專利名稱：：一種均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于安全玻璃和防護(hù)玻璃領(lǐng)域，涉及一種在截面內(nèi)只有壓應(yīng)力而沒(méi)有拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
：玻璃具有一系列優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，其耐壓強(qiáng)度高，硬度高，透明，穩(wěn)定性好，不易變形，是一種用途廣泛的無(wú)機(jī)非金屬材料。但是玻璃是典型的脆性材料，抗拉強(qiáng)度低，抗壓強(qiáng)度高，表面與內(nèi)部存在各種缺陷，在外力與環(huán)境介質(zhì)作用下極易發(fā)生裂紋擴(kuò)展，特別是在存在拉應(yīng)力情況下(如鋼化玻璃的的中間層)容易產(chǎn)生各種破壞，在應(yīng)用上受到很大限制。為了提高玻璃的強(qiáng)度與使用安全性，各種玻璃增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。預(yù)應(yīng)力玻璃技術(shù)就是通過(guò)一定的技術(shù)手段使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而在玻璃結(jié)構(gòu)受拉時(shí)，通過(guò)與內(nèi)部壓應(yīng)力的抵消，提高玻璃結(jié)構(gòu)的使用強(qiáng)度。現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力玻璃主要是常規(guī)的鋼化玻璃，這種玻璃處于外部受壓而內(nèi)部受拉的應(yīng)力狀態(tài)，由于內(nèi)部拉應(yīng)力的存在，容易引起自爆等由于內(nèi)部缺陷引起的破裂和碎片飛濺等風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要采取一些手段來(lái)消除內(nèi)部拉應(yīng)力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種在玻璃截面中只有壓應(yīng)力沒(méi)有拉應(yīng)力的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件，使其具有較高使用強(qiáng)度和破壞后強(qiáng)度，使用安全性好。該均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件，包括一玻璃體、套于玻璃體外與玻璃體同形狀的約束框和在玻璃體和約束框之間的膨脹體。其中，所述約束框采用金屬或合金材料制成。所述膨脹體由膨脹水泥或膨脹膠條自膨脹后形成。所述玻璃構(gòu)件為方形、圓形或其他形狀。本發(fā)明的另一目的是提供上述均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件的制備方法。該方法包括將加工成設(shè)定形狀的玻璃置入約束框后，向其間隙灌入膨脹劑，并進(jìn)行后期養(yǎng)護(hù)的步驟。具體步驟包括1)對(duì)原片玻璃進(jìn)行加工，切割成一定的形狀尺寸，并對(duì)玻璃進(jìn)行打磨；2)用機(jī)加工或者焊接的方法制備與玻璃尺寸相適宜的約束框結(jié)構(gòu)，將玻璃置于其中且四周有一定的間隙；3)將膨脹材料填入步驟2)中玻璃與約束框架的間隙；4)縫隙被密實(shí)填滿后，將制作完備的樣品進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后得到成品。其中，步驟3)中所述膨脹材料為膨脹水泥，膨脹水泥需迅速、均勻、密實(shí)地灌入2)中預(yù)留的縫隙中；或者步驟3)中所述膨脹材料為膨脹膠條，膨脹膠條以均勻的尺寸填充到縫隙中。所述養(yǎng)護(hù)條件為溫度20士rC，濕度93X左右，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28天。采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明提供的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)，在玻璃板周圍通過(guò)緊湊約束，利用膨脹水泥的自應(yīng)力特性使玻璃內(nèi)部只承受壓應(yīng)力。采用本發(fā)明的制備方法，利用膨脹膠條或膨脹水泥漿的自膨脹特性，通過(guò)周邊擠壓的方式使玻璃內(nèi)部只承受壓應(yīng)力而無(wú)拉應(yīng)力，形成的這種均勻壓縮預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)可以提高玻璃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用安全性。采用本發(fā)明方法制備的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)具有制備方法簡(jiǎn)便，易操作，成本低等特點(diǎn)，由于膨脹膠條和水泥膨脹劑的自應(yīng)力及粘接性能優(yōu)越等特性使得本發(fā)明的玻璃結(jié)構(gòu)具有很高的破壞后強(qiáng)度，可以很大程度上提高玻璃結(jié)構(gòu)的安全性。