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            給建筑玻璃幕墻“體檢” 讓風險可以預測

            2018-05-17 16:17:52 閱讀:

            隨著我國建筑玻璃幕墻的廣泛應用,建筑玻璃自爆與墜落導致的安全事故和問題日益凸顯。事故頻發引起了各級政府部門的高度重視,以往大多是事后統計已有的破損,無法預測既有建筑玻璃潛在風險。

            給建筑玻璃幕墻“體檢” 讓風險可以預測(圖1)

            鋼化玻璃自爆,俗稱“玻璃癌癥”,是既有玻璃服役安全中最普遍但又最難以檢測、“無法治療”的國際性難題。針對建筑玻璃服役安全評價的瓶頸問題,中國建材集團旗下中國建材總院所屬國檢集團首席科學家包亦望敢為天下先,以提升其服役安全和風險預測為目標,突破了國內外建筑玻璃行業百年難題。他主持完成的項目“建筑玻璃服役風險檢測和可靠性評價關鍵技術與設備及應用”榮獲2017年國家科學技術進步獎二等獎。

            科技創新,讓風險可以預測

            包亦望根據玻璃的本征脆性和“寧碎不屈”的特點,認為要解決這種風險預測問題,首先要搞清楚自爆機理和影響因素。包亦望團隊的研究,最初是從尋找硫化鎳開始的。

            玻璃里的硫化鎳雜質直徑只有0.1~0.3毫米左右,肉眼基本看不見,用放大鏡或掃描儀檢查微小雜質極為困難,現場檢測更加困難。為了確定雜質缺陷的性質,團隊首先收集大量的鋼化玻璃自爆后的殘片,并取出自爆源的部分玻璃進行斷口分析,每一個自爆源斷口都能找出一個微小的雜質。在對大量的雜質進行成分分析后,包亦望團隊發現,除了大家熟知的硫化鎳,還有從未被發現過的單質硅、氧化鋁等雜質顆粒。這些并不會發生相變的雜質顆粒由于膨脹系數與玻璃不一致,在升溫或降溫過程中也會引起雜質顆粒與玻璃之間的擠壓,這種擠壓達到一定程度就會導致玻璃局部應力超過玻璃局部強度而破裂,從而發生自爆。因此,鋼化玻璃的自爆是由硫化鎳、單質硅等雜質擠壓周邊玻璃并產生應力集中而導致的一種脆性材料力學和斷裂力學的現象。從力學的角度來分析和解決問題,這是固體力學專業出身的包亦望的強項。

            利用材料力學基礎和脆性材料臨界破壞的強度模型,包亦望建立了鋼化玻璃自爆的破壞準則和自爆條件,證明了鋼化玻璃自爆不僅僅是因為微小顆粒雜質,還因為小顆粒雜質剛好位于鋼化玻璃的拉應力區。如果雜質的膨脹系數比玻璃大,它將在升溫過程擠壓玻璃,反之,在降溫過程產生界面擠壓。顯然這些擠壓都會引起應力集中而導致鋼化玻璃自爆。

            雖然用光學或肉眼檢測微小雜質極為困難,但是查找透明材料里面的應力集中卻是一件容易的事。包亦望團隊的研究思路因此發生了根本改變,從查找高層建筑玻璃自爆源雜質到檢測自爆源雜質引起的應力集中,通過揭示鋼化玻璃內部雜質顆粒與周邊應力場分布的關聯性,發現自爆的根本原因在于玻璃內部拉應力區內的應力集中。

            包亦望團隊通過分析鋼化玻璃內部雜質顆粒種類、形貌、尺寸、分布位置對應力集中的影響,獲得了鋼化玻璃自爆風險等級的影響系數及劃分標準,提出自爆準則,并開發了鋼化玻璃自爆源自動檢測方法,研制了國內外首臺透射式和反射式光彈掃描儀。該技術被制定為國家標準GB/T 30020,成為評估鋼化玻璃自爆風險的關鍵手段。技術還可推廣至玻璃生產線或幕墻安裝前的鋼化玻璃自爆源排查,為建筑玻璃及玻璃制品的安全使用提供了科學、系統的評價理論及無損在線檢測方法。

