Самопроизвольная поломка

Все мы слышали резкий треск гальки или обломка дорожного мусора, ударяющегося о лобовое стекло нашей машины. Мы можем сразу увидеть точечное отверстие или трещину и знать, что это неизбежно приведет к тому, что паутина пробьется по стеклу и приведет к поломке лобового стекла, если его не лечить.

То, что крошечный удар может привести к значительному повреждению стекла, не ограничивается нашими транспортными средствами. Подобные проблемы случаются и с промышленным остеклением.

Незначительное повреждение кромки во время работы со стеклом, царапина или зарубка во время установки, дефект конструкции или естественное несовершенство стекла - все это может привести к самопроизвольному разрушению - кажущемуся самопроизвольному разрушению стекла.

Для профессионалов в области дизайна и строительства ключом к профилактике может быть понимание того, как и почему разбивается стекло.

БЕЗОПАСНОЕ ОСТЕКЛЕНИЕ

Как правило, стекло получают путем сплавления диоксида кремния (компонент песка), карбоната натрия (или кальцинированной соды, которая снижает температуру плавления диоксида кремния) и оксида кальция (или извести, которая повышает химическую стабильность) вместе при высокой температуре.

Затем стекло охлаждают, придают ему форму и дополнительно охлаждают (процесс, называемый отжигом), чтобы стабилизировать и упрочнить его.

Стандартное отожженное стекло можно использовать для окон в зонах с низкой проходимостью, но в большинстве норм вместо этого требуется безопасное остекление. В случае разбития отожженное стекло разлетится на острые осколки.



Слева: стандартное отожженное стекло разбивается на острые осколки; Справа: закаленное или закаленное стекло разбивается на мелкие кусочки размером с гальку.

Безопасное остекление снижает риск травм при поломке. Стекло обрабатывают, чтобы усилить и изменить его ломкость. Существует два основных типа безопасного остекления: закаленное стекло и многослойное стекло.

Термоупрочненное стекло обеспечивает большую стабильность, чем отожженное, но не может считаться безопасным стеклом, поскольку при разбивании оно может образовывать большие осколки.

Как закаленное, так и термоупрочненное стекло подвергаются термообработке до 1200 градусов F (650 градусов C) и принудительному охлаждению для создания поверхностного или краевого сжатия.

Закаленное стекло очень быстро охлаждается, обеспечивая более высокое сжатие поверхности и кромок.

Термоупрочненное стекло охлаждается медленнее для уменьшения сжатия поверхности и кромок, чем закаленное стекло, но все же имеет более высокие свойства, чем отожженное стекло.



Схема, показывающая термоупрочненное стекло

Закаленное стекло, также называемое закаленным стеклом, подвергается термообработке для обеспечения минимального поверхностного сжатия 10 000 фунтов на квадратный дюйм и ударопрочности, в четыре раза большей, чем отожженное стекло.

Процесс быстрого охлаждения или закалки приводит к сжатию поверхностей и краев стекла, в то время как центр остается в напряжении.

Этот процесс изменяет характеристики разбивания стекла, так что при разбивании оно разбивается на крошечные кусочки размером с гальку, что снижает вероятность травмирования острыми осколками.

Закаленное стекло нельзя резать. Термоупрочненное стекло было подвергнуто термообработке для поверхностного сжатия от 3500 до 7500.

При вдвое большем сжатии поверхности, чем отожженное стекло, термически упрочненное остекление используется вместо обычного остекления, где требуется дополнительная тепловая и ветровая защита.

Другой вариант безопасного остекления, многослойное стекло, использует комбинацию тепла и давления для размещения одного или нескольких слоев поливинилбутираля (ПВБ) между двумя или более слоями стекла.

Слои многослойного стекла удерживают панель вместе в случае разрушения, увеличивая при этом прочность и стабильность кромок.



Изображение из ламинированного стекла любезно предоставлено Дж. Э. Берковицем.

ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ

По своей природе хрупкий строительный материал, стекло всегда может треснуть.

