第一节　建筑玻璃产品及其生产工艺

在建筑工业发展的带动下，建筑玻璃材料近年也有超常的发展，仅平板玻璃产量在2010年即达到5.50亿重量箱（2750万吨），其中浮法玻璃比率达到90％以上，平板玻璃的深加工率超过40％，综合能源消耗量明显下降。至今平板玻璃产量已超过5000万吨，占全球产量的60％以上，稳居第一，据统计平板玻璃总产量的75％用于建筑工程。经过改革开放以来的高速发展，建筑玻璃的品种日益增多，其功能日渐优异，已经完全不是过去概念中的透光围护材料，除最基本的采光和围护功能外，今天的建筑玻璃还具有多功能和高性能的特点，甚至在一些建筑场合用作结构材料。建筑玻璃已经发展成为具有保温、隔热、隔声、防撞击、防火、防盗、电磁屏蔽、色彩装饰、亮度装饰、图案装饰等等功能的新型透明材料。由于建筑玻璃的品种增加、性能提高，在建筑工程中使用玻璃材料的场合越来越多，除传统的窗玻璃外，玻璃幕墙、玻璃楼梯、玻璃天棚、玻璃地面甚至全部采用玻璃建造的房子都已经普遍在工程中采用，玻璃已经不仅仅是门窗材料了，而成为很有发展前景和想象空间的“新材料”。以往的概念仅仅视玻璃为建筑玻璃，这是由于多年来玻璃只作为采光围护材料用于窗户而已。从20世纪50年代以来，建筑玻璃开始突破采光的单一功能，发展成为建筑材料的一个较大的类别。建筑玻璃有多种分类方法，针对建筑应用比较常用的是按功能分类（见图7.1）。

除了按照使用功能分类外，在材料业界通常按照建筑玻璃的制造方法来分类。可以将建筑玻璃分为平板玻璃、深加工玻璃、熔铸成型玻璃三类。平板玻璃泛指采用引上、浮法、平拉、压延等工艺生产的板玻璃，包括普通平板玻璃、本体着色玻璃、压花玻璃、夹丝玻璃等。深加工玻璃品种最多，包括通过对平板玻璃进行各种物理和化学处理以及结构组合，使之具有新功能的深加工品种，如钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、真空玻璃、磨砂玻璃、雕花玻璃和各种镀膜玻璃等等。熔铸成型的建筑玻璃主要品种有玻璃砖、槽型玻璃、玻璃马赛克、微晶玻璃、玻璃面砖等品种。

一、平板玻璃

浮法玻璃是平板玻璃产品的主要品种，其在产品质量和经济性上的优势是引上法和平拉法不可比拟的。我国的浮法玻璃生产规模在近年有了长足的发展，浮法玻璃的产量已经占到平板玻璃总产量的90％以上，以平整度好、透光率高等优点成为建筑玻璃市场的主导产品。浮法玻璃除直接用于门窗和幕墙外，大多数建筑用深加工玻璃也是采用浮法玻璃作为原材料制成，尤其是热反射玻璃、镜面玻璃等镀膜品种必须使用优质浮法玻璃作原片。

我国以浮法为主的平板玻璃工业与世界先进水平还存在一定差距，尤其在绿色化程度上存在差距，具体反映在装备平均水平低、能耗水平高、污染物排放量大、平均生产规模偏小等方面。以上差距使我国平板玻璃工业在可持续发展方面的评分较低，表7.1列举我国浮法玻璃生产主要技术指标与国际先进水平的比较。

从表7.2反映出玻璃窑炉的熔化规模与单位能耗呈反比，相应的单产废气排放量亦与熔化规模呈反比，所以玻璃窑炉的熔化规模应作为玻璃工业绿色度评价的主要指标。此外，玻璃窑炉的熔化规模也与平板玻璃的质量密切相关，行业达成共识的规模效益是500t以上。2014年实施的《平板玻璃单位产品能源消耗限额》规定了平板玻璃单位产品能耗的限定值、准入值和先进值，限定值是平板玻璃单位产品能耗的下限，准入值是新建平板玻璃生产线应达到的能耗水平，先进值的要求和准入值一致是既有生产线的节能努力方向。表7.3中的平板玻璃单位产品综合能耗是指生产每重量箱合格平板玻璃的综合能耗，平板玻璃单位熔窑热耗是指熔化每千克玻璃液所消耗的热量。此标准还具体规定了统计方法和计算方法，对玻璃生产的节能具有规范和指导意义。

