego.
Według norm chińskich naprężenie powierzchniowe szkła hartowanego nie powinno być mniejsze niż 90 MPa, natomiast normy amerykańskie przewidują, że naprężenie powierzchniowe szkła hartowanego powinno być większe niż 69 MPa. Warto zbadać, czy powierzchniowe naprężenie ściskające szkła hartowanego w naszym kraju można zmniejszyć do poziomu zgodnego lub zbliżonego do standardów Stanów Zjednoczonych.
Jeśli to możliwe, znacznie zmniejszy to szybkość samowybuchu szkła hartowanego. Zmniejszenie wartości granicznej naprężenia ściskającego powierzchni może spowodować, że fragmenty szkła hartowanego będą większe. Jednakże, nawet jeśli powierzchniowe naprężenie ściskające szkła hartowanego jest bardzo duże, a fragmenty są bardzo małe, nie można zagwarantować, że wszystkie fragmenty będą istnieć w stanie rozszczepionym. W wielu przypadkach fragmenty są popękane, ale nie połamane, tworząc „osłonę ze szkła hartowanego”. Wynik nie różni się zbytnio od większych fragmentów, a w niektórych przypadkach szkoda jest jeszcze większa. Dlatego można rozważyć zmniejszenie wartości granicznej powierzchniowego naprężenia ściskającego szkła hartowanego.
Ponadto obowiązująca w naszym kraju norma dla szkła półhartowanego przewiduje, że wartość graniczna powierzchniowego naprężenia ściskającego nie powinna przekraczać 60 MPa, natomiast norma dla szkła hartowanego przewiduje, że wartość graniczna powierzchniowego naprężenia ściskającego nie powinna być mniejsza niż 90 MPa. Jeżeli powierzchniowe naprężenie ściskające szkła wynosi od 60 MPa do 90 MPa, nie należy ono do szkła półhartowanego ani hartowanego i jest uważane za produkt niespełniający norm.
Z tego punktu widzenia należy również obniżyć wartość graniczną powierzchniowego naprężenia ściskającego szkła hartowanego. Jeśli trudno jest powiązać wartość graniczną powierzchniowego naprężenia ściskającego szkła półhartowanego ze szkłem hartowanym, można przynajmniej zmniejszyć wartość graniczną powierzchniowego naprężenia ściskającego szkła hartowanego, aby zmniejszyć różnicę między nimi. Podczas obróbki, transportu, przechowywania oraz konstrukcji powierzchni i krawędzi szkła mogą pojawić się defekty w postaci zarysowań, pęknięć i połamanych krawędzi, które łatwo mogą spowodować koncentrację naprężeń i doprowadzić do samowybuchu szkła hartowanego. Na powierzchni szkła występuje już duża liczba mikropęknięć, co jest również podstawową przyczyną, dla której mechaniczne zachowanie szkła jest zgodne z mechaniką pękania.
Te mikropęknięcia będą się rozszerzać w pewnych warunkach, takich jak działanie pary wodnej itp., co może przyspieszyć rozszerzanie się mikropęknięć. W normalnych warunkach tempo propagacji mikropęknięć jest niezwykle powolne, co objawia się stałą wartością wytrzymałości szkła. Istnieje jednak krytyczna wartość mikropęknięć na powierzchni szkła. Kiedy wielkość mikropęknięć zbliża się lub osiąga wartość krytyczną, pęknięcia szybko się rozszerzają, powodując pęknięcie szkła. Jeśli na powierzchni i krawędziach szkła znajdują się mikropęknięcia zbliżone do rozmiaru krytycznego, takie jak zadrapania, pęknięcia i odpryski na krawędziach powstałe podczas przetwarzania, transportu, przechowywania i budowy, a które są stosunkowo duże, mikropęknięcia na powierzchni lub krawędziach szkła mogą szybko rozszerzać się pod bardzo małymi obciążeniami, ostatecznie prowadząc do pęknięcia szkła.
