建筑幕墙上玻璃风化的分析与对策

陈敬申，苏伟锋，欧伟强，郑胜林

（广州江河幕墙系统工程有限公司，广东 广州 511340）

玻璃幕墙是一种形态新颖、通透感强的建筑外墙装饰，具有现代建筑简洁光亮的显著特征，成为商业及标志性建筑的首选，受建筑师和开发商的青睐。建筑外观效果是幕墙设计的参照和依据，其中阴影盒设计构成建筑幕墙整体设计的重要组成部分。阴影盒在构造上采用玻璃加背板保温层的做法，玻璃与背板之间形成密闭空间，为了满足等压设计，常常采用开通气等压孔。依据国内外大量的幕墙工程统计，地处热带、亚热带的不少幕墙工程的阴影盒玻璃内侧出现风化现象（也称起雾和霉变），幕墙玻璃的起雾现象严重影响建筑外观效果，目前除了更换玻璃别无他法，且不能从根源上彻底消除。过多数量的起雾玻璃已产生巨大的维保费用，若找不到发生霉变的根本缘由和解决方案，会让幕墙相关方承担巨大损失。

1 玻璃起雾及霉变现象

图1是香港和新加坡某项目完工后出现的阴影盒玻璃风化霉变照片。根据多年来工程经验和观察，幕墙阴影盒（见图2）构造设计上采用在阴影盒上部开通气孔、下部开排水孔的，方式解决等压和空气对流问题，当层间封闭区域采用单片玻璃时，阴影盒玻璃易发生起雾结露。

图1 阴影盒玻璃霉变现象

图2 阴影盒设计

对大量工程的阴影盒腔内产生水汽的原因进行分析可知，阴影盒内部空气与室外大气相通，空气在通气孔和排水孔缓慢对流。当太阳光照射时，腔内温度比室外升温快很多，受限于通气孔和排水孔的尺寸，气流交换需要较长时间，此时腔内处于高温高湿状态，受湿度和温度控制的露点温度急剧上升，超过玻璃内表面温度时，起雾现象和结露就会发生；当室外快速降温时，玻璃温度随之降低，低于腔内露点温度就出现起雾和结露现象。根据玻璃的导热系数和热工计算，单片玻璃室内外温度相当，因此玻璃内表面温度依赖于室外空气温度和升温速度。分析结果和实地观察一致，早晨、傍晚或天气突变时段经常发现阴影盒玻璃内侧起雾现象，室外温度上升稳定后大部分雾气消散。

对不同工程的霉变现象的数据进行统计分析和观察，当温差短时间变化较大时，单片玻璃易出现起雾结露现象，随着温度升高，水珠逐渐蒸发并消退；当阴影盒玻璃为非镀膜单层时，极易出现永不消退的白色斑点，俗称“霉变”或“发霉”。对粘结在玻璃面上的“白色物质”进行分析可知，这些“白色物质”残留物附着在玻璃表面，非常牢固且难清洗，随后将其取样后送到实验室进行化学成分分析。在扫描电子显微镜（SEM）下放大100倍后观察，白色残留物颗粒质地细腻均匀，虽无法分辨，但可确定这些物质是良好的晶体。随着SEM倍数的放大，晶体的成分是硅质物质，和取样玻璃成分一致，可知白色附着物的产生是在高温、高湿及富水环境下单层玻璃内侧的风化现象。热带、亚热带的早晚气温变化、极端天气等造成湿度、温度高低波动及循环往复，加上城市工业、汽车尾气中的CO2、SO2等酸性气体的促进，进一步加速玻璃内侧的风化效应。

2 玻璃的霉变机理

根据文献[1-4]可知，建筑玻璃是一种钠钙玻璃，其主要成分为SiO2，其次是Na2O和CaO以及少量硅酸钠等。硅酸钠是一种可溶性硅酸盐，易溶于水。当水分附着在玻璃表面时，表面的硅酸钠、氧化钠及氧化钙被水解或水化反应，生成氢氧化钠、氢氧化钙及硅酸或二氧化硅，生成的碱液与空气中的CO2、SO2结合生成Na2CO3、CaCO3和H2O，并附着在玻璃表面。碳酸钠吸水性极好，不易挥发，吸收水分后潮解形成碱性液体腐蚀玻璃面，生成的水加速玻璃“返潮”现象，进一步增强表面风化速率，产生以点带面的风化现象，类似于生物发霉现象，俗称玻璃“霉变”。当环境温度升高，湿度降低时，玻璃表面的碱液浓度增大，这些相对高浓度的碱液与玻璃长期接触后，加速侵蚀了玻璃表面，风干后残留物形成了“白斑”。图3描述了整个化学反应及产物的相互作用的过程。随着昼夜温度的循环波动，玻璃表面的水分不断地凝结、水化、蒸发、再凝结、再水化、再蒸发持续下去。这种循环往复的蒸、凝作用（见图4），加速风化效应，是玻璃霉变的主要过程和方式。相比，室外玻璃的霉变并不突出，其时常经受风雨可有效降低表面碱液浓度，与室外温度和湿度一致，不易结露，不具备加快风化的主要条件。