二、深加工玻璃与其他建筑玻璃

平板玻璃直接用于建筑物是多数民宅和工业厂房的普遍做法，随着科学技术的发展，对建筑工业的绿色化提出越来越高的要求，建筑玻璃是体现建筑绿色度的重要内容，作为主要建筑材料之一的建筑玻璃需要满足保温、隔热、隔声、安全等新的功能要求。平板玻璃通过深加工可以大幅度地提高功能性，如用于保温的中空玻璃和真空玻璃、用于隔热的热反射玻璃和低辐射玻璃、兼有隔声和安全作用的夹层玻璃。由于经济发展水平的局限，我国平板玻璃的深加工率在40％左右（参见表7.4），而国外工业发达国家普遍已经超过50％。深加工玻璃提高了建筑玻璃的功能效果，所以平板玻璃的深加工率可以反映建筑工业和建筑玻璃工业的绿色化水平，提高深加工率是我国玻璃工业发展的一个重要量化指标。

深加工玻璃的主要品种有中空玻璃、夹层玻璃、镀膜玻璃和钢化玻璃四类，其他还有一些尚未形成较大市场的深加工品种就不作介绍了。

1.中空玻璃

中空玻璃是在两层或更多层平板玻璃中间用间隔框架隔开，对周边进行密封，再充入干燥空气并填入少量干燥剂保持空气干燥。中空玻璃具有良好的隔热性能，普通平板玻璃的热传导系数（U值）约为6.8W/（m²·K），而空气的热导率约为0.03W/（m·K），中空玻璃的空气层对保温起了主要作用。具有中间空气层的中空玻璃能够大幅度提高保温性能的同时，还具有较好的防结露特性。中空玻璃比普通单层玻璃的热阻大，所以能降低结露的温度，而且中空玻璃内部密封，空间的水分被干燥剂吸收，也不会在隔层出现露水。中空玻璃还有良好的隔声性能，其隔声性能与玻璃的厚度和空气隔层有关，一般情况下可以降低噪声30dB左右。早期的中空玻璃生产线均为国外引进，近年国内玻璃机械制造业已能生产全套装备，随着市场的日益扩大中空玻璃可能成为深加工玻璃产量最大的品种。中空玻璃是典型绿色建筑材料产品，其生命全过程具有较高的绿色化程度。

2.夹层玻璃

夹层玻璃是在两片或多片平板玻璃之间夹入有机塑料透明膜，经过加热、加压粘接而制成的玻璃复合制品。夹层玻璃的原片可以采用普通平板玻璃、钢化玻璃、镀膜玻璃、吸热玻璃等品种。夹层玻璃的生产方法主要有两种：一种是将聚乙烯醇缩丁醛（PVB）胶片夹在两层或多层玻璃中间，放入高压釜内热压而成，称“胶片热压法”或“干法”，适用于工业化生产，是生产夹层玻璃的主要方法。另一种方法是将配制好的黏结剂浆液灌注到两片或多片玻璃中间，通过加热聚合或光照聚合而制成夹层玻璃，称“灌浆法”或“湿法”，由于此工艺控制质量难度较大，目前仅在特殊应用场合（如弯夹层）采用。

夹层玻璃的中间层厚度一般在0.38～1.52mm范围，常用规格为0.38mm和0.76mm。用作夹层玻璃的原片有多种厚度，常用的有2mm、3mm、5mm、6mm和8mm等。目前我国有数十条建筑夹层玻璃生产线，大多采用国外技术和生产设备制造夹层玻璃，其生产工艺为“胶片热压法”，所能制造的夹层玻璃的最大尺寸取决于高压釜的直径。使用引进生产线，具有较大生产规模的厂家有深圳的中国南方玻璃集团公司、中国秦皇岛耀华集团公司、洛玻集团公司、上海皮尔金顿公司等。夹层玻璃的清洁生产现已具有较高水平，基本没有污染物排放，绿色化指标控制应放在玻璃清洗用水的循环、空气压缩机噪声治理等方面。

夹层玻璃具有安全特性，建筑用夹层玻璃能抵挡意外撞击的穿透，减少玻璃破碎或坠落的危险，即使玻璃碎了，碎片仍会与中间层胶片粘在一起，可避免因玻璃坠落造成人身伤害或财产损失。夹层玻璃能抵挡一般冲击物的穿透，用PVB胶片特制成的夹层玻璃能抵挡住枪弹、炸弹和暴力的攻击。夹层玻璃具有隔声特性。PVB胶片具有对声波的阻尼功能，使建筑用夹层玻璃能有效地减弱声音的能级，起到良好的隔声效果。建筑用夹层玻璃具有控制阳光和防紫外线特性，能有效地减弱太阳光的透射，防止眩光，而不致造成色彩失真，能使建筑物获得良好的美学效果，并有阻挡紫外线的功能，可保护家具、陈列品或商品免受紫外光辐射而发生褪色。