W tym celu należy poprawić jakość obróbki krawędzi szkła hartowanego i jasno określić wymagania dotyczące obróbki krawędzi, takie jak szlifowanie krawędzi całkowite z obu stron lub szlifowanie krawędzi niepełne z trzech stron, aby uniknąć zarysowań i nierówności na krawędziach i powierzchni szkła. Analizy teoretyczne i eksperymenty pokazują, że stopień odpuszczenia krawędzi szkła hartowanego jest stosunkowo niski. Dlatego też krawędź szkła hartowanego powinna być chroniona priorytetowo. W przypadku punktowo podpartych ścian osłonowych, jeśli w szkle wiercone są otwory, krawędzie otworów należy dokładnie oszlifować, najlepiej do wypolerowania, ponieważ krawędzie otworów w szkle to obszary, w których skupiają się naprężenia. Podczas procesu produkcji szkła hartowanego wymagane jest ogrzewanie i chłodzenie. Nierówna obróbka wzdłuż powierzchni płyty szklanej i asymetria wzdłuż kierunku grubości prowadzą do nierównomiernych naprężeń wzdłuż powierzchni płyty i asymetrycznego rozkładu naprężeń wzdłuż kierunku grubości szkła hartowanego. Wszystko to może spowodować samowybuch szkła hartowanego. Nierówne naprężenia wzdłuż powierzchni szkła hartowanego mogą powodować lokalne naprężenia rozciągające w szkle. Jeżeli naprężenie rozciągające będzie zbyt duże i przekroczy wytrzymałość szkła na rozbicie, szkło pęknie. Rozkład naprężeń wzdłuż kierunku grubości płyty szklanej powinien być symetryczny, to znaczy górna i dolna powierzchnia znajdują się pod naprężeniami ściskającymi, a środkowa powierzchnia poddana jest naprężeniom rozciągającym.
Wielkość naprężenia ściskającego na powierzchni górnej i dolnej, grubość i zmienność warstwy naprężenia są całkowicie symetryczne. Zdolność płyty szklanej do wytrzymywania dodatniego i ujemnego ciśnienia wiatru jest taka sama. Jeśli rozkład naprężeń wzdłuż grubości płyty szklanej jest asymetryczny, zdolność płyty szklanej do wytrzymywania dodatniego i ujemnego ciśnienia wiatru będzie inna. Jedna strona będzie miała większą nośność, druga słabsza. Oznacza to, że szkło może pęknąć pod mniejszym obciążeniem. W ciężkich przypadkach płyta szklana odkształci się pod obciążeniem, powodując zniekształcenie obrazu szyby ściany osłonowej. W tym celu należy poprawić równomierność naprężeń powierzchniowych i symetrię wzdłuż kierunku grubości szkła hartowanego. Szczególnie w przypadku hartowania szkła niskoemisyjnego należy zwrócić większą uwagę na symetrię naprężeń wzdłuż kierunku grubości. Ponieważ różnica w absorpcji promieniowania cieplnego przez górną i dolną powierzchnię szkła niskoemisyjnego spowoduje różnicę temperatur wzdłuż kierunku grubości płyty szklanej podczas nagrzewania, a różnica ta ostatecznie doprowadzi do asymetrii naprężeń szkła hartowanego wzdłuż kierunku grubości.
Obecnie w procesie hartowania szkła stosuje się metodę konwekcji wymuszonej, aby wyeliminować ten niekorzystny czynnik. Naprężenia wewnętrzne szkła hartowanego są nierównomierne i występuje duży gradient naprężeń, co może spowodować samowybuch, objawiający się znacznym zróżnicowaniem wielkości fragmentów. Istnieje pięć punktów pomiarowych powierzchniowego naprężenia ściskającego i przyjmuje się jego wartość średnią. Wartości graniczne różnicy pomiędzy wartościami maksymalnymi i minimalnymi z pięciu punktów pomiarowych należy dodać, aby scharakteryzować równomierność naprężenia ściskającego naprężenia na powierzchni szkła hartowanego. Zmniejszenie wielkości powierzchni płyt ze szkła hartowanego może obniżyć szybkość samowybuchu szkła hartowanego. Obecnie w Chinach zastosowanie szkła architektonicznego wykazuje tendencję do zwiększania i zwiększania powierzchni płyt. Im większy rozmiar szkła hartowanego i grubsza płyta szklana, tym większe prawdopodobieństwo samowybuchu.
w Płyta ze szkła hartowanego , o ile istnieje jeden punkt samowybuchu, który ostatecznie prowadzi do samowybuchu szkła hartowanego, niezależnie od wielkości płyty ze szkła hartowanego, cała płyta ze szkła hartowanego pęknie. Im większa jest płyta szklana, tym bardziej niekorzystne czynniki, takie jak zanieczyszczenia, cząstki siarczku niklu, wady obróbki krawędzi, zarysowania powierzchni i nierównomierne naprężenia, które mogą spowodować samowybuch szkła hartowanego, będą. Pod tym samym obciążeniem wzrośnie prawdopodobieństwo samowybuchu. Dlatego też rozmiar płyt ze szkła hartowanego powinien być ograniczony w zależności od grubości i jakości szkła płaskiego.
Zarówno „Szkło hartowane do drzwi, okien i ścian osłonowych budynków” (JG/T455-2014), jak i „Kodeks techniczny stosowania szkła budowlanego” (JGJ113-2015) zawierają jasne regulacje dotyczące produkcji szkła hartowanego i stosowania szkła budowlanego. W artykule tym dokonano kompleksowego przeglądu właściwości mechanicznych szkła budowlanego i przedstawiono dodatkowe wyjaśnienia ułatwiające zrozumienie powyższych norm.
