幕墻玻璃失效的原因分析

TruSeal技術公司 劉軍      


    80年代后期開始，我國玻璃幕墻的建設用量獲得了飛躍發展，幕墻品種豐富多彩，

玻璃幕墻、石材幕墻、鋁板幕墻的出現，給建筑外觀增添了明快的感覺。

    隨著幕墻使用量的增多，幕墻工程質量也越來越引起人們的重視，幕墻的耐老化

性能即幕墻的使用壽命問題，已經引起業界人士的廣泛關注。

    影響幕墻壽命的因素有以下幾個方面：

    1．幕墻結構件的壽命，也就是鋁合金型材的結構失效與否，將直接影響到幕墻的

安全性能，這方面的因素很多，如鋁合金的強度設計、型材老化等原因，這里不做過

多敘述；

    2．結構粘接部位的壽命，主要是指粘接幕墻構件與結構件之間的結構膠失效，

也影響整個幕墻的安全性能，雖然涉及的因素很多，在這里也不做過多的評論；

    3．幕墻單元件的壽命，主要指幕墻采用的玻璃單元的使用壽命問題，本文將分別

就幕墻玻璃失效現象進行分析，并要點論述產生的原因及預防措施。

    幕墻設計考慮的因素主要是從建筑美觀、實用的角度考慮，將幕墻的空氣滲透控制、

雨水滲透控制、熱性能（熱損失和熱獲得）性能控制和幕墻表面的凝露阻抗作為設計的

要點進行控制，這些性能不僅包括了幕墻產品的隔熱性能，同時包括了幕墻的采光性能、

外觀性能和安全性能。隨著對建筑外觀多樣化的需求越來越高，各種綜合配置的玻璃也

被廣泛應用到幕墻上來，如各種顏色的鍍膜玻璃、鋼化玻璃和各種玻璃組合而成的中空

玻璃在幕墻工程上的使用越來越普及，也越來越得到認可。但是隨之而來的是各種玻璃

出現了過早失效的現象，給用戶、施工單位造成了各種困難。

    幕墻玻璃失效的形式多種多樣，歸納起來不外乎以下幾點：

    1．中空玻璃結露進水失效，影響幕墻工程的視線和熱性能；

    2．玻璃炸裂，包括玻璃熱炸裂和鋼化玻璃爆開炸裂；

    3．鍍膜玻璃脫膜，造成建筑美感喪失；

    一．中空玻璃失效原因及解決措施：

    中空玻璃產品失效的典型現象的在中空玻璃間隔層內部結露、進水（見文件圖），這

樣的產品不僅影響整個玻璃的外觀，還對整個玻璃的熱性能造成影響。造成這種現象的原

因包括幾個方面：

    1．制作中空玻璃選用的原材料質量的影響；對中空玻璃壽命產生影響的關鍵因素是

密封劑的耐老化性能和干燥劑的吸附能力的大小，而決定因素是密封劑的性能。因為不論

干燥劑的吸附能力有多大，在中空玻璃的內部畢竟有一定量的限制，當中空玻璃內部的干

燥劑完全吸附飽和后，再好的干燥劑也不能再對水蒸氣吸附了，這時的中空玻璃也該失效

了。只有當密封劑的密封性能好，水氣滲透系數低時，進入中空玻璃內部的水蒸氣的量很

少，而且一直保持這個狀態，僅用很少的干燥劑就能保證中空玻璃內部氣體干燥，從而保

證中空玻璃的效果。要保持密封劑長期不變，就必須要求密封劑有很好的耐老化性能，如

果這些材料選用質量不好，就將影響中空玻璃產品的壽命，在所有密封劑中，較能夠體現

對潮氣阻擋性能的密封劑是以丁基膠為基本原料的各種類型的密封劑，所以在幕墻標準中

規定幕墻中空玻璃必須采用雙道密封是十分正確的決定。下面是各種密封膠的水氣滲透系

數表，從表中我們可以看出，結構膠是不能單獨作為中空玻璃密封膠的。

    各種密封劑的水汽滲透系數表 表2

    密封劑 結構膠 聚硫膠 聚氨酯 丁基膠 實唯高膠條

    水汽滲透系數 46．42 18．86 13．07 0．36 0．09

    對干燥劑的性能要求是必須具備初始吸附能力低，便于生產操作，而剩余吸附能力強，

保證在密封的中空玻璃內部具有更多的吸附能力并且僅僅對水分子進行吸附、具有一定的

耐磨強度，通常情況下選擇3A的分子篩作為中空玻璃的專項使用吸附劑，而對于特殊的、內部

含有揮發物的密封膠，要求干燥劑特殊具備吸附農業生產體系分子的能力，一般選擇13X型的分子篩，

作為既吸附水又吸附農業生產體系物的分子篩。干燥劑吸收水蒸氣的能力隨著干燥劑溫度變化而不

同，不同的干燥劑在給定溫度條件下吸收水蒸氣數量不同，取決于中空玻璃腔體內得到水

蒸氣的速度，水蒸氣速度增長是幾個因素的函數，包括：

·干燥劑的吸附水蒸氣的能力：

    · 密封劑的水氣傳送速度（MVTR或者水蒸氣滲透通道）；

    · 密封劑的水氣傳送通道（MVTP），通道長度（從中空玻璃外部到腔體內部）和面積