由于夹层玻璃具有很高的抗冲击强度和使用的安全性，因而适用于建筑物的门、窗、天花板、地板和隔墙；工业厂房的天窗；商店的橱窗；幼儿园、学校、体育馆、私人住宅、别墅、医院、银行、珠宝店、邮局等建筑。通过设计与选材，夹层玻璃还可以用作电磁屏蔽玻璃、防火玻璃、防盗玻璃等。概括而言，夹层玻璃是具有多种功能的绿色度较高的建筑材料品种，尤其在安全性、防噪声、防盗等方面的优势对提高建筑绿色化指标有明显的贡献。

3.镀膜玻璃

镀膜玻璃是在平板玻璃表面镀覆一层或多层金属或金属氧化物薄膜，从而通过对玻璃的表面改性使其具有新的或更好的功能。按照制造工艺可以将镀膜玻璃划分为在线镀膜玻璃和离线镀膜玻璃两种（见表7.5）。按照功能划分，镀膜玻璃包含热反射玻璃、低辐射玻璃、减反射玻璃、导电玻璃、彩釉玻璃、镭射玻璃、镜面玻璃等等。镀膜玻璃的制备方法不同，功能多种多样，应该根据具体的应用领域和地域进行选择使用，比如具有阳光控制能力的热反射玻璃，应该在热带、亚热带使用，反射阳光中的红外线，降低室内的空调能耗；低辐射玻璃既可以在寒带地区使用，降低室内采暖费用，也可以在炎热地区使用，降低制冷能耗。镀膜玻璃的主要功能表现在节能和装饰方面，其对绿色建筑的积极作用已得到确认。

4.钢化玻璃

钢化玻璃是对普通平板玻璃进行热处理后，在玻璃表面形成压应力层，具有高机械强度和热冲击性能的玻璃制品。通常钢化玻璃特指物理钢化中的风钢化玻璃。风钢化玻璃生产过程如下：普通平板玻璃经过切裁、磨边、清洗、干燥、检验后，送到加热电炉中加热到600℃以上，此温度要超过玻璃的软化点。然后将均匀加热好的玻璃迅速送到冷却位置的风栅之间，风栅上布有许多通风孔或者喷嘴，强大的气流在鼓风机的推动下均匀地喷吹到玻璃的两个大表面上，使玻璃表面迅速冷却。如果是生产弯型钢化玻璃，在风冷却之前应该进行压模成型。由玻璃表面首先快速冷却，致使表面的热状态结构冻结，当玻璃内部逐步降温时，先期冷却的外表层就会制约内部的收缩，于是在玻璃表面产生了压应力，在玻璃内部则形成了拉应力。在风钢化工艺中，玻璃原片的表面质量、边部加工质量、板面大小、厚度、加热温度、风栅结构、空气压力和流量等因素都对玻璃的钢化质量有着重要影响。较为先进的设备都由计算机进行过程控制，可以获得相当稳定的产品质量。

风钢化工艺是一种相当成熟的技术，能耗低、产率高、产量大、成本低，应用极为广泛，目前建筑用钢化玻璃主要由风钢化工艺生产，一般采用水平风钢化方法，其中水平辊道钢化方法较为流行，但气垫水平钢化方法更适合于大规模批量生产。在钢化玻璃的生产过程中，要重点控制能耗和噪声。

普通玻璃的表面存在许多微小的裂纹或者表面缺陷，当受到外力作用时，由于裂纹造成应力集中，致使裂纹在较小的外力作用下即发生扩展，最终导致玻璃破坏。当玻璃表面引入压应力后，在玻璃受到外力作用时，首先由表层应力抵消掉部分或者全部外力，从而大大地提高了玻璃的强度和抗冲击性能。通常钢化玻璃的表面压应力在69MPa之上，抗弯强度比普通玻璃提高3～5倍，抗冲击强度是普通玻璃的5～10倍。高强度也就意味着高安全性，在受到外力撞击时，破碎的可能性降低了；同时，钢化玻璃的另一个重要优点是当玻璃破碎时，由于受到内部张应力的作用，应力瞬时释放使整块玻璃完全破碎成细小的颗粒，这些颗粒质量轻，不含尖锐的锐角，极大地减少了玻璃碎片对人体产生伤害的可能性。但是钢化玻璃不宜单独在高层建筑或者天棚、天窗结构中使用，因为一旦玻璃破坏产生的“玻璃雨”可能会对下面的人群造成伤害。在这种情况下一般是做成夹层玻璃或者和夹网玻璃联合使用。钢化玻璃在生产过程中会产生变形，对光学性能有一定影响，在追求映像效果的幕墙应用时受到了限制。另外，钢化玻璃一旦制成，就不能再进行任何冷加工处理，因此玻璃的成型、打孔必须在钢化前完成，钢化前尺寸为最终产品尺寸。

