從玻璃知識ABC 談玻璃選用之考量
☆陳博昌
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一、前言 玻璃製品在歷史中出現，可追溯遠至數千年前。而發展至今，人類對於玻璃這項產品的運用，更是千變萬化，不論是在建築、電腦、交通、或生活用具，都可見到玻璃製品的蹤跡，所以它幾乎已是人類日常生活中，每天都會接觸到的工業產品。在人們普遍的心目中，玻璃是一種容易碎裂的東西，於是就衍生出玻璃是一種強度不高的物質。當然，相較於混凝土、金屬等，玻璃是屬於較易碎裂的物質，但是只要在其外觀形狀上，或透過某些再加工過程，如強化加工，玻璃也可以變成一種具結構性能的材料。事實上，玻璃對於承受均佈載重的承受力遠較瞬間衝擊力為佳，而且不同型式的瞬間撞擊(如尖銳鐵鎚或木槌)，對於玻璃也有不同的破壞力。當然，影響玻璃承受外力衝擊尚有許多因素，如：玻璃材質、再加工方式、厚度、形狀，支撐位置…等，而這些不同因素更可交互結合而衍生出各式各樣的結果。 二、玻璃的組成與生產 有關玻璃的組成(Composition of Glass)，因其組合元素之不同，而產生有不同的特性，例如：純矽玻璃(用於衛星望遠鏡之超輕鏡子、雷射反射器等)、含鉛玻璃(用於霓虹燈管、溫度計等，水晶玻璃亦屬之)、含硼玻璃(具低熱膨脹特質，用於實驗室或家用容器)等。雖然其組成種類繁多，並各有不同的應用，但皆有一共通之處，就是主要成份為「二氧化矽(SiO2)」，也就是俗稱的矽土。在建築工程中，玻璃更是一種廣汎應用的建材，幾乎每一棟建築物都一定會用到玻璃。建築用玻璃係為Soda-lime-silica(碳酸鈉－石灰－矽土)型式組成，其中主要包含二氧化矽(SiO2，70%)、碳酸鈉(Na2O，15%)、石灰(CaO，10%)，及其他的少量元素。就物理性質而言，對於純粹之二氧化矽(SiO 2 )，其熔點高達1700℃！但由於Na2O的加入，使得其軟化點溫度降為800℃~900℃，也因此提昇了玻璃的可生產性與經濟性。至於建築工程中所常用的平板玻璃，其主要生產方式係採所謂之浮式生產流程(如下圖)，故又稱浮式平板玻璃。此法為英國Pilkington Glass Co.所開發，其方式將玻璃原料置於熔爐中，使之呈現熔融狀態，同時謹慎地控制其溫度，再使之自熔爐中連續地流出，並漂浮在熔融之液態金屬表面上(通常是「錫」)形成一連續平面，而熔融態的玻璃液表面也因為重力及表面張力之作用而變得平整。此一帶狀平面於生產線上不斷前進，經過自然降溫而成為平板玻璃，最後再依所需規格裁切尺寸。因此，玻璃最大寬度便受到生產設備規格而有所限制，至於長度部份，便具有彈性而可自由選擇。 
三、玻璃強化之方式與問題 經過浮式生產流程所製造的浮式平板玻璃，即為一般通稱的普通玻璃(或稱退火玻璃，Annealed Glass)。由於普通玻璃較不耐衝擊而容易碎裂，所以人們便思考該如何增強玻璃強度。玻璃強度的提升，的確是可以應用「化學」及「物理」兩種不同方式來達成。所謂化學方式，係以化學藥劑利用離子交換法改變玻璃表面的成份，使得玻璃得以產生很大的抗壓力；而物理方式，就是以溫度的變化，來改變玻璃內部應力分佈而提升其強度，故此法又稱作熱處理玻璃(Heat Treated Glass)。熱處理除成本低廉外，更重要的是其玻璃強度一但改變，就不會有隨時間變化而衰減之問題。由於建築物使用年限甚長，且必須承受自然環境之考驗，所以穩定的強度品質，乃是建築安全中不可或缺的條件，因此，以熱處理方式來提升玻璃強度，自是建築工程不二的選擇。以熱處理來增加普通玻璃強度，其重點不單只是讓玻璃再經回火加熱即可，真正能讓玻璃形成強度的要素，乃是加熱後其溫度變化之控制。也就是說，當我們將玻璃升溫，然後再以人工控制之方式讓其迅速降溫，此時熾熱的玻璃表面便會因急速冷卻而收縮，形成「壓縮應力」，而內部則因保持餘熱而呈現「拉應力」，於是玻璃便在此表面應力分佈的改變而提升了強度，這便是熱處理的基本原理及概念。至於以熱處理提高玻璃強度，依據其溫度變化控制的不同，因而產生不同的強度表現。