（中空玻璃周邊長度乘以玻璃和間隔框密封劑之間的寬度）；

    · 結構方法；

    · 通過周邊密封膠水氣分壓；

    · 工藝和服務環境；

    干燥劑吸附水氣的能力依次是下面因素的函數，包括：

    · 被干燥劑晶體吸附的通過黏結劑（對鋁條+丁基膠）或者基體（對擠出材料）的氣體擴散速度；

    · 水分子尺寸與對應的分子篩晶體微孔尺寸；

    · 水分子與分子篩表面吸附的親和力

    · 分子篩的溫度。

    這些因素的影響是動態的不是靜態的，例如：硅膠和分子篩吸附水蒸氣的能力隨著溫

度而變化，（通常，吸附能力在高溫、低溫時都會降低，很顯然，硅膠的能力降低的幅度

較分子篩更大），水蒸氣滲透速度（MVTR）隨通過密封膠的水蒸氣壓梯度差異變化而改變

（隨中空玻璃內部間隔層相對濕度增加而增加），水蒸氣傳送通道MVTP面積隨間隔層的體

積變化而變化（根據環境空氣、溫度變化、陽光得熱和普通大氣壓力變化），隨服務環境

變化（從夏天到冬天、從一個住戶到另外的住戶或者從一個住戶種類到另外一種）,這樣，

在中空玻璃間隔層內水蒸氣含量增加的速度不是一個常數。露點溫度上升與時間的關系并

不一定是線性的，需要綜合考慮很多因素才能作出評估結論。

    2．中空玻璃的加工制作工藝質量存在缺點，造成空氣中的水氣透過密封膠的縫隙進入

中空玻璃內部，造成中空玻璃過早失效（見圖）；

    中空玻璃失效時間可以采用下面經驗公式進行簡單預測：

    W = M• A •θ• ΔP其中：W--在不結露情況下，中空玻璃內部較

大的濕度含量；

    M=µ/L µ--水氣滲透性能；L--密封膠的高層度；

    A--密封膠的面積，A==密封膠寬度×周長；

    θ--時間；

    ΔP--通過密封膠截面水氣含量差別產生的水氣壓力；

    中空玻璃失效時間：θ=（M•L）/µ•A•ΔP

    在這里，L和A會因為生產操作工藝粗糙而縮短，µ會隨著濕度加大而加大，ΔP

也隨著時間增加而加大。

    3．中空玻璃的安裝質量及使用環境對中空玻璃壽命的影響。

    中空玻璃在安裝過程中應該避免產生長久的機械應力存在，對于墊塊、密封膠、耐候

膠應該正確使用，起結構粘接作用的膠必須采用結構膠，以保證具有足夠的粘接強度。而

在兩塊玻璃接口位置，就必須采用耐候膠密封，以阻擋水氣與中空玻璃或者結構件接觸，

保證中空玻璃和結構件具有長久的壽命。

    在不同的地區使用中空玻璃，由于當地的氣候濕度存在很大的差異，將對中空玻璃的

使用壽命造成很大的影響。濕度大的地區，由于空氣中的水氣壓與中空玻璃內部的水氣分

壓差非常大，中空玻璃的失效時間會縮短，反之，就會延長中空玻璃的使用壽命。

    為了避免中空玻璃出現過早失效現象，在制作過程中應該嚴格控制中空玻璃的原材料

，要點選擇水氣密封性能好的密封膠和吸水能力強的分子篩，嚴格控制中空玻璃的安裝工

藝，正確選用合適的密封膠或者結構膠對中空玻璃組件或者單元進行密封和粘接。

    二．玻璃炸裂原因及解決措施

    玻璃炸裂主要表現在兩個方面，一方面是玻璃的熱炸裂，另一方面是鋼化玻璃的炸裂。

下面將分別論述：

    玻璃熱炸裂的原因：

    造成玻璃的熱炸裂因素很多，主要受玻璃自身性能和外部環境條件的影響，一般來講，

造成玻璃熱炸裂的主要因素有三個：

    1．玻璃的吸熱率

    由于熱炸裂的機理是玻璃吸收陽光中的紅外輻照，自身溫度升高，與邊部的冷端之間

形成溫度梯度，造成非均勻膨脹或受到約束，形成熱應力，進而使薄弱部位發生裂紋擴展。

    不同部分玻璃溫度差別引起玻璃板內的熱應力，舉例來說，在熱的季節，玻璃中心的

溫度較玻璃邊部的溫度上升快，因為玻璃邊部在裝配框的內部并將直接輻射遮蔽。在框內

的玻璃面積可以忽略太陽輻射，玻璃中心在溫度增加時膨脹，玻璃邊部將承受膨脹產生的

拉應力。玻璃邊部膨脹在下面公式給出：

    dL = a x Lx dT

    在這里：a是熱膨脹系數；L是原始長度；dT是玻璃邊部與中心的溫度差。

    誘導應力由下式給出：

    s = ( dL / L ) x E

   這里，E是Young’s模數；

    一度溫度差的誘導應力a x E

    a=10x10-6/0C和E=70,000MPa(N/mm2)