钢化玻璃耐急冷急热的性能较之普通玻璃也提高了2～3倍，一般可以承受150℃以上的温差，大大改善了玻璃抗热炸裂性能，同时也提高了使用安全性。但是钢化玻璃也有一些缺点，如存在着自爆的可能性。当玻璃在使用过程甚至运输过程中，根本没有外力作用或者外力很小时，钢化玻璃突然爆裂。原因是玻璃表面或者边部存在着严重缺陷，造成表面压应力的不均匀，使应力状态失衡；另外过高地追求强度，造成表面压应力过大，玻璃内应力平衡处于临界状态也容易引发自爆。应该挑选表面质量好的玻璃原片，对边部进行细致的加工，控制适宜的应力范围，防止玻璃的边角磕碰和表面划伤，才能减少玻璃自爆的可能性。

另外，熔铸成型的建筑玻璃包括玻璃砖、空心玻璃砖、槽形（U形）玻璃、玻璃马赛克、微晶装饰玻璃等品种，它们的熔制工艺相近而成型工艺不同。

在上述品种中，除具有共性的装饰功能外，空心玻璃砖与槽型玻璃还有保温与隔声的功能。在生产过程应对资源、能源消耗的绿色度进行评价，对排放的气体和粉尘应进行定量分级，对原料中的废玻璃利用率也应纳入绿色度考核。

三、玻璃在建筑上的应用

传统意义的建筑玻璃仅承受自重、风压和温度应力三种荷载，由于设计的板面尺寸较小，这些荷载所造成的应力一般不超过10～20MPa。随着增强玻璃的问世和增强技术的不断提高，建筑设计师已将玻璃作为一种结构材料来使用，使玻璃的采光、围护、装饰等多项功能得到更广泛的结合与应用。

玻璃用作结构件从无框玻璃门和采光屋顶开始，以后又出现了点支式幕墙和玻璃地面、玻璃楼梯踏板、水箱挡板等。用作结构件的玻璃其承载方式主要有两种，点支承和边部支承。载荷主要有集中载荷和均布载荷，又可分为静载荷和活载荷，前者由自重、水压、雪载等构成，后者由人体载荷或风载荷构成（图7.2）。

增强技术的发展使玻璃的许用应力不断提高，目前经过综合增强的玻璃强度能够达到1000MPa以上，可供商业化使用的玻璃能够保证强度在500MPa。由于玻璃是典型的脆性材料，在保证较小破损概率的条件下，建筑玻璃的强度设计值最高可以达到63MPa，这使玻璃能够作为结构材料，给建筑设计师们发挥想象力提供了更多的选择。

提前给玻璃增强的方法主要有两种——风钢化和化学钢化。风钢化是玻璃物理增强方法的一种，还有液体钢化和固体微粒钢化也是玻璃物理增强方法。风钢化是普遍应用的玻璃增强方法，弯曲强度为40～80MPa的普通平板玻璃经过风钢化淬冷处理后其强度可以提高3～5倍，达到200～300MPa。化学钢化是采用大直径离子置换玻璃表层的小直径离子，大离子嵌入表面后使玻璃表层产生压应力，通常采用钾离子置换钠钙硅系玻璃中的钠离子或采用钠离子、钾离子置换锂铝硅系玻璃中的锂离子。化学增强玻璃的强度可以达到普通平板玻璃的2～10倍，薄玻璃的增强效果优于厚玻璃。目前增强效果最好的综合增强方法是将风钢化和化学钢化结合起来，辅之以表面酸处理、表面保护和边部精加工，能够使平板玻璃的弯曲强度达到500～1000MPa。

玻璃强度的提高扩大了玻璃在建筑中的应用范围，玻璃在多种功能的改善和新突破则极大地提高了建筑的绿色度。建筑玻璃提高的第一功能是节能，有控制太阳能进入室内的热反射玻璃和吸热玻璃、有阻隔远红外辐射减少高温场能量流动的低辐射玻璃、有高效保温的中空玻璃和真空玻璃。建筑玻璃的安全性是绿色度评价的重要指标之一，健康与安全是可持续发展的绿色建筑的组成部分。关于建筑玻璃的节能和安全性将在本章第三节专题论述。

建筑玻璃是沟通处于建筑物内部的人与外部自然界的视觉、听觉、空气流通的几乎唯一的渠道，但现代建筑要求建筑玻璃要打得开关得上。所谓打得开就是玻璃透明度要高，使视觉通透，玻璃开启要灵活使空气交换方便；所谓关得上就是对节能不利的红外光要阻挡，使人健康受损的噪声要减轻，对建筑物的保温要多作贡献。另外，玻璃在建筑的太阳能利用方面也多有建树，如太阳能集热器和太阳能光伏电池所采用的高透过玻璃。

建筑玻璃在建筑工程中的应用可以从表7.6得到一个完整的概念，按照应用场合的不同分为三类，幕墙及天棚玻璃、门窗及隔断玻璃、装饰玻璃及其他。随着建筑玻璃品种的增加和质量的提高，在建筑上的应用范围也会日益扩大。