            包亦望團隊還發明了“動態相對法”預測建筑玻璃墜落風險及評估標準;開發了幕墻玻璃墜落風險檢測儀,自動識別幕墻墜落風險等級,數據無線傳輸,創新技術還具有普適性,也可推廣到陶瓷幕墻和石材幕墻等外圍構件的服役安全檢測;研制出一種可用于檢測高空建筑幕墻的機器人裝備——玻璃幕墻安全檢測智能機器人,解決了高層建筑玻璃幕墻檢測人員高空作業風險難題,實現了玻璃幕墻安全智能化、自動化檢測,破解了以往“蜘蛛人”高空對幕墻檢測的危險難題。

            建筑玻璃應用中另一個突出的問題是服役中空玻璃密封失效而導致建筑不節能并容易造成外片玻璃脫落,建筑玻璃從高層建筑上脫落到地面是比自爆更加危險的一種災害。我國中空玻璃產量和使用量全球第一,中空玻璃的產品質量及其服役性能檢測至關重要。該團隊研發了無冷媒中空玻璃結露試驗儀等系列10個類別的耐久性檢測設備,建立了耐久性評價技術體系,率先建成了世界上最大的、可年檢1800個中空玻璃單元體耐久性檢測服務平臺,獲得美國中空玻璃認證委員會和北美中空玻璃協會的國際認可和驗證,填補了國內空白。

            對于服役中的中空玻璃,包亦望揭示了其氣密性和受力變形之間的關系,即中空層漏氣之后受力和變形均集中在受力作用的那一片玻璃上,從而降低了中空玻璃承載性能,增大了受力較大的外片玻璃破裂或墜落的安全隱患。發明了“撓度比較法”現場評價中空玻璃密封性能是否失效的檢測技術,實現現場評價中空玻璃的安全性能,為建筑玻璃安全服役和災難事故的預測提供了全新的技術手段。

            負重前行,榮譽與社會責任

            科研成果只有大力推廣應用,才能實現最大價值。該項目成果應用的三年期間,包亦望團隊完成了全國數百棟大型建筑的既有建筑幕墻玻璃的自爆風險和安全性評價檢測,為國內外4000多家企業開展了中空玻璃耐久性檢測;制定了10項國家標準和2項行業標準,同時全國多個省市均采用本項目技術制定地方標準。該項目成果在創新技術標準化服務社會,提升城市建筑節能和公共安全的社會公益方面得到社會高度認可和評價。這大概就是包亦望說過的“所謂公益性,所追求的不是考慮做一件事能掙多少錢,而是考慮不做這個事將造成什么樣的損失”。

            包亦望繼承了老一代科學家熱愛祖國、刻苦鉆研、獻身科學的優良傳統,并不斷探索創新,帶領團隊在材料和結構設計、產品質量檢測、構件失效分析和儀器研發等領域開發出具有重要實用價值和社會經濟效益的科技成果,如發明相對法評價技術,解決了陶瓷涂層的彈性模量、殘余應力、強度、密度、界面結合強度、膨脹系數等性能測試難題以及特殊條件下的性能評價,并制定系列國際標準和國家標準,填補了國內外陶瓷涂層的性能評價和測試技術的多項空白;發明了十字交叉法測試常溫和高溫界面拉伸強度和界面剪切強度以及界面疲勞損傷的方法和裝置,該測試技術成為我國無機非金屬材料領域中自主知識產權轉化的第1項和第2項國際標準;發明局部受熱同步加載法、相對缺口環法等測量超高溫極端環境下的力學性能,并研制出世界上首臺超高溫極端環境力學性能試驗系統,用于航空、航天等領域的極端環境的性能測試,獲2014年國家科技進步獎二等獎。迄今已有9項國際標準(6項已發布)的核心技術來自中國的包亦望,并被國內外相關測試和研發人員廣泛應用。

            2015年全國勞動模范和先進工作者表彰大會上,包亦望榮獲全國勞動模范稱號,受到國家領導人的親切接見。誠如意大利著名作家拉·喬乃尼奧里所言,“勞動是產生一切力量、一切道德和一切幸福的威力無比的源泉?!眰€人的理想總是與祖國的命運息息相關,勞動者只有將一己的快樂融入民族振興和國家富強的偉大事業,才能真正實現個體價值與幸福的最大化。用自己的勞動為自己熱愛的事業而忘我奉獻從而為更多的人服務就是世界上最幸福的人。

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