Спонтанное разрушение стекла: почему это происходит и что с этим делать

Майкл Л. Руперт. За последние несколько лет произошло несколько широко освещаемых инцидентов, связанных с тем, что оконные и балконные стекла самопроизвольно разбивались и падали с высотных зданий в Торонто, Чикаго, Лас-Вегасе и Остине, Техас. В то время как такие эпизоды редки, опасность, которую они представляют, вынудила авторов строительных кодов, архитекторов, правительственных чиновников и смежных отраслевых специалистов пересмотреть, какие типы стекла должны быть указаны для применения в стекле, где первостепенное значение имеют прочность и защита прохожих.

Для архитекторов и спецификаторов важно иметь представление о потенциальных причинах самопроизвольного разбития стекла, включая некоторые распространенные заблуждения относительно его фактической самопроизвольности. Термин «безопасное остекление», как правило, относится к любому типу стекла, спроектированному для снижения вероятности получения серьезной травмы при контакте с человеком. Помимо балконного стекла, безопасное остекление обычно требуется для:

• раздвижные стеклянные двери;
• душевые двери;
• мебель для патио;
• световые люки;
• стекло для духовки; а также
• автомобильные ветровые стекла.

Закаленное, ламинированное и термоупрочненное стекло
Наиболее распространенным типом безопасного стекла является закаленное стекло, которое изготавливается путем нагревания предварительно нарезанных стеклянных панелей до температуры около 650 ° С (1200 F), а затем их быстрого охлаждения с помощью процесса, называемого «закалка». Охлаждая внешние поверхности панели быстрее, чем центр, закалка приводит к сжатию поверхностей и краев стекла, а к центру стекла - к растяжению.

С ростом числа случаев самопроизвольного разбития стекла индустрия остекления ищет новые способы сделать сборки более безопасными. Изображения предоставлены PPG Industries

В дополнение к тому, что закаленное стекло в четыре-пять раз прочнее, чем обычное отожженное стекло, повторный нагрев и быстрое охлаждение значительно изменяют характеристики разрушения стекла. Следовательно, когда разбитое закаленное стекло разбивается, оно разбивается на тысячи крошечных камешков - это практически исключает опасность травмирования людей, вызванного острыми краями и летающими осколками.

Другой тип безопасного остекления, многослойное стекло, изготавливается путем наложения промежуточного слоя винила (обычно поливинилбутираля [PVB]) между двумя слоями стекла, чтобы удерживать панель вместе, если она разбилась. Хотя многослойное стекло чаще всего ассоциируется с ветровым стеклом для автомобилей, оно все чаще используется для витрин, навесных стен и окон, чтобы соответствовать нормам для ураганоустойчивого стекла.

Третий вариант - закаленное стекло, технически не является безопасным остеклением. Это потому, что когда он ломается, он может образовывать большие острые осколки, которые могут привести к серьезным травмам. Тем не менее, закаленное стекло по-прежнему соответствует требованиям Комиссии по безопасности потребительских товаров (CPSC) 16 Кодекса федеральных правил ( CFR ), часть 1201, и класса A Американского национального института стандартов (ANSI) Z97.1 « Материалы для безопасного остекления, используемые в зданиях? и Методы испытаний , для многих применений безопасного стекла, когда он комбинируется с многослойным промежуточным слоем, который удерживает стекло вместе, если оно разбивается.

Как и при отпуске, при термическом упрочнении предварительно нарезанные стеклянные панели подвергаются воздействию температур до 650 ° С, но с более медленным процессом охлаждения. Термоупрочненное стекло не такое прочное, как закаленное стекло, поскольку прочность на сжатие ниже - примерно от 24 130 до 51 710 кПа (от 3500 до 7500 фунтов на квадратный дюйм) по сравнению с 68 950 кПа (10000 фунтов на квадратный дюйм) или выше. Однако он вдвое прочнее отожженного стекла. По этой причине жаропрочное стекло часто используется для применений, требующих устойчивости к тепловым нагрузкам, снеговым и ветровым нагрузкам.

Причины поломки стекла
Инциденты самопроизвольного разрушения стекла в Чикаго, Лас-Вегасе, Остине, Техасе и Торонто произошли исключительно с закаленным стеклом. Несмотря на высокий уровень прочности и способности материала соответствовать требованиям безопасного остекления, он однозначно уязвим к таким типам сбоев. По иронии судьбы, зона растяжения центра, сконструированная в закаленное стекло в процессе закалки, также делает его настолько уязвимым для катастрофического разрушения.

Для раздвижных стеклянных дверей, душевых дверей и мебели для патио обычно требуется безопасное остекление. «Безопасное остекление» обычно относится к любому типу стекла, которое спроектировано таким образом, чтобы снизить вероятность получения серьезных травм.

Плохое качество кромки
Существует много потенциальных причин самопроизвольного разрушения закаленного стекла. Наиболее распространенным является повреждение краев стекла, когда оно предварительно нарезается на панели, или зазубрины или сколы по краям, возникающие при упаковке, транспортировке или установке стекла на месте.