    一度溫度差引起的應力大約是0.7 MPa ( N/mm2 )，當應力水平超過20MPa( N/mm2 )時，

普通退火浮法玻璃熱炸裂十分危險，當玻璃中心與玻璃邊部溫度差達到30℃時，將引起玻璃

熱炸裂。如果玻璃的邊部缺點很多、操作過程出現損害或者裝配錯誤，炸裂將在更低的溫度

下發生。

    玻璃本身對紅外線的吸收率是一個關鍵因素，吸熱玻璃和鍍膜玻璃熱炸裂是十分普遍的

現象。吸熱玻璃的熱吸收率在20—40之間，如果再鍍膜，則玻璃本身需要經過雙重的太陽能

加熱，導致玻璃中心溫度與邊部溫度差過大，更容易產生熱炸裂。在設計吸熱玻璃、吸熱鍍

膜玻璃工程時，一定根據使用環境來確定玻璃的品種和安裝位置如鍍膜玻璃透射率、玻璃的

朝向、環境的溫度、玻璃與邊框以及墻體連接情況及墻體的導熱情況等，并盡可能將玻璃做

強化或者熱增強處理，提高玻璃本身抵抗熱應力的能力。

    2.玻璃的板面尺寸

    玻璃的板面越大，受熱膨脹后的變形也越大，形成的約束反力也越大，相應地造成更大

熱應力，增加了熱炸裂的幾率。同時板面尺寸越大，越容易受到其它荷載的更大疊加效應。

所以在追求大板面玻璃的裝飾效果的同時，應對風荷載、熱應力、邊框變形、自重、裝配應

力等綜合影響作一體考慮。

    3．玻璃邊部的加工質量

    因為誘導應力集中的作用，一般玻璃炸裂都是從不理想的玻璃邊部開始的。這些炸裂容

易鑒別是因為他們在損害的地點與玻璃邊部垂直相交。。玻璃邊部炸裂紋的數量取決于玻璃

板的邊部缺點的嚴重程度和玻璃墊塊的硬度并。一般來講，應該采用邵氏硬度在80-90度的墊

塊支撐玻璃的邊部并通風避免陽光直接照射，墊塊太軟，容易造成玻璃位移，而太硬將對脆

弱的玻璃邊部造成損害，導致玻璃熱炸裂，在加工安裝時較好將玻璃邊部進行精磨，并剔除

有嚴重缺點的玻璃。

    鋼化玻璃炸裂

    能夠導致鋼化玻璃炸裂的外部原因包括負載、碰撞、焊滴、不適當的間隙和邊部損害都

可以導致強化玻璃破損，盡管因為鋼化玻璃的應力高，破損的危險低。帶有干凈切割邊部的

鋼化玻璃在正常環境條件下，不會發生熱應力破損，因為他們要求玻璃中心和邊部的溫度差

達到90℃-150℃，而導致鋼化玻璃破損的內在因素包括鋼化玻璃邊部缺點等應力集中區域、

鋼化玻璃內部應力過大和鋼化玻璃內部存在硫化鎳雜質。前兩種因素是由于鋼化玻璃加工過

程中工藝控制原因導致的，硫化鎳的因素在原片玻璃制作過程產生。

    玻璃內部可能包含硫化鎳雜質，以小水晶狀態存在，在一般情況下，不會造成玻璃破損，

但是由于鋼化玻璃重新加熱，改變了硫化鎳雜質的相態，硫化鎳的高溫α態在玻璃急冷時被

凍結，他們在恢復到β態可能需要幾年的時間，由于低溫β態的硫化鎳雜質將產生體積加大，

在玻璃內部產生局部的應力集中，這時鋼化玻璃爆開將發生。然而，僅僅比非常大的雜質將引

起爆開，而且僅僅當雜質在拉應力的核心部位時才能發生鋼化玻璃爆開。硫化鎳可以在生產

完成后任何時候發生，較典型的引起鋼化玻璃爆開的時間是產品生產完成后的4-5年。

    為了減少鋼化玻璃在建筑上爆開的可能，一方面需要在加工制作過程中，嚴格控制玻璃

的磨邊精度、嚴格控制鋼化工藝，在滿足鋼化玻璃質量要求的情況下盡可能降低鋼化玻璃的

內部應力，嚴格挑選原片玻璃，將硫化鎳晶體排除在鋼化過程之外，較后是將鋼化玻璃做熱

浸處理，雖然這樣會導致鋼化玻璃的成本增加，但是可以清理鋼化玻璃在幕墻上爆開的危險

并延長幕墻的使用壽命。

    經過各方面的努力，較終的幕墻產品的使用壽命是可以控制并得到應該得到的壽命的，

讓我們一起努力，為我國建筑行業的發展做貢獻！