城市既有建筑玻璃风险的排雷兵——记中国建材总院、国检集团国家科技进步二等奖研发团队
中国建筑玻璃与工业玻璃协会的数据显示，我国建筑玻璃产量和用量在全球均超过50%以上，是世界上建筑玻璃的生产和使用国；门窗幕墙玻璃80%以上是钢化玻璃和中空玻璃，既有玻璃幕墙面积超过10亿平方米，每年新增量约7000万平方米。玻璃方便了人们的生活，提升了城市的“颜值”，但另一方面，由于玻璃的本征脆性和钢化玻璃内应力的特点，建筑钢化玻璃自爆与坠落导致的安全事故和问题日益凸显。近些年，因幕墙玻璃自爆或脱落造成的损物、伤人事件频发，每年发生的安全事故上万起，被称为城市上空的不定时炸弹。如何排除这种风险一直是国内外的难题，成为城市公共安全的隐患问题，引发社会与政府高度关注。研究建筑玻璃服役安全和可靠性评价、检测技术及相关设备显得紧迫而重要。
在2018年1月8日举行的国家科学技术奖励大会上，解决这一难题的“建筑玻璃服役风险检测和可靠性评价关键技术与设备及应用”项目荣获国家科技进步二等奖。该项目由中国建材总院和国检集团共同承担。
突破建筑玻璃“癌症”无法诊断的禁区
钢化玻璃自爆，俗称“玻璃癌症”，是建筑玻璃服役安全中普遍的问题，同时也是困扰行业的百年难题，无法避免又难以诊断。
中国建材总院所属国检集团首席科学家包亦望告诉笔者，以往的解决方案通常是在生产钢化玻璃时采用优质浮法玻璃原片，或者进行高温均质处理，其特点是可降低自爆率，但无法完全杜绝。缺点是高温均质处理成本较高、导致钢化玻璃强度下降，不适用于服役中的建筑玻璃。对于高层既有建筑钢化玻璃自爆风险评估难题，在本项目实施前，国内外长期处于无技术、无设备和无标准的状况。大多只能采用事后统计和经验评估的方式，无法事先预测其潜在风险。作为中国的材料检验认证机构，国检集团敢为天下先，积极寻求解决测试技术难点的方法。
2005年，包亦望承担了科技部国际合作项目“安全玻璃可靠性评价与无损在线测试”，重点针对钢化玻璃自爆风险的预测技术这个国际性难题。自爆问题具有突发性和不可预知性，每当这种事故发生在高层建筑或临街位置，往往容易导致灾难性后果。要解决这种问题，首先要搞清楚自爆机理和影响因素。玻璃自爆原因，业内早已达成的共识是，玻璃内含有的硫化镍杂质，在一定条件下发生从α-NiS到β-NiS的相变，导致体积膨胀。
包亦望团队的研究，是从寻找硫化镍开始的。玻璃里的硫化镍杂质直径只有0.1—0.3毫米，肉眼基本看不见，用放大镜或扫描仪检查极为困难，现场检测就更困难。为了确定杂质缺陷的性质，团队首先收集大量的钢化玻璃自爆残片，并取出自爆源的部分玻璃进行断口分析，每一个自爆源断口都能找出一个微小的杂质。在对大量杂质进行成分分析后，包亦望团队发现，除了大家熟知的硫化镍，还有从未被发现过的单质硅、氧化铝等杂质颗粒。这些并不会发生相变的杂质颗粒由于膨胀系数与玻璃不一致，在升温或降温过程中会引起杂质颗粒与玻璃之间的挤压，当这种挤压达到一定程度就会导致玻璃局部应力超过玻璃局部强度而发生破裂，继而发生自爆。因此，钢化玻璃的自爆是由硫化镍、单质硅等杂质挤压周边玻璃并产生应力集中而导致的一种脆性材料力学和断裂力学的现象。从力学角度来分析和解决问题，这是固体力学专业出身的包亦望的强项。