Хотя такое повреждение может быть неочевидным, концентрации напряжений вокруг этих дефектов могут возникать по мере того, как стекло расширяется и сжимается в ответ на изменения температуры в процессе эксплуатации, ветровую нагрузку, движение здания и другие факторы окружающей среды. В конечном счете, когда эти напряжения приводят к разрушению стекла, действие может казаться спонтанным, когда на самом деле обстоятельства неудачи были созданы месяцами или даже годами ранее.

Рама, связанная с поломкой
Расширение и сжатие элементов каркаса из стекла может также привести к поломке, связанной с рамой, - еще одной распространенной форме, по-видимому, спонтанного отказа. Такие инциденты происходят, когда прокладки, установочные блоки или краевые блоки в металлическом окне или каркасе ненесущей стены отсутствуют или не обеспечивают достаточной амортизации стекла от контакта стекла со металлом, вызванного температурой или движением, связанным с ветром. Это может привести к повреждению кромки и поверхности стекла, когда оно входит в контакт с периметром металлического каркаса, создавая напряжения, которые в конечном итоге приводят к его разрушению без видимой причины.

Никель-сульфидные частицы являются крошечными, чрезвычайно редкими и встречаются только случайно в флоат-стекле. Эта комбинация делает визуальный контроль таких включений крайне непрактичным, если не невозможным.

Тепловая нагрузка
Другой потенциальной причиной самопроизвольного разрушения стекла является тепловое напряжение. Термоиндуцированные напряжения в стекле вызваны положительной разницей температур между центром и краем стекла, что означает, что первое горячее, чем второе. Расширение центра нагретого стекла приводит к растягивающему напряжению на краю стекла. Если термически вызванное напряжение превышает прочность кромки стекла, происходит поломка.

Учет теплового напряжения особенно важен сегодня, так как современные дизайнерские тенденции и стремление к дневному освещению подталкивают индустрию к спецификации более крупных стеклопакетов (IGU) с высокоэффективными солнечными контрольными покрытиями. Большие стеклопакеты по своей природе имеют большую площадь поверхности стекла и края. Когда они сочетаются с покрытиями, предназначенными для управления солнечной энергией, требуется более тщательный анализ тепловых напряжений.

Не существует известной технологии, которая полностью исключает возможное образование сульфидных никелевых камней в флоат-стекле. Кроме того, поскольку камни сульфида никеля очень малы, практического способа проверить их наличие в флоат-стекле нет.

Никель-сульфидные включения
Гораздо менее распространенной, но часто упоминаемой причиной самопроизвольного разрушения стекла являются никель-сульфидные (NiS) включения в закаленном стекле. Мелкие никель-сульфидные камни могут образовываться случайным образом при производстве флоат-стекла. Они обычно доброкачественные, даже если они встречаются в закаленном стекле.

Североамериканские производители стекла не используют никель в серийных составах для первичного стекла и идут на все, чтобы избежать никельсодержащих компонентов в своих процессах плавления стекла. Несмотря на строгий контроль качества и процедуры, направленные на снижение вероятности образования сульфидных никелевых камней, не существует технологии, полностью исключающей их образование в современном флоат-стекле.

Никель-сульфидные камни довольно малы, и их наличие в конечном стеклянном продукте покрыто ASTM C1036, Стандартной спецификацией для плоского стекла , которая допускает пятна (включая частицы никеля-сульфида) от 0,5 до 2,5 мм (от 1/50 до 1 / 10 дюймов) в флоат-стекле, в зависимости от размера и качества стекла.

Хотя в отожженном или термически упрочненном стекле могут присутствовать сульфидно-никелевые включения, проблемы, которые они вызывают, специфичны для закаленного стекла из-за процесса отпуска. Поломка происходит из-за увеличения объема камня. Как указывалось ранее, во время процессов отжига и термического упрочнения стекло охлаждается при более медленных, контролируемых температурах, которые позволяют присутствующим частицам сульфида никеля завершить фазовое превращение (известное как фазовое превращение), во время которого они полностью расширяются. до их окончательного размера и остаются стабильными после этого.

В процессе отпуска это фазовое превращение прекращается во время быстрого охлаждения, что приводит к тому, что любые присутствующие частицы сульфида никеля остаются в своих сжатых состояниях до превращения. Затем, когда закаленное стекло подвергается воздействию более высоких рабочих температур, вызванных усилением солнечного тепла или другими высокотемпературными воздействиями, частицы сульфида никеля могут возобновить свой объемный рост. Если расширение достаточно велико - а частица находится в зоне растяжения центра панели из закаленного стекла - результирующего напряжения может быть достаточно, чтобы разбить стекло.

Когда разбитое закаленное стекло разбито (как показано выше), оно разбивается на тысячи крошечных камешков, что практически исключает опасность травмирования людей, вызванного острыми краями и осколками стекла. Сжатие поверхности термостойкого стекла делает его примерно в два раза прочнее, чем отожженное стекло. Термоупрочненное стекло обычно используется, когда стекло должно выдерживать тепловые или механические нагрузки, вызванные теплом, ветром или снегом.