В то время как производители производят безопасное остекление и самовосстанавливающиеся покрытия и разрабатывают новые методы повышения прочности и безопасности стекла, специалисты по проектированию и строительству должны помнить об общих причинах поломки и профилактических мерах.

ОБРАЩЕНИЕ С ПОВРЕЖДЕНИЯМИ

Чаще всего причиной разбивания стекла является повреждение кромки или поверхности во время работы.

Даже малейшие порезы или сколы в стекле во время упаковки, транспортировки или установки могут - со временем и естественным расширением и сжатием из-за изменений температуры и незначительного движения здания - создать концентрацию напряжения вокруг дефекта, что может привести к поломке в будущем.

Хотя эти перерывы кажутся спонтанными, они имеют естественную причину. Правильное обращение обученными профессиональными стекольщиками является основным средством предотвращения подобных поломок.

ОБРЫВ, СВЯЗАННЫЙ С КАДРОМ

Если прокладки, установочные блоки или краевые блоки в металлическом окне или каркасе занавеса отсутствуют, повреждены или недостаточны для защиты стекла от контакта стекла с металлом, вызванного изменениями температуры и движением здания, могут накапливаться напряжения, которые в конечном итоге приводят к к поломке.

Движение здания или системы каркаса из-за ветра или условий окружающей среды также может способствовать контакту стекла с металлом.

Неправильно спроектированное стекло, слишком большое или тонкое для своего местоположения, может быть повреждено ветром или погодой.

Тщательный анализ конструкции, надлежащее проектирование и профессиональная установка могут предотвратить самопроизвольную поломку рамы.

ТЕПЛОВОЕ НАПРЯЖЕНИЕ.

В связи с повышенным вниманием к естественному дневному освещению и пассивному солнечному дизайну, разбивание стекла, связанное с термическим напряжением, должно стать серьезной проблемой.

Когда центр оконного стекла становится горячее, чем его край, расширение нагретого центра стекла может создать растягивающее напряжение по краю.

Если термическое напряжение превышает прочность кромки, стекло может разбиться.

Большие стеклопакеты (стеклопакеты), особенно в сочетании с солнцезащитными покрытиями, требуют термического анализа, чтобы избежать поломки из-за напряжений.

На этапе проектирования можно внести изменения в тепловое моделирование и конструкцию, чтобы уменьшить самопроизвольное разрушение, связанное с термическим напряжением.

ПЕРЕРЫВ ВКЛЮЧЕНИЯ

Это относительно редко, но во время отпуска никелевые загрязнения в флоат-стекле могут вызвать образование камней сульфида никеля.

Со временем, когда установленное закаленное стекло подвергается естественным перепадам температуры, крошечный камень может расширяться, в результате чего стекло разбивается.

Камни из сульфида никеля могут присутствовать в отожженном и термоупрочненном стекле, но не подвержены самопроизвольному разрушению, потому что более медленный цикл охлаждения либо останавливает фазовый переход камней, либо улавливает их до того, как они смогут объемно расшириться.

Не существует известной технологии удаления камней из сульфида никеля, и они могут быть настолько маленькими - от 0,003 до 0,015 дюйма в диаметре, - что также невозможно визуально проверить их присутствие во флоат-стекле.



микроскопические включения сульфида никеля

Рекомендации ASTM допускают наличие дефектов, включая камни из сульфида никеля, размером от 0,020 до 0,1 дюйма, но это намного больше, чем типичный размер камня. Для получения полной информации см. Стандартные технические условия ASTM C1036 для плоского стекла.

Некоторые производители принимают меры предосторожности в отношении присутствия никелевого сульфидного камня.

PPG и другие североамериканские производители стекла не используют никель в составе первичных партий, запрещают использование никельсодержащих металлов и используют магнитные сепараторы.

PPG также рекомендует термоупрочненное стекло, когда требуется термообработанное стекло, за исключением случаев, когда нормы требуют безопасного остекления.