在建築工程中，最常見的熱處理有以下兩種： (一)熱硬化玻璃 Heat-Strengthen Glass： (二)強化玻璃 Tempered (or Toughen) Glass： 強化玻璃(加熱約800℃左右)是以急速降溫方式，讓玻璃表面快速形成強大的壓縮應力，而熱硬化(加熱約600℃左右)則以較緩的降溫曲線來達到目的，相對而言，其強度自然就比不上急速降溫的劇烈方式所獲致的效果了。故以上兩種玻璃會呈現不同強度表現，主要在於降溫時間的控制。另外，太厚的玻璃無法進行熱硬化處理(厚度約以10mm為上限)，但強化玻璃則較不受限制。 經過熱處理的玻璃，因為表面已形成壓縮應力的關係，故將不得再行裁切分割，否則玻璃便會產生破壞。其原因是裁切會造成表面壓縮應力的破壞，導至內外應力平衡失調，內部的拉應力便會爆發出來，這也可解釋為何強化玻璃破裂後，會碎成一塊塊鈍形小碎片。而對於熱硬化玻璃，因為表面壓縮應力與內部拉應力皆不若強化玻璃那麼大，所以破壞發生時，便不會如強化玻璃般形成散狀碎塊，而呈現大面積之碎片或裂痕。 此外，由於製程關係，也使得強化玻璃總免不了有極微小不平整的波浪表面，當然其程度之大小，與各廠家設備、品管、技術皆有直接關係。所以要檢視一片平板玻璃是否為強化製品，除了看各加工廠商在製品的邊角上打上強化標誌外，只要在光線充足的環境中側視玻璃表面，若看到些微彩色般的光線折射時，便可確認其為強化製品。而熱硬化則較不會有此一問題，表面可有較佳之平整度。 四、玻璃自己會爆炸？ 玻璃的破損，總是人們對於玻璃製品感到困擾的一項問題，除了破損時會造成使用上的不便或困擾外，其碎片更可能對人體造成傷害。當然，造成破損的原因很多，但不外乎是外力撞擊、瞬間溫差、不當形變等等。而在建築工程中，除了運輸或安裝過程的破損外，幾乎絕大部份完工後的破壞，都是因外力撞擊所致。形成外力撞擊的原因有很多，例如異物碰撞、人為破壞、堆置或安裝不當導致邊角不當受力等。但是，除了上述因素外，對於強化玻璃而言，還有一個不能排除的因素，那便是玻璃的自爆(Spontaneous Breakage)。所謂自爆，就是玻璃本身自發性地發生破壞，其肇因就是玻璃中含有微量雜質：硫化鎳(Nickel Sulfide, NiS)所致。其實，在玻璃原料中，微量的NiS便存在其間，因此在玻璃的生產過程裡，總免不了有極少部份的製品含有NiS成份。就學理上來說，NiS可以兩種型態存在，分別為α-type(穩定態)及β-type(不穩定態)。在常溫下，NiS會以α-type的穩定態存在，但當溫度上升時，NiS便會轉化成β-type的不穩定狀態。在前面曾說，浮式玻璃生產時熔爐的高溫，的確會使NiS轉化成β-type，但因為其過程為自然降溫，故NiS便可隨玻璃降溫退火過程自動轉回α-type。所以普通玻璃中即便存在NiS也不會對玻璃產生不良影響。但是，對於經過熱處理來提升強度的強化玻璃而言，NiS便可能會造成負面影響，此係由於熱處理的高溫作用，會使得玻璃內NiS再度被活性化，更由於強化過程中，玻璃是採急速降溫，NiS便來不及轉換回穩定的α-type，便以β-type被固結在玻璃中，於是這不穩定的NiS就如同一顆不定時炸彈存在於強化玻璃內，一但環境對它發生誘導，便可能會自行爆裂，這也就是自爆發生的成因。事實上，自爆只會發生在強化玻璃中，並不會發生在熱硬化玻璃，這是因為熱硬化玻璃雖經同樣再加熱的步驟，但因其降溫較為和緩，不像強化玻璃急速降溫，NiS便可隨溫度下降而轉換回穩定的α-type，自然便不會有自爆之疑慮了。 當玻璃突然破裂，而又一時找不到原因解釋時，人們便會推論說這是玻璃自爆。其實這是不公平的說法，因為造成玻璃破損的原因很多，自爆只是其中之一，更何況會發生自爆的機率其實很低，通常只是千分之幾與萬分之幾的機率，當然這與各玻璃生產廠的原料、品管等等因素有關。對建商或營造廠而言，有時候幾個工地碰不到一片自爆，有的卻一批玻璃自爆了幾片，所以這是機率問題，不過總歸而言，碰到自爆的機率總是相對較低的。此外，對於外牆玻璃，因為直接暴露於室外環境，在日夜冷熱溫差循環的交替作用下，若玻璃含有NiS成份，也應會在使用的前期便被誘發出來，當不致於在使用數年後，才發生自爆現象。 