CN101725821A

CN101725821A - 一种均匀受压预应力玻璃构件及其制备方法

Info

Publication number: CN101725821A
Application number: CN200810224312A
Authority: CN
Inventors: 包亦望; 吕学良; 邱岩
Original assignee: China Building Materials Academy CBMA
Current assignee: China Building Materials Academy CBMA
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-06-09

Abstract

本发明公开一种均匀受压预应力玻璃构件及其制备方法，涉及安全玻璃和防护玻璃领域。该均匀受压预应力玻璃构件包括一玻璃体、套于玻璃体外与玻璃体同形状的约束框和在玻璃体和约束框之间的膨胀体。本发明采用金属框形材料作为玻璃应力承受结构，膨胀剂水泥或膨胀胶条作为框架与玻璃之间粘结固定和填充材料，利用膨胀材料的自膨胀性能产生压应力，传递至玻璃平面内部产生均匀压应力，而不存在拉应力，实验结果表明该结构具有很高的强度和破坏后强度，可以明显提高玻璃结构的安全性，可以广泛应用于玻璃门窗和家具、安全玻璃和防护玻璃等领域。

Description

一种均匀受压预应力玻璃构件及其制备方法

技术领域

本发明属于安全玻璃和防护玻璃领域，涉及一种在截面内只有压应力而没有拉应力的预应力玻璃结构及其制备方法。

背景技术

玻璃具有一系列优良的物理和化学性能，其耐压强度高，硬度高，透明，稳定性好，不易变形，是一种用途广泛的无机非金属材料。但是玻璃是典型的脆性材料，抗拉强度低，抗压强度高，表面与内部存在各种缺陷，在外力与环境介质作用下极易发生裂纹扩展，特别是在存在拉应力情况下(如钢化玻璃的的中间层)容易产生各种破坏，在应用上受到很大限制。为了提高玻璃的强度与使用安全性，各种玻璃增强技术应运而生。预应力玻璃技术就是通过一定的技术手段使玻璃内部产生压应力，从而在玻璃结构受拉时，通过与内部压应力的抵消，提高玻璃结构的使用强度。现有的预应力玻璃主要是常规的钢化玻璃，这种玻璃处于外部受压而内部受拉的应力状态，由于内部拉应力的存在，容易引起自爆等由于内部缺陷引起的破裂和碎片飞溅等风险。因此，需要采取一些手段来消除内部拉应力。

发明内容

本发明的目的是提供一种在玻璃截面中只有压应力没有拉应力的均匀受压预应力玻璃构件，使其具有较高使用强度和破坏后强度，使用安全性好。

该均匀受压预应力玻璃构件，包括一玻璃体、套于玻璃体外与玻璃体同形状的约束框和在玻璃体和约束框之间的膨胀体。

其中，所述约束框采用金属或合金材料制成。

所述膨胀体由膨胀水泥或膨胀胶条自膨胀后形成。

所述玻璃构件为方形、圆形或其他形状。

本发明的另一目的是提供上述均匀受压预应力玻璃构件的制备方法。

该方法包括将加工成设定形状的玻璃置入约束框后，向其间隙灌入膨胀剂，并进行后期养护的步骤。

具体步骤包括：

1)对原片玻璃进行加工，切割成一定的形状尺寸，并对玻璃进行打磨；

2)用机加工或者焊接的方法制备与玻璃尺寸相适宜的约束框结构，将玻璃置于其中且四周有一定的间隙；

3)将膨胀材料填入步骤2)中玻璃与约束框架的间隙；

4)缝隙被密实填满后，将制作完备的样品进行养护后得到成品。

其中，步骤3)中所述膨胀材料为膨胀水泥，膨胀水泥需迅速、均匀、密实地灌入2)中预留的缝隙中；或者步骤3)中所述膨胀材料为膨胀胶条，膨胀胶条以均匀的尺寸填充到缝隙中。

所述养护条件为温度20±1℃，湿度93％左右，养护时间28天。

采用以上技术方案，本发明提供的均匀受压预应力玻璃结构，在玻璃板周围通过紧凑约束，利用膨胀水泥的自应力特性使玻璃内部只承受压应力。

采用本发明的制备方法，利用膨胀胶条或膨胀水泥浆的自膨胀特性，通过周边挤压的方式使玻璃内部只承受压应力而无拉应力，形成的这种均匀压缩预应力玻璃结构可以提高玻璃结构的强度和使用安全性。

采用本发明方法制备的均匀受压预应力玻璃结构具有制备方法简便，易操作，成本低等特点，由于膨胀胶条和水泥膨胀剂的自应力及粘接性能优越等特性使得本发明的玻璃结构具有很高的破坏后强度，可以很大程度上提高玻璃结构的安全性。

本发明提供的预应力玻璃，在玻璃截面中只有压应力没有拉应力，通过约束压力来实现提高玻璃的强度，改善破坏后的安全性。这种玻璃构件可以广泛用于安全玻璃和防护玻璃领域。具有很大的实用价值和市场推广意义。