Промышленный консультант Билл Коддингтон, цитируемый в статье Glass.com в 2008 году, заявил: «Заводы по производству первичного стекла в Соединенных Штатах отлично справляются с выбором сырья и производственного оборудования, чтобы свести к минимуму вероятность попадания никеля в поплавок. замес стекла. "

Сверху: два примера повреждения краев стекла (верхнее изображение любезно предоставлено Bruening Glass Works); разрушение закаленного стекла - обратите внимание, что стекло остается в рамке; возможный разрыв включения, определяемый рисунком излома «крыло бабочки» в центре

ТЕПЛОВОЕ ЗАМАЧИВАНИЕ

Тепловое замачивание часто используется в приложениях с высокими требованиями, таких как стены с точечной опорой, или когда снижение вероятности самопроизвольного разрушения является приоритетом.

Примеры включают перила, двери, тяжелое закаленное стекло и стеклопакеты.

Во время теплового замачивания партия образцов или полная партия панелей из закаленного стекла подвергается воздействию температур от 288 до 316 градусов C (от 550 до 660 градусов F) в течение до четырех часов для проверки и уменьшения включений.

Процесс побуждает любые включения сменить фазу и разбить стекло перед отправкой.

Промышленность не согласна с подходом к пропитыванию тепла «ломать сейчас - не позже». Этот процесс снижает вероятность поломки, связанной с включениями, но не может предотвратить или гарантировать, что другие включения не изменятся и не приведут к поломке в будущем.

Фактически, этот процесс может привести к тому, что небольшие стабильные включения начнут фазовый переход во время выдержки при нагревании и потенциально могут завершить преобразование после установки стекла.

Выдержка при нагревании также может отрицательно повлиять на сжатие поверхности и присущие ей прочностные свойства, а дополнительный процесс - и связанное с ним обращение - могут создать больше шансов на повреждение кромок, царапины или изменения свойств покрытия поверхности.

Тепловая выдержка после изготовления может привести к разрушению некоторых стеклянных панелей с дефектами, но это дорогостоящий и трудоемкий процесс, который не устранит все включения сульфида никеля.

В соответствии с международным стандартом EN 14179-1: 2005 (HST) компания JE Berkowitz предлагает выдержку при нагревании для снижения вероятности самопроизвольного разрушения из-за включений сульфида никеля и производственных повреждений закаленного стекла.

Стандарт, официально именуемый «Стекло в строительстве - термоупрочненное термоупрочненное натриево-силикатное безопасное стекло», определяет систему процесса термического пропитывания вместе с допусками на плоскостность, краевую конструкцию, фрагментацию, а также физико-механические характеристики безопасности монолитного плоского термообработанного термоупрочненного силикатно-натриевого силиката. стекло для использования в зданиях.

В процессе термического замачивания JE Berkowitz полностью закаленное стекло укладывается в специально сконструированную и сертифицированную печь, нагревается до 550 градусов по Фаренгейту и постепенно охлаждается.

Общий процесс занимает около шести часов: два часа на повышение температуры, примерно от двух до четырех часов выдержки и еще два часа на снижение температуры.

На стекло ставят термобанки для контроля температуры. Тем не менее, этот процесс только снижает вероятность поломки со стандартных восьми литров на 1000 до пяти литров на 1000.

ЛУЧШИЕ ПРАКТИКИ

Майкл Л. Руперт, директор по техническим услугам PPG Industries, написал в статье «Строительные спецификации» за декабрь 2013 года:

«Промежуточный слой многослойного стекла в сочетании с закаленным или термоупрочненным стеклом может предложить оптимальное сочетание характеристик для применений, где риск травмы в результате выпадения стекла является основной проблемой.

Для применений, не связанных с безопасным стеклом, где требуются прочность и устойчивость к самопроизвольному разрушению, следует рассматривать неламинированное термоупрочненное стекло из-за его более низкой стоимости ».

Как и в случае любой другой проектной спецификации, остекление требует учета многих факторов, в том числе безопасности. В большинстве случаев «самопроизвольная» поломка имеет первопричину, которая может быть связана с проектированием, производством или установкой.

Когда профессионалы в области дизайна и строительства и производители сотрудничают и общаются, можно предотвратить проблемы и избежать поломки.

ПОПУЛЯРНЫЕ СТАТЬИ