Является ли замачивание раствором?
Как указано, частицы сульфида никеля являются крошечными, чрезвычайно редкими и встречаются только случайно в флоат-стекле. Эта комбинация делает визуальный контроль таких включений очень непрактичным, если не невозможным. По этой причине некоторые производители стекла и подрядчики по остеклению предлагают закаленное закаленное стекло в качестве потенциального решения для минимизации риска самопроизвольного разбития стекла.

В этой процедуре поставщик стекла подвергает целую партию или статистический отбор закаленных стеклянных панелей при температуре от 288 до 316 ° С (от 550 до 600 ° F) в течение двух-четырех часов. Цель состоит в том, чтобы инициировать или ускорить изменение фазы любых включений сульфида никеля, которые могут присутствовать, и заставить стекло разбиться, прежде чем оно будет доставлено конечному потребителю.

Хотя эта процедура «сломай сейчас, а не позже» может устранить дефектные закаленные стеклянные панели, разрушив их перед отправкой, она не может обеспечить 100-процентную гарантию от самопроизвольного разрушения. Даже сторонники замачивания осторожно заявляют, что процедура может только уменьшить или минимизировать риск самопроизвольного разрушения закаленного стекла. Они не будут использовать такие слова, как «предотвратить» или «гарантировать».

Как показывают эти иллюстрации, термически упрочненное стекло и закаленное стекло имеют характерные рисунки разрушения.

Риски замачивания
Существуют риски, связанные с процедурой замачивания, которые могут перевесить любые предполагаемые преимущества. Например, небольшие стабильные включения могут подвергаться фазовому переходу во время замачивания. Хотя изменения фазы может быть недостаточно, чтобы вызвать поломку во время процедуры, преобразование может потенциально продолжиться после установки стекла, что приведет к его поломке в процессе эксплуатации.

Повторное воздействие на закаленное стекло при повышенных температурах замачивания также может снизить поверхностное сжатие, которое является источником его прочности. В конечном итоге это может подорвать способность стекла соответствовать требованиям безопасности или прочности, для которых оно предназначалось.

Кроме того, выдержка под воздействием тепла добавляет еще один уровень обработки в производственный процесс, что создает больше возможностей для повреждения кромок, царапин или изменения цвета покрытия low-e, а также других дефектов, которые могут оказать влияние на долговечность изделия из закаленного стекла в долгосрочной перспективе. долговечность и производительность.

Решения для безопасности
В последние месяцы две организации сделали крупные объявления, вызванные главным образом в ответ на инциденты падения стекла в Торонто, Чикаго, Лас-Вегасе и в других местах. Оба разделяют общую оценку, а именно, что использование многослойного закаленного стекла или термоупрочненного стекла является наиболее жизнеспособным решением для повышения безопасности балконных и других типов накладных стекол.

Полностью закаленное стекло и термоупрочненное стекло производятся с использованием одного и того же основного процесса нагрева и закалки.

В Канаде Группа экспертов по стеклянным панелям на балконных щитах, созданная Министерством муниципальных дел и жилищного строительства Онтарио (MAH), рекомендовала внести поправки в местные строительные нормы и правила, предписывающие использование термостойкого многослойного стекла для любых внешних защитных ограждений или остекления, расположенных за пределами край пола или в пределах 50 мм (2 дюйма) от края пола. Для наружного остекления, расположенного на расстоянии более 50 мм от края, в качестве панели рекомендуется использовать термостойкое закаленное стекло или термостойкое многослойное стекло.

Аналогичным образом, в декабре 2012 года Международный совет по коду (ICC) принял изменение кода, предложенное Комитетом по коду остекления промышленности (GICC), предписывающее использование многослойного стекла в поручнях, поручнях или защитных секциях. Вновь утвержденный кодекс гласит, что многослойное стекло должно быть изготовлено из одного полностью закаленного стекла, многослойного полностью закаленного стекла или многослойного термоупрочненного стекла и соответствовать CPSC 16 CFR Part 1201 или классу A ANSI Z97.1.

Заключение
С учетом разработок и рекомендаций, изложенных в этой статье, ясно, что прослойка многослойного стекла в сочетании с закаленным или термоупрочненным стеклом может предложить оптимальное сочетание характеристик для применений, где первостепенное значение имеет риск травмирования в результате выпадения стекла. Для небезопасных стеклянных применений, где требуется прочность и устойчивость к самопроизвольному разрушению, следует рассмотреть возможность использования неламинированного термоупрочненного стекла из-за его более низкой стоимости.

Майкл Л. Руперт - директор по техническому обслуживанию и разработке продукции для плоского стекла PPG Industries. Ветеран компании, 39 лет, он является членом совета директоров Стекольной ассоциации Северной Америки (GANA) и возглавляет подразделение по производству плоского стекла. Руперт получил степень бакалавра в области гражданского строительства и степень магистра делового администрирования в университете Питтсбурга. Он может быть достигнут в [email protected] ,