本發(fā)明提供的預(yù)應(yīng)力玻璃，在玻璃截面中只有壓應(yīng)力沒(méi)有拉應(yīng)力，通過(guò)約束壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)提高玻璃的強(qiáng)度，改善破壞后的安全性。這種玻璃構(gòu)件可以廣泛用于安全玻璃和防護(hù)玻璃領(lǐng)域。具有很大的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣意義。圖la為本發(fā)明圓形玻璃構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖；圖lb為本發(fā)明方形玻璃構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a為雙環(huán)實(shí)驗(yàn)加載裝置中夾具截面示意圖；圖2b為雙環(huán)實(shí)驗(yàn)加載裝置對(duì)圓形試樣加載示意圖；圖2c為雙環(huán)實(shí)驗(yàn)加載裝置對(duì)方形試樣加載示意圖；其中1——試樣；2——淬硬鋼底盤(pán)，上面安裝有支撐環(huán)；3——硅膠墊；4——淬硬鋼加載環(huán)；5——可以對(duì)加載環(huán)對(duì)中加載的載荷傳輸部分；6——紙(或合成材料)墊，厚度約為0.1mm;7——對(duì)中試樣的調(diào)整夾具；8——加載環(huán)接觸圓；9——支撐環(huán)接觸圓。圖3為圓形普通玻璃試樣經(jīng)一次雙環(huán)試驗(yàn)后形貌。圖4為本發(fā)明圓形預(yù)應(yīng)力玻璃試樣經(jīng)一次雙環(huán)試驗(yàn)后形貌。圖5為本發(fā)明圓形預(yù)應(yīng)力玻璃試樣經(jīng)過(guò)二次雙環(huán)試驗(yàn)后形貌。具體實(shí)施例方式本發(fā)明目標(biāo)是制備一種均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件，主要是在玻璃板周圍設(shè)置緊湊約束體，再利用膨脹膠條或水泥膨脹劑的自膨脹特性，在玻璃與約束體之間產(chǎn)生壓應(yīng)力，使玻璃內(nèi)部只承受壓應(yīng)力。本發(fā)明均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖l所示，包括一設(shè)定形狀的玻璃體11、套于玻璃體11外與玻璃體同形狀的約束框13、和在玻璃體11和約束框13之間的膨脹體12。其中，約束框13為緊湊約束體，其材料為金屬或金屬合金，如金屬可為鋁或鋼，金屬合金可為鋁或鋼的合金；玻璃體11的形狀根據(jù)需要設(shè)計(jì)，可以為方形、圓形或其他形狀，緊湊約束的形式可以為圓形約束(參見(jiàn)圖la)或者方形約束(參見(jiàn)圖lb)或其他形狀約束；對(duì)于不同的玻璃結(jié)構(gòu)(方形或圓形)可采用不同的約束材料和約束形式(如方框或圓框)；膨脹體12使用膨脹膠條或水泥膨脹劑，其在灌注或填充在玻璃體11和約束框13之間后依靠材料的自膨脹特性，使玻璃體11和約束框13密實(shí)貼合形成均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件整體。本發(fā)明同時(shí)提供一種均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件的制備方法，包括玻璃原片的選擇和加工、約束體的制備、膨脹材料的選用、膨脹材料填入、試樣的養(yǎng)護(hù)等。上述制備方法的具體步驟有1)對(duì)原片玻璃進(jìn)行加工，切割成需要的形狀尺寸，并對(duì)玻璃進(jìn)行打磨形成玻璃體l，便于后續(xù)工作的進(jìn)行；2)用機(jī)加工或者焊接的方法制備與玻璃體11尺寸合形狀相適宜的約束框13結(jié)構(gòu)，將玻璃體11置于約束框13中并保持一定的間隙以便放置膨脹材料；3)選用合適的膨脹材料，采用合理的方法將膨脹材料填入步驟2)中玻璃體11與約束框13的間隙中，填充方法應(yīng)根據(jù)不同的膨脹材料而變化，以保證一定的應(yīng)力狀態(tài)；4)確?？p隙被密實(shí)填滿后，將制作完備的樣品置于一定的溫度、一定的濕度環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使膨脹材料自膨脹中形成膨脹體12并達(dá)到理想的應(yīng)力效果。其中膨脹材料可以是膨脹膠條或者水泥膨脹劑等?？梢酝ㄟ^(guò)選用不同的水泥、膨脹劑種類進(jìn)行組合，或者選用有類似自應(yīng)力特性的水泥添加劑與水泥混合使用，還可以通過(guò)改變水泥、膨脹劑和水的成分組成配比，改變最終產(chǎn)品的預(yù)應(yīng)力效果；膨脹材料的配料均可以商購(gòu)。玻璃與約束框之間的間隙，一方面應(yīng)便于膨脹材料的填入，另一方面確保能夠填入足夠多的膨脹材料，以提供足夠大的預(yù)應(yīng)力源；為了提高預(yù)應(yīng)力，樣品的養(yǎng)護(hù)環(huán)境與時(shí)間要嚴(yán)格參照所選用膨脹材料的使用養(yǎng)護(hù)方法，以充分發(fā)揮膨脹材料的自應(yīng)力特性。