利用材料力学基础和脆性材料临界破坏的强度模型，包亦望建立了钢化玻璃自爆的破坏准则和自爆条件，证明了钢化玻璃自爆不仅仅是因为微小颗粒杂质，还因为小颗粒杂质刚好位于钢化玻璃的拉应力区。如果杂质的膨胀系数比玻璃大，它将在升温过程挤压玻璃，反之，在降温过程产生界面挤压。显然这些挤压都会引起应力集中而导致钢化玻璃自爆。
虽然用光学或肉眼检测微小杂质极为困难，但是查找透明材料里面的应力集中却是一件容易的事。包亦望团队的研究思路发生了根本改变，从查找高层建筑玻璃自爆源杂质到检测自爆源杂质引起的应力集中，通过揭示钢化玻璃内部杂质颗粒与周边应力场分布的关联性，发现自爆的根本原因在于玻璃内部拉应力区内的应力集中。实际上，如果某个杂质没有导致应力集中，它也就不会导致玻璃自爆。
他们分析了钢化玻璃内部杂质颗粒种类、形貌、尺寸、分布位置对应力集中的影响，获得了钢化玻璃自爆风险等级的影响系数及划分标准，提出自爆准则，并开发了钢化玻璃自爆源自动检测方法，研制了国内外首台透射式和反射式光弹扫描仪，该技术被制订为国家标准GB/T 30020，成为评估钢化玻璃自爆风险的关键手段。
既有幕墙钢化玻璃通过光弹扫描法检测后，被认为是可以“降低自爆率到万分之三以下”。“这些技术具有普适性，不仅可用于既有建筑玻璃自爆风险的现场检测，还可推广至玻璃生产线或幕墙玻璃安装前的玻璃自爆源排查，以及推广至服役真空玻璃真空度衰减率检测等。”包亦望说。
建筑玻璃坠落风险检测有了新技术
项目的另一大创新点是，发明了“动态相对法”预测建筑玻璃坠落风险及评估标准。建筑玻璃从高层建筑上脱落到地面是比自爆更加危险的一种灾害。通常是隐框幕墙的结构胶失效而导致的脱落。在玻璃幕墙工程安全检查中，国内外检测机构一般采用拉拔法和红外摄像技术评估幕墙结构胶的粘结牢固程度，但拉拔法易导致二次风险，红外摄像结果难以定量。传统目测或手推的简单方法大多是采用事后统计和经验评估，无法事先预测其潜在风险。
针对上述建筑玻璃服役安全评价的瓶颈问题，在科技部专项项目和北京市科委重大公共安全项目的支持下，包亦望团队以解决测试技术难题和提高建筑玻璃服役安全为目标，从机理研究—测试技术—设备开发—标准制订—推广应用，进行了十多年的系统研发，形成了既有建筑玻璃可靠性评价和风险预测以及建筑玻璃耐久性检测的系列技术与设备，发明了“动态相对法”预测建筑玻璃坠落风险及评估标准。
具体来说，对于相同尺寸和相同支撑条件下的建筑玻璃，其固有频率都基本相同。当某块玻璃支撑松动，其固有频率必然会下降。测试每块玻璃的固有频率并排序，频率越低风险越大；并给出了4个风险等级划分的频率阈值。此外，团队开发了幕墙玻璃坠落风险检测仪，自动识别幕墙坠落风险等级，数据无线传输。该项技术不仅可用于玻璃幕墙，也可推广到陶瓷幕墙和石材幕墙等外围构件的服役安全检测。
促进建筑节能与安全耐久一体化
建筑玻璃应用中另一个突出的问题是，服役中空玻璃密封失效而导致建筑不节能并容易造成安全隐患。