附图说明

图1a为本发明圆形玻璃构件结构示意图；

图1b为本发明方形玻璃构件结构示意图。

图2a为双环实验加载装置中夹具截面示意图；

图2b为双环实验加载装置对圆形试样加载示意图；

图2c为双环实验加载装置对方形试样加载示意图；

其中：1——试样；2——淬硬钢底盘，上面安装有支撑环；3——硅胶垫；4——淬硬钢加载环；5——可以对加载环对中加载的载荷传输部分；6——纸(或合成材料)垫，厚度约为0.1mm；7——对中试样的调整夹具；8——加载环接触圆；9——支撑环接触圆。

图3为圆形普通玻璃试样经一次双环试验后形貌。

图4为本发明圆形预应力玻璃试样经一次双环试验后形貌。

图5为本发明圆形预应力玻璃试样经过二次双环试验后形貌。

具体实施方式

本发明目标是制备一种均匀受压预应力玻璃构件，主要是在玻璃板周围设置紧凑约束体，再利用膨胀胶条或水泥膨胀剂的自膨胀特性，在玻璃与约束体之间产生压应力，使玻璃内部只承受压应力。

本发明均匀受压预应力玻璃构件的结构如图1所示，包括一设定形状的玻璃体11、套于玻璃体11外与玻璃体同形状的约束框13、和在玻璃体11和约束框13之间的膨胀体12。

其中，约束框13为紧凑约束体，其材料为金属或金属合金，如金属可为铝或钢，金属合金可为铝或钢的合金；玻璃体11的形状根据需要设计，可以为方形、圆形或其他形状，紧凑约束的形式可以为圆形约束(参见图1a)或者方形约束(参见图1b)或其他形状约束；对于不同的玻璃结构(方形或圆形)可采用不同的约束材料和约束形式(如方框或圆框)；膨胀体12使用膨胀胶条或水泥膨胀剂，其在灌注或填充在玻璃体11和约束框13之间后依靠材料的自膨胀特性，使玻璃体11和约束框13密实贴合形成均匀受压预应力玻璃构件整体。

本发明同时提供一种均匀受压预应力玻璃构件的制备方法，包括玻璃原片的选择和加工、约束体的制备、膨胀材料的选用、膨胀材料填入、试样的养护等。

上述制备方法的具体步骤有：

1)对原片玻璃进行加工，切割成需要的形状尺寸，并对玻璃进行打磨形成玻璃体1，便于后续工作的进行；

2)用机加工或者焊接的方法制备与玻璃体11尺寸合形状相适宜的约束框13结构，将玻璃体11置于约束框13中并保持一定的间隙以便放置膨胀材料；

3)选用合适的膨胀材料，采用合理的方法将膨胀材料填入步骤2)中玻璃体11与约束框13的间隙中，填充方法应根据不同的膨胀材料而变化，以保证一定的应力状态；

4)确保缝隙被密实填满后，将制作完备的样品置于一定的温度、一定的湿度环境下进行养护，使膨胀材料自膨胀中形成膨胀体12并达到理想的应力效果。

其中：膨胀材料可以是膨胀胶条或者水泥膨胀剂等。可以通过选用不同的水泥、膨胀剂种类进行组合，或者选用有类似自应力特性的水泥添加剂与水泥混合使用，还可以通过改变水泥、膨胀剂和水的成分组成配比，改变最终产品的预应力效果；膨胀材料的配料均可以商购。

玻璃与约束框之间的间隙，一方面应便于膨胀材料的填入，另一方面确保能够填入足够多的膨胀材料，以提供足够大的预应力源；

为了提高预应力，样品的养护环境与时间要严格参照所选用膨胀材料的使用养护方法，以充分发挥膨胀材料的自应力特性。

以下结合具体实施例和实验对比详细说明本发明。实施例只为具体公开本发明均匀受压预应力玻璃结构的构成和制备方法，不作为对本发明其他实施方式的限制。

实施例1：圆形均匀受压预应力玻璃构件及其制备

具体操作过程：

1)切割直径100mm，厚度5mm的普通钠钙玻璃圆片，对切割后的玻璃棱角进行打磨；

2)制备内径106mm，高10mm，壁厚2mm的圆形钢材约束框。将玻璃圆片与约束框对中固定放置，保证玻璃四周与约束框之间的缝隙尺寸均匀分布；

3)选用HCSA(硫铝酸钙类高性能混凝土膨胀剂，商购)与普通水泥按质量比1∶10，水灰比0.4进行配制。然后将配制好的膨胀剂水泥浆迅速、均匀、密实(以保证玻璃在周向均匀受压)地灌入2)中预留的缝隙；

4)将制备好的预应力玻璃试样置于温度20±1℃，湿度93％左右的条件下养护28天。其间需严格监视养护环境，尤其要避免湿度变化对膨胀性能的影响；养护后试样为本例玻璃构件成品-均匀压缩预应力玻璃。