以下結(jié)合具體實(shí)施例和實(shí)驗(yàn)對(duì)比詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例只為具體公開(kāi)本發(fā)明均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和制備方法，不作為對(duì)本發(fā)明其他實(shí)施方式的限制。實(shí)施例1:圓形均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件及其制備具體操作過(guò)程1)切割直徑100mm，厚度5mm的普通鈉鈣玻璃圓片，對(duì)切割后的玻璃棱角進(jìn)行打磨；2)制備內(nèi)徑106mm，高10mm，壁厚2mm的圓形鋼材約束框。將玻璃圓片與約束框?qū)χ泄潭ǚ胖茫ＷC玻璃四周與約束框之間的縫隙尺寸均勻分布；3)選用HCSA(硫鋁酸鈣類高性能混凝土膨脹劑，商購(gòu))與普通水泥按質(zhì)量比1:10，水灰比0.4進(jìn)行配制。然后將配制好的膨脹劑水泥漿迅速、均勻、密實(shí)(以保證玻璃在周向均勻受壓)地灌入2)中預(yù)留的縫隙；4)將制備好的預(yù)應(yīng)力玻璃試樣置于溫度20士rC，濕度93X左右的條件下養(yǎng)護(hù)28天。其間需嚴(yán)格監(jiān)視養(yǎng)護(hù)環(huán)境，尤其要避免濕度變化對(duì)膨脹性能的影響；養(yǎng)護(hù)后試樣為本例玻璃構(gòu)件成品_均勻壓縮預(yù)應(yīng)力玻璃。實(shí)驗(yàn)本發(fā)明均勻壓縮預(yù)應(yīng)力玻璃的抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN1288-5:2000(建筑玻璃-玻璃彎曲強(qiáng)度的測(cè)定)，由于試樣為較小面積平型試樣，可采用雙環(huán)法對(duì)試樣進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)裝置參見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)之前測(cè)定試樣的厚度和直徑(邊長(zhǎng))，實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)整加載環(huán)4和支撐環(huán)2之間的垂直距離，以便于試樣放置而不至于劃傷，然后依次放置硅膠墊3，試樣l，紙墊6，通過(guò)調(diào)整夾具7，確保試樣對(duì)中。依據(jù)測(cè)定的試樣尺寸，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選用加載裝置尺寸為加載環(huán)半徑9mm，支撐環(huán)半5徑45mm。以(2±0.4)MPa/s的遞增速度對(duì)試樣中心進(jìn)行加載，直至試樣破壞。記錄最大破壞載荷F^。計(jì)算試樣彎曲強(qiáng)度。圓形試樣采用公式o^-^f方形試樣采用公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中obB-彎曲強(qiáng)度，單位為兆帕(MPa);[OO53]Fmax-最大壓力，單位為牛頓(N);h-試樣厚度，單位為毫米(mm);&，K2_無(wú)量綱因子，鈉鈣硅酸鹽玻璃的&值為1.09，K2值為1.04。為了避免由于玻璃內(nèi)部缺陷的不確定性，及其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為多個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值。實(shí)驗(yàn)同時(shí)選用同材質(zhì)、同尺寸和同形狀的玻璃作為對(duì)照試樣。試樣強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表中的二次彎曲破壞強(qiáng)度是指預(yù)應(yīng)力樣品在第一次強(qiáng)度試驗(yàn)破裂之后，由于碎片被緊湊約束，不會(huì)掉落，就對(duì)已破裂樣品進(jìn)行了二次雙環(huán)試驗(yàn)(即清理夾具，實(shí)驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)歸零后對(duì)試樣重新進(jìn)行雙環(huán)試驗(yàn))，顯示仍可以承受較大載荷，用載荷峰值計(jì)算的二次破壞強(qiáng)度跟沒(méi)有預(yù)應(yīng)力的玻璃相近。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明方法制備均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)，可以使玻璃強(qiáng)度提高將近1倍，而且具有很高的破壞后強(qiáng)度?？梢?jiàn)，本發(fā)明的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件最大的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生普通鋼化玻璃常發(fā)生的自爆現(xiàn)象，且本發(fā)明的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃具有制作簡(jiǎn)便、易操作、成本低、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于玻璃門(mén)窗和家具、安全玻璃和防護(hù)玻璃等領(lǐng)域，具有很大的市場(chǎng)前景。