我国中空玻璃产量和使用量全球，作为建筑幕墙上应用为广泛的节能玻璃，中空玻璃的性能和质量对幕墙的整体使用性能至关重要。由于受各种环境因素影响，加上中空玻璃本身质量问题，会导致其产生各种各样的失效模式，直接影响中空玻璃的节能功效，甚至带来严重的安全隐患。因此，中空玻璃的产品质量及其服役性能检测至关重要。为实现我国中空玻璃的质量提升和安全应用，基于自主创新摸索和结合我国国情，在国检集团玻璃检测中心研发了无冷媒中空玻璃结露试验仪等系列10个类别的耐久性检测设备，建立了耐久性评价技术体系。率先建成了可年检1800个中空玻璃单元体耐久性检测服务平台，可测试中空玻璃耐气候、耐紫外、耐腐蚀老化等性能，获得美国中空玻璃认证委员会和北美中空玻璃协会的国际认可和验证，填补了国内空白。国内中空玻璃耐久性检测市场占有率超过90%，引领并促进了我国中空玻璃产业的健康快速发展。对于服役中的中空玻璃，项目团队揭示了其气密性和受力变形之间的关系，即中空层漏气之后受力和变形均集中在受力作用的那一片玻璃上，从而降低了中空玻璃承载性能，增大了受力较大的外片玻璃破裂或坠落的安全隐患。发明了“挠度比较法”现场评价中空玻璃密封性能是否失效的检测技术，简单来说，通过橡胶球头对中空玻璃面板中心施加一个给定的集中载荷，同时利用玻璃厚度仪测量中空层厚度，并结合计算与分析软件，来判别中空玻璃密封单元是否出现通透性漏气，实现现场评价中空玻璃的安全性能。
为玻璃服役强度“号脉”
服役玻璃的强度是评价玻璃抵抗外力作用，保障玻璃构件安全可靠性的一个重要参数。包亦望团队发明了类似中医号脉诊断的“声监控球压法”，测试建筑玻璃表面的局部强度，判断钢化玻璃表面应力均匀性。研制了玻璃局部强度在线检测仪，实现了非破坏性监控既有玻璃服役强度或承载性能退化。该技术解决了以下两个问题：对正在工程服役的玻璃构件检测和监控它的强度退化规律，进行服役可靠性评价；对建筑玻璃的质量和强度水平进行非破坏性检验，监测当前强度是否满足使用安全性要求。该技术主要应用于建筑幕墙玻璃的局部强度在线测试和强度退化监测，不发生漏检，还可应用于建筑玻璃的在线测试和可靠性保障试验，如夹层玻璃和钢化玻璃的强度水平无损检测、航空、汽车玻璃、建筑玻璃产品的非破坏性质量检验和服役构件的强度退化监测。
从灾难事故难以预测到潜在事故可预测
“项目实现的核心进步是从灾难事故难以预测到潜在事故可以预测。”包亦望说，以上创新技术均属于原始创新，从检测技术研发，检测设备研制，到多项成果转化为国家、行业和地方标准，形成了建筑玻璃全生命周期风险管理和运维安全监管的全方位的无损、自动化、标准化成套检测技术与设备，示范应用，并可推广应用至汽车、光伏、家电用玻璃材料的质量检测和性能评价，在服役建筑玻璃力学性能和安全可靠性评价领域实现了跨越式发展。
重要的是，该成果具有很强的社会公益性。“所谓公益性，所追求的不是考虑做一件事能挣多少钱，而是考虑不做这个事将造成什么样的损失。”包亦望认为，该成果的公益性体现在创新技术标准化，服务社会，服务世界，提升了城市公共安全，保障了建筑节能，为建筑玻璃安全服役和灾难事故的预测提供了全新的技术手段。在实现重大社会效益的同时也能创造巨大的经济效益。成果被鉴定专家评价为：创新性突出，填补了国内外空白，整体技术达到国际领先水平。成果获授权发明专利10项，实用新型7项，发表SCI、EI收录的学术论文40多篇。
“通过项目的实施，我国实现了‘玻璃癌症’检测技术从无到有的突破，下一步还将继续完善和应用推广，这也是国检集团在测试技术创新方面的又一个台阶。”包亦望说。
