建筑玻璃外贴安全膜抗风压性能试验

1 引言

伴随着我国国民经济的持续快速发展和城市化进程的加快，我国建筑玻璃行业实现了跨越式发展，到2020 年我国已经发展成为建筑玻璃行业世界生产大国和使用大国 , 玻璃面积在居民住宅和商用建筑中逐步提高。但一方面，我国沿海一带及其他少数地区经常受到台风的威胁，建筑玻璃在承受风暴压力作用时，还要经受台风卷起大小不一、密度及硬度各异的各物体，如地面上的砂土、碎石、木块等，包括遭风暴袭击破坏的构筑物残片，如混凝土块、金属、玻璃碎片等的冲击，带来极大地安全威胁和经济损失。如 2016 年台风“莫兰蒂”和 2018 年台风“山竹”都对沿途建筑玻璃带来极大的破坏。见图 1 和图 2。还有 2015 年天津爆炸事故和 2019 年江苏盐城爆炸事故也同样对周边建筑物破坏极大，甚至建筑物内部楼梯间墙上出现“玻璃飞刀”，见图 3 和图 4。毫无疑问这些玻璃碎片安全隐患很大，很可能形成二次伤害。灾害调查也表明风暴中对建筑玻璃表面造成破坏的不是风暴本身，而是风暴卷起的飞行物 [1]。另一方面，钢化玻璃杂质缺陷引起爆裂脱落，且脱落因其时间和位置的不确定性而成为玻璃幕墙最严重的安全隐患。安全膜不管是对新建建筑物的安全防护，还是对既有建筑物的安全改造，都表现出优异的安全性能。国内学者对安全膜陆续开展过研究 [1-2]，万成龙等在贴膜玻璃的抗风压性能研究中提出残余抗风压性能[3]。

本文结合安全膜的实际应用，通过单片钢化玻璃外贴膜，试验不同贴膜方式和安装固定方案 , 对比测试其中心受冲击破碎后抗均匀静态正负风压的性能。

图 1 台风“莫兰蒂”重创厦门某小区窗户玻璃

图 2 台风“山竹”重创香港某办公楼玻璃幕墙

图 3 建筑物内部楼梯间墙上出现玻璃飞刀

图 4 建筑物内部楼梯间墙上出现玻璃飞刀

2 安全膜简介

安全膜又称玻璃碎片粘结膜或防飞溅膜，美国陆军工程兵团（(USACE）和美国总务署（GSA）定义安全膜的功能是当玻璃破碎时能将玻璃碎片粘结在一起 [4]。安全膜的厚度一般为 0.1mm 至 0.38mm，甚至更厚。玻璃安全膜根据使用场所分为室内用和室外用安全膜，通常由耐紫外老化层、安装胶层、透明聚酯层和防划伤表面保护层等组成，其中透明聚酯层的层数决定安全膜的最终厚度，耐紫外老化层在室内膜和室外膜中的位置存在区别，如图 5 为室内透明安全膜结构示意图，耐紫外老化层和安装胶复合在一起，图 6 为室外透明安全膜结构示意图，耐紫外老化层和防刮涂层复合在一起。

图 5 室内透明安全膜结构示意

图 6 室外透明安全膜结构示意图

安全膜始于 1970 年代早期，当时英格兰、北爱尔兰和欧洲恐怖活动猖獗，英国政府为了缓解因爆炸导致玻璃碎片的致命威胁而开发出安全膜。由于此领域的成功应用，安全膜获得大家的认可并在欧洲和其他国家得到广泛地应用。在美国，当时恐怖暴力活动不是很多，人们更多地对太阳控制膜感兴趣，尤其是汽车贴膜市场和热带地区的建筑隔热膜市场。整个上世纪 80 年代，窗膜销售增长主要来自汽车膜，尽管当时汽车膜还存在很多的质量问题，如开裂、气泡、脱落和褪色。但这些明显的问题却大大减少了商业和住宅市场客户对太阳膜的兴趣。此外，由于缺少抗划伤保护涂层应对窗膜每天的磨损，这也妨碍了窗膜的销售。上世纪 90 年代随着窗膜技术的发展进步，很多窗膜经销商开始积极地开发商业和住宅业务，建筑窗膜市场得到快速发展。但汽车膜依旧是美国窗膜市场的主导力量，安全膜并没有引起太多人的注意，更多的是用来推广阻止犯罪（盗窃和抢劫）和防止因地震和飓风造成的玻璃碎片伤人。而窗膜生产商的安全膜业务主要集中在海外恐怖活动迅速蔓延地区。值得注意的是当时大部分安全膜生产和销售只有透明型号，具有安全保护和隔热功能的窗膜还处于开发阶段。

上世纪 80 年代末期到 90 年代初期，美国安全膜销售受严重的公共事件和自然灾害的冲击很大。如 1989年 8 月雨果飓风 (Hugo) 袭击了美国南卡罗来纳州，1992 年 8 月在经历了一个平静的夏天后安德鲁飓风(Hurricane Andrew) 摧毁了美国佛罗里达州，1993 年 3月纽约世界贸易中心的恐怖袭击事件，1995 年 4 月俄克拉荷马大爆炸摧毁了艾尔弗雷德 •P• 默拉联邦大楼。这些致命的公共事件唤醒美国民众对自然灾害和恐怖主义危险的认识，这些事件造成的人员伤亡和财产损失也是惊人的 [5]。人们也目睹了太多的龙卷风和洪水引发的灾难，还有整个国家越来越多的打砸抢骚扰事件、社会违法犯罪活动。更重要的是公众在窗膜生产商和经销商的帮助下也开始认识和理解玻璃碎片在这些事件中所扮演的危险角色。目前美国建筑安全膜和汽车膜在窗膜市场中都占有很重要的地位，市场份额相差不大。由于中国市场对于安全膜的认知较晚，国内窗膜市场占主导地位的还是汽车隔热膜，安全膜主要应用在政府工程、银行、学校、医院等公共安全要求较高的项目。

3 测试样件

测试样件尺寸和结构，见表 1。试样 1、试样 2 和试样 4 为 18mm 单片钢化玻璃，试样 3 和试样 5 为12mm 单片钢化玻璃。试样 1 不贴膜，试样 2 为两面贴膜，其他为一面贴膜，安全膜为 4mil（0.1mm）外贴透明安全膜。试样采用不同的系统固定安装在木制试验箱内，不同试样玻璃位移变形监测点（红圈）分布见图 7-图 10。

表 1 测试样件尺寸和结构

4 静态正负风压试验

4.1 试验过程

参照标准 ASTM E330/E330M-14 采用均匀静态正负压法测定外窗、门、天窗和幕墙结构性能的试验方法，首先从玻璃中心处将玻璃敲碎，若是一面贴膜，从玻璃面敲碎。将玻璃密封好后进行不同静态正负压差试验，直至玻璃脱落，见图 11- 图 13。

4.2 试验结果

试验结果见表 2。从表 2 中可以看出，单片钢化玻璃若不贴膜，中心受冲击破碎后，30% 的玻璃即脱落，见图 14，能承受的压力小于 91Pa，且一旦负载压力，80% 玻璃脱落，这也是现实生活中玻璃幕墙常见的自爆风险。若是一面贴膜玻璃承受的最大压力受不同的安装固定结构影响，最小承压为 1436Pa，最大承压为3112Pa，只有少量的玻璃脱落，大大减小了安全隐患。若两面贴膜，玻璃可以承受最大压力 6464Pa，玻璃破碎后可以整体保留，且没有玻璃脱落，安全隐患几乎消除。