實(shí)施例2:方形均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件及其制備具體操作過(guò)程與實(shí)施例1相同。采用層合防彈玻璃制品，尺寸400mmX400mmX30mm;約束框材料采用鋼片，框內(nèi)尺寸410mmX410mmX30mm，鋼片厚度3mm;膨脹劑選用HCSA(硫鋁酸鈣類高性能混凝土膨脹劑，商購(gòu))與普通水泥按質(zhì)量比1:10，水灰比0.4進(jìn)行配制，直接填入玻璃制品和框體中間的縫隙中；養(yǎng)護(hù)條件為溫度20士rC，濕度93X左右的條件下養(yǎng)護(hù)28天。該構(gòu)件經(jīng)槍擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其防彈能力較普通防彈玻璃制品有所提高，說(shuō)明本發(fā)明均勻受壓預(yù)應(yīng)力防彈玻璃構(gòu)件同樣具有制作簡(jiǎn)便、易操作、成本低、安全性提高的優(yōu)點(diǎn)，可用于在重要場(chǎng)所或車輛中安裝使用。權(quán)利要求一種均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件，其特征在于包括一玻璃體、套于玻璃體外與玻璃體同形狀的約束框和在玻璃體和約束框之間的膨脹體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件，其特征在于所述約束框采用金屬或合金材料制成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件，其特征在于所述膨脹體由膨脹水泥或膨脹膠條自彭脹后形成。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件，其特征在于所述玻璃構(gòu)件為方形、圓形或其他形狀。5.權(quán)利要求1至4任一所述均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃的制備方法，包括將加工成設(shè)定形狀的玻璃置入約束框后，向其間隙灌入膨脹劑，并進(jìn)行后期養(yǎng)護(hù)的步驟。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于具體步驟包括1)對(duì)原片玻璃進(jìn)行加工，切割成一定的形狀尺寸，并對(duì)玻璃進(jìn)行打磨；2)用機(jī)加工或者焊接的方法制備與玻璃尺寸相適宜的約束框結(jié)構(gòu)，將玻璃置于其中且四周有一定的間隙；3)將膨脹材料填入步驟2)中玻璃與約束框架的間隙；4)縫隙被密實(shí)填滿后，將制作完備的樣品進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后得到成品。7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件的制備方法，其特征在于步驟3)中所述膨脹材料為膨脹水泥，膨脹水泥需迅速、均勻、密實(shí)地灌入2)中預(yù)留的縫隙中。8.根據(jù)權(quán)利要求6中所述預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件的制備方法，其特征在于步驟3)中所述膨脹材料為膨脹膠條，膨脹膠條以均勻的尺寸填充到縫隙中。9.根據(jù)權(quán)利要求5至8任一所述預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件的制備方法，其特征在于所述養(yǎng)護(hù)條件為溫度20±1°C，濕度93%左右，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28天。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)一種均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件及其制備方法，涉及安全玻璃和防護(hù)玻璃領(lǐng)域。該均勻受壓預(yù)應(yīng)力玻璃構(gòu)件包括一玻璃體、套于玻璃體外與玻璃體同形狀的約束框和在玻璃體和約束框之間的膨脹體。本發(fā)明采用金屬框形材料作為玻璃應(yīng)力承受結(jié)構(gòu)，膨脹劑水泥或膨脹膠條作為框架與玻璃之間粘結(jié)固定和填充材料，利用膨脹材料的自膨脹性能產(chǎn)生壓應(yīng)力，傳遞至玻璃平面內(nèi)部產(chǎn)生均勻壓應(yīng)力，而不存在拉應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有很高的強(qiáng)度和破壞后強(qiáng)度，可以明顯提高玻璃結(jié)構(gòu)的安全性，可以廣泛應(yīng)用于玻璃門(mén)窗和家具、安全玻璃和防護(hù)玻璃等領(lǐng)域。文檔編號(hào)F16S1/14GK101725821SQ20081022431公開(kāi)日2010年6月9日申請(qǐng)日期2008年10月16日優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日發(fā)明者包亦望,呂學(xué)良,邱巖申請(qǐng)人:中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院