实验：本发明均匀压缩预应力玻璃的抗弯强度实验

依据标准EN1288-5：2000(建筑玻璃-玻璃弯曲强度的测定)，由于试样为较小面积平型试样，可采用双环法对试样进行强度实验，试验装置参见图2。实验之前测定试样的厚度和直径(边长)，实验时，首先调整加载环4和支撑环2之间的垂直距离，以便于试样放置而不至于划伤，然后依次放置硅胶垫3，试样1，纸垫6，通过调整夹具7，确保试样对中。依据测定的试样尺寸，根据标准规定选用加载装置尺寸为加载环半径9mm，支撑环半径45mm。以(2±0.4)MPa/s的递增速度对试样中心进行加载，直至试样破坏。记录最大破坏载荷F_max。计算试样弯曲强度。圆形试样采用公式

方形试样采用公式

式中：

σ_bB-弯曲强度，单位为兆帕(MPa)；

F_max-最大压力，单位为牛顿(N)；

h-试样厚度，单位为毫米(mm)；

K₁，K₂-无量纲因子，钠钙硅酸盐玻璃的K₁值为1.09，K₂值为1.04。

为了避免由于玻璃内部缺陷的不确定性，及其他因素对实验结果的影响，最后的实验结果为多个试样试验结果的平均值。实验同时选用同材质、同尺寸和同形状的玻璃作为对照试样。试样强度计算结果对比如下表：

普通无应力玻璃强度	均匀压缩预应力玻璃弯曲强度	均匀压缩预应力玻璃二次弯曲破坏强度
普通无应力玻璃强度	均匀压缩预应力玻璃弯曲强度	均匀压缩预应力玻璃二次弯曲破坏强度	53.2MPa	98.2MPa	56.9MPa

表中的二次弯曲破坏强度是指预应力样品在第一次强度试验破裂之后，由于碎片被紧凑约束，不会掉落，就对已破裂样品进行了二次双环试验(即清理夹具，实验机数据归零后对试样重新进行双环试验)，显示仍可以承受较大载荷，用载荷峰值计算的二次破坏强度跟没有预应力的玻璃相近。对比试验结果可以发现，采用本发明方法制备均匀受压预应力玻璃结构，可以使玻璃强度提高将近1倍，而且具有很高的破坏后强度。

可见，本发明的均匀受压预应力玻璃构件最大的优点是不会发生普通钢化玻璃常发生的自爆现象，且本发明的均匀受压预应力玻璃具有制作简便、易操作、成本低、安全性好等优点，可以广泛应用于玻璃门窗和家具、安全玻璃和防护玻璃等领域，具有很大的市场前景。

实施例2：方形均匀受压预应力玻璃构件及其制备

具体操作过程与实施例1相同。采用层合防弹玻璃制品，尺寸400mm×400mm×30mm；约束框材料采用钢片，框内尺寸410mm×410mm×30mm，钢片厚度3mm；膨胀剂选用HCSA(硫铝酸钙类高性能混凝土膨胀剂，商购)与普通水泥按质量比1∶10，水灰比0.4进行配制，直接填入玻璃制品和框体中间的缝隙中；养护条件为温度20±1℃，湿度93％左右的条件下养护28天。

该构件经枪击实验验证，其防弹能力较普通防弹玻璃制品有所提高，说明本发明均匀受压预应力防弹玻璃构件同样具有制作简便、易操作、成本低、安全性提高的优点，可用于在重要场所或车辆中安装使用。

Claims

1.一种均匀受压预应力玻璃构件，其特征在于：包括一玻璃体、套于玻璃体外与玻璃体同形状的约束框和在玻璃体和约束框之间的膨胀体。

2.根据权利要求1所述的均匀受压预应力玻璃构件，其特征在于：所述约束框采用金属或合金材料制成。

3.根据权利要求1所述的均匀受压预应力玻璃构件，其特征在于：所述膨胀体由膨胀水泥或膨胀胶条自彭胀后形成。

4.根据权利要求1或2或3所述的均匀受压预应力玻璃构件，其特征在于：所述玻璃构件为方形、圆形或其他形状。

5.权利要求1至4任一所述均匀受压预应力玻璃的制备方法，包括将加工成设定形状的玻璃置入约束框后，向其间隙灌入膨胀剂，并进行后期养护的步骤。

6.根据权利要求5所述的均匀受压预应力玻璃结构的制备方法，其特征在于：具体步骤包括：

3)将膨胀材料填入步骤2)中玻璃与约束框架的间隙；

7.根据权利要求6中所述预应力玻璃构件的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述膨胀材料为膨胀水泥，膨胀水泥需迅速、均匀、密实地灌入2)中预留的缝隙中。

8.根据权利要求6中所述预应力玻璃构件的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述膨胀材料为膨胀胶条，膨胀胶条以均匀的尺寸填充到缝隙中。

9.根据权利要求5至8任一所述预应力玻璃构件的制备方法，其特征在于：所述养护条件为温度20±1℃，湿度93％左右，养护时间28天。