图3 霉变的化学反应过程推演

图4 阴影盒内部蒸-凝循环作用

3 阴影盒模拟试验

为了查清阴影盒玻璃霉变的原因，在新加坡某建筑屋顶设置一个模拟样板来探究根源，图5为试验箱体。

本试验设置了9种参数，东、西、北3个朝向共27个不同的对比组，通过这些对比组的试验结果来确定玻璃配置，气孔大小，气孔位置以及幕墙朝向，对阴影盒起雾的影响及其程度。同时，记录室内外温度和湿度、玻璃内表面温度和湿度等，为露点温度及结论分析判断提供数据。试验采用单元系统玻璃幕墙，测试周期为1年，数据采集周期为1个月。表1为试验对比组的相关参数。

图5 试验箱体

表1 试验对比组的相关参数

试验结果如下：

（1）对比S1/S1A、S2/S2A的这2组样板可观察到阴影盒玻璃内侧早上、晚上或下雨天有起雾，天晴后逐渐消失。由此可知，阴影盒腔内的露点温度在早晚或雨季高于室外温度，排气孔的大小和位置对玻璃内侧的起雾影响有限，尤其短时间内。

（2）对比S1、S1A，S2、S2A，S3、S3A这3组样板，观察到S3/S3A很少出现起雾现象，即便是有，也晚于前2组。根据热工计算，镀膜玻璃传热系数和遮阳系数远小于清玻，阴影盒腔内的湿度和温度变化程度低于清玻，其腔内露点温度低于清玻1~2℃。

（3）对S4、S4A进行观察可知，相比单片玻璃，出现起雾现象非常少，即便是有也发生在玻璃四周与边框相近的地方。中空层起到内外片温度的隔断和保温作用，即内片玻璃温度不随外片玻璃快速升温和降低，主要依赖阴影盒腔内温度，此温度远高于腔内露点温度，起雾难发生。根据实验结果可知，腔内温度最高可达72℃以上，最低温度略高于室内空调温度，边框受腔内温度影响较大，导致相近玻璃内侧偶尔会发生起雾情况，但不明显。

（4）对S5进行观察可知，起雾现象发生后就很难完全消散。玻璃组装或安装时，阴影盒内的温度和湿度不可控，封闭后气体与外界不对流，若发生起雾，就成为常态，甚至无法消退，见图6。玻璃边部有明显水雾，难蒸发消退。

图6 试验箱S5对比组样板

（5）对比S1、S1A，S2、S2A，S5这3组样板可知，排气孔对压力平衡，腔内外气体对流有至关重要的作用，也是腔内湿度趋于平衡的重要通道。实现室内外湿度一致，避免不可控常态玻璃起雾现象。

（6）对比S3、S3A，S4、S4A这两组样板，镀膜玻璃和中空玻璃等节能玻璃具有良好热工性能，镀膜玻璃减少热烈进入阴影盒腔内及减缓升温速度，中空玻璃的中空层可有效隔断室内外玻璃温度直接传递，减缓内片玻璃表面的降温速度。同时镀膜玻璃还有一重要特征：镀膜层可隔断水汽与本体玻璃的直接接触，切断风化腐蚀链。

图7为S1对比组阴影盒内连续6 d的温、湿度变化曲线。

图7 S1对比组阴影盒内连续6 d的温、湿度变化曲线

根据温、湿度可计算出每记录点的阴影盒腔内露点温度，结果分析可知，当温度一定时，湿度变化5%，露点温度变化1℃左右；当湿度一定时，温度变化1℃，露点温度变化1℃左右。因此，降低阴影盒腔内露点温度或提高玻璃内侧温度，是解决玻璃起雾的根源问题。

