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给建筑玻璃幕墙“体检” 让风险可以预测

来源:中国科学报   作者:王艳萍  时间:2018-03-08 14:02:20

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项目第一完成人包亦望教授作为项目获奖代表参加颁奖大会。

  随着我国建筑玻璃幕墙的广泛应用,建筑玻璃自爆与坠落导致的安全事故和问题日益凸显。事故频发引起了各级政府部门的高度重视,以往大多是事后统计已有的破损,无法预测既有建筑玻璃潜在风险。

  钢化玻璃自爆,俗称“玻璃癌症”,是既有玻璃服役安全中最普遍但又最难以检测、“无法治疗”的国际性难题。针对建筑玻璃服役安全评价的瓶颈问题,中国建材集团旗下中国建材总院所属国检集团首席科学家包亦望敢为天下先,以提升其服役安全和风险预测为目标,突破了国内外建筑玻璃行业百年难题。他主持完成的项目“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”荣获2017年国家科学技术进步奖二等奖。

  科技创新,让风险可以预测

  包亦望根据玻璃的本征脆性和“宁碎不屈”的特点,认为要解决这种风险预测问题,首先要搞清楚自爆机理和影响因素。包亦望团队的研究,最初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毫米左右,肉眼基本看不见,用放大镜或扫描仪检查微小杂质极为困难,现场检测更加困难。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后的残片,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。在对大量的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也会引起杂质颗粒与玻璃之间的挤压,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破裂,从而发生自爆。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。从力学的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因此发生了根本改变,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。

  包亦望团队通过分析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。该技术被制定为国家标准GB/T 30020,成为评估钢化玻璃自爆风险的关键手段。技术还可推广至玻璃生产线或幕墙安装前的钢化玻璃自爆源排查,为建筑玻璃及玻璃制品的安全使用提供了科学、系统的评价理论及无损在线检测方法。

  包亦望团队还发明了“动态相对法”预测建筑玻璃坠落风险及评估标准;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,创新技术还具有普适性,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;研制出一种可用于检测高空建筑幕墙的机器人装备——玻璃幕墙安全检测智能机器人,解决了高层建筑玻璃幕墙检测人员高空作业风险难题,实现了玻璃幕墙安全智能化、自动化检测,破解了以往“蜘蛛人”高空对幕墙检测的危险难题。

  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外片玻璃脱落,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。我国中空玻璃产量和使用量全球第一,中空玻璃的产品质量及其服役性能检测至关重要。该团队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,率先建成了世界上最大的、可年检1800个中空玻璃单元体耐久性检测服务平台,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。

  对于服役中的中空玻璃,包亦望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,实现现场评价中空玻璃的安全性能,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。

  负重前行,荣誉与社会责任

  科研成果只有大力推广应用,才能实现最大价值。该项目成果应用的三年期间,包亦望团队完成了全国数百栋大型建筑的既有建筑幕墙玻璃的自爆风险和安全性评价检测,为国内外4000多家企业开展了中空玻璃耐久性检测;制定了10项国家标准和2项行业标准,同时全国多个省市均采用本项目技术制定地方标准。该项目成果在创新技术标准化服务社会,提升城市建筑节能和公共安全的社会公益方面得到社会高度认可和评价。这大概就是包亦望说过的“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”。

  包亦望继承了老一代科学家热爱祖国、刻苦钻研、献身科学的优良传统,并不断探索创新,带领团队在材料和结构设计、产品质量检测、构件失效分析和仪器研发等领域开发出具有重要实用价值和社会经济效益的科技成果,如发明相对法评价技术,解决了陶瓷涂层的弹性模量、残余应力、强度、密度、界面结合强度、膨胀系数等性能测试难题以及特殊条件下的性能评价,并制定系列国际标准和国家标准,填补了国内外陶瓷涂层的性能评价和测试技术的多项空白;发明了十字交叉法测试常温和高温界面拉伸强度和界面剪切强度以及界面疲劳损伤的方法和装置,该测试技术成为我国无机非金属材料领域中自主知识产权转化的第1项和第2项国际标准;发明局部受热同步加载法、相对缺口环法等测量超高温极端环境下的力学性能,并研制出世界上首台超高温极端环境力学性能试验系统,用于航空、航天等领域的极端环境的性能测试,获2014年国家科技进步奖二等奖。迄今已有9项国际标准(6项已发布)的核心技术来自中国的包亦望,并被国内外相关测试和研发人员广泛应用。

  2015年全国劳动模范和先进工作者表彰大会上,包亦望荣获全国劳动模范称号,受到国家领导人的亲切接见。诚如意大利著名作家拉·乔乃尼奥里所言,“劳动是产生一切力量、一切道德和一切幸福的威力无比的源泉。”个人的理想总是与祖国的命运息息相关,劳动者只有将一己的快乐融入民族振兴和国家富强的伟大事业,才能真正实现个体价值与幸福的最大化。用自己的劳动为自己热爱的事业而忘我奉献从而为更多的人服务就是世界上最幸福的人。


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