4 对锡面和通气孔的讨论

4.1 对玻璃锡面的讨论

有研究者[3]提出玻璃锡面在预防玻璃霉变的观点，此观点主要从浮法玻璃成型工艺过程进行研究，在N2和H2保护下，玻璃液流入锡槽中，漂浮在锡液表面上，在重力和表面张力作用下铺开、摊平，形成上下表面平整的玻璃。过程中不可避免掺杂O2，与锡发生氧化反应生成Sn2+，其与接触的玻璃液中Fe3+发生反应生成Sn4+，渗入玻璃面内，并驱赶接触面的Na+到锡液中，形成10~20μm的渗透层，增强了下表面的化学稳定性。鉴于此种现象，玻璃厂在生产镀膜玻璃时，要提前区分锡面，才能找到镀膜面。

对于这个影响因素，采用样本调查法进行针对性分析。根据统计数据，在霉变的玻璃中锡面和空气面都存在，霉变玻璃有一定的批次性，数据对比来看，玻璃锡面霉变占比空气面霉变要少一些。据此可推断，原片生产工艺的质量提升降低锡离子渗透，锡面对玻璃霉变有一定作用，但过程不可控，无法量化其生产工艺控制，暂无法成为解决玻璃霉变的方案。

4.2 对阴影盒通气孔的讨论

在单元幕墙的阴影盒封闭腔内设置对外连同的通气孔已经成为幕墙设计主流构造做法。对于通气孔的作用和意义，各方说法大同小异，归结为两点：其一、内外等压；其二、凝结水的排水孔。由此可知，玻璃结露现象由来已久，采用有水可排的设计思路进行构造处理，未深究某些玻璃会因风化而出现霉变。据理想气体状态方程pV=nRT可估算出，当最高温度（72℃）时，假定腔内气体体积不变，气体的物质的量不变，则腔内压强升高近0.2个标准大气压，约20 kPa；若压强不变，气体的物质的量不变，气体体积会膨胀20%，这观察到有些玻璃“鼓肚子”现象相符。基于以上分析，设置通气孔可解决腔内外压力平衡问题。

通气孔是否能够解决玻璃霉变问题呢？从玻璃霉变的根源出发，玻璃风化反应发生的基本环境：少量水及干湿交替的环境。大量水稀释碱液后流走，不易在玻璃上凝结；干湿交替环境是玻璃产生残留物的关键，碱液腐蚀玻璃产生的凝结盐在干燥环境下粘结在玻璃上，逐渐形成致密凝结的晶体。同时城市的各种废气（CO2、SO2等）通过气孔进入阴影盒腔内，在高温高湿环境下加速了玻璃风化。由此可知，设置通气孔解决玻璃霉变是不可行的。

5 结语

浮法玻璃霉变现象很早就有人研究，尤其在汽车、食品等行业。近10多年，建筑幕墙成为城市的一张名片的同时，早期未发现的问题，现在逐渐暴露出来。经过近5年来的调查和研究，结合试验、观察样板和相关行业研究成果，给出以下结论供参考。

（1）玻璃霉变是风化效应的直接反应。阴影盒玻璃选型不当易产生风化效应，城市废气加速风化作用。

（2）阴影盒设计时，应设置通气孔。封闭腔的内外空气对流是解决室内外温湿度平衡的基础，否则腔内湿气不流通势必出现难消退的水雾，压强不均衡容易导致室外水不合理吸入腔内，也不利于防水。

（3）阴影盒设计宜优选单片镀膜玻璃。单片镀膜玻璃优异的热工性能可减少腔内热量快速聚集，有效降低阴影盒腔内露点温度，且镀膜层有效保护玻璃不受风化作用。中空玻璃的中空层和夹胶玻璃的PVB和SGP能够延缓玻璃内侧面的降温速度，有助于提高玻璃内侧温度，降低结露风险，但无法避免玻璃内侧面的风化作用。

（4）规范组装和安装工艺，严格遵循设计图纸进行相关工作，避免漏开孔、堵孔、遮挡孔等问题发生。

（5）幕墙面的朝向、通气孔的大小和位置、幕墙系统等对玻璃霉变有一定影响，但不突出。根据工程经验，通气孔直径不宜小于10 mm，不应少于2个；对不能设置通气孔的框架系统，宜采用单片镀膜玻璃或中空玻璃。