自爆的問題可說是強化玻璃無法避免的宿命，但是我們可以透過一些手段來降低自爆對使用者的影響，而其方法便是可採用「熱浸試驗(Heat Soak Test)」來篩檢出這些含NiS的強化玻璃。從另一個角度看來，熱浸試驗也可視為是對強化玻璃中NiS成份所進行之品管篩檢方法。其步驟是將強化玻璃緩慢地加熱(約需2個小時)至近300℃，並保持在此一溫度約八小時，最後再緩慢地降至常溫(亦約需2個小時)。所以熱浸試驗的過程是相當的冗長，而其目的就是以溫度的升高來誘使NiS活潑化，並使之於爐中爆破。但是有一點要特別注意，就是熱浸試驗長時間的高溫，可能會導致強度的衰減，所以在整個的過程必須謹審而小心的控制，不可使溫度過高，以免造成所謂的「退強化」現象。 對於熱浸試驗，還有一個重要觀念，就是熱浸試驗是一種對強化玻璃是否含NiS成份的篩檢手段與方法，但是它並不能將NiS從強化玻璃中去除。此外，任何試驗都有其誤差值，熱浸試驗也是一樣，它雖可過濾出含NiS的強化玻璃，但仍無法百分百篩檢出含NiS的所有製品。所以熱浸試驗當然可將自爆風險度明顯有效的降低，但仍不能夠完全排除自爆發生之機率。 五、選用玻璃的考量因素 對建築工程而言，欲選擇正確合適的玻璃類型，就必須於事前進行多方面評估，因為建築物的使用壽命長達數十年，甚至百年以上。特別是外牆部份，一但選擇錯誤，除將造成安全、功能、與美觀上之問題外，對於建築物日後維護成本，如空調費用，亦會造成額外負擔，所以事前的完整評估確有其必要性。至於選用時的評估及考量因素，建議可從下列幾項要點著手。當然，考量因素亦當不僅限於文中所列之各項，設計者或規劃者更可依自身不同需求，以其個別的角度來探討。但無論如何，事前多花一點功夫，對於未來的使用就會有更多保障！(一)安全性： 選用玻璃首要考量應為安全性，因為不安全的玻璃，除對使用者是一種風險外，對於無辜的第三人亦是潛在的危害。而對於玻璃安全的檢討，主要的重點有： 1.結構強度：主要是對風壓載重與地震力的檢討。 (1)風壓載重 即玻璃是否可承受正負風壓作用而不會破壞。就建築設計者而言，選擇大面積的單一玻璃，的確能帶來視覺上極佳的通視效果，不過在使用的限制上，除了考量其生產加工的規格極限外，不同的設計條件(風壓強度、容許變形量、結構型態、玻璃種類等)，亦控制著我們選擇玻璃的最大尺寸。 其中，所謂結構型態是指玻璃安裝的型式，簡單地說，不外乎是：四邊框料、兩側框料(兩側有框料，另兩側以結構矽膠黏結，又稱2-Sides Capture)、無框料設計(四邊皆以結構矽膠黏結，又稱4-Sides Capture)、點支撐方式、懸吊式、或平接無背擋支撐等各類型態。此外，以結構膠黏結之系統(又稱化學固定方式)比一般框料系統(又稱機械固定方式)，更要考慮結構矽膠之材料與施工品質，以及結構膠強度是否足以承受正負風壓應力與玻璃自重。 此外，就玻璃厚度而言，厚度的增加對於結構上耐風壓強度當然有絕對幫助。話雖如此，但是厚玻璃除了增加玻璃成本外，也因重量增加，對於框料與繫件之要求也隨之增加，對於整體的經濟性便有負面的影響。所以我們才需要小心謹慎地評估，以求在安全與經濟性中取得平衡。 (2)地震力 由於一般玻璃組裝於框料中，不應與框料有直接的碰撞或接觸，而是必須置於墊塊上，所以對於地震力之檢討，重點應是框料內應有足夠的空間，使玻璃不會被因地震力作用而形變的框料撞擊，或因而自框料脫出。由於玻璃的邊緣為脆弱點，特別是強化玻璃，若其邊角受到不當外力作用，極易使整片玻璃破壞，故應小心檢討。此外，選用硬度適中之墊塊(過軟或過硬皆不宜)，以及正確的安裝墊塊，對於玻璃之安全亦有良好的保護作用。 當然對於外牆玻璃而言，其影響的外力除了風壓與地震外，尚有其它的作用力，如溫度所造成熱脹冷縮、異物撞擊衝擊力等。但這些外力，若不是屬於影響程度微小的因素，就是屬於特殊的異常狀態，故不在一般常態的評估中列入考慮，除非是該特定需求強烈時，才會單獨列出評估。例如，若須對防止外力撞擊列入評估重點，則可將不同的規格制品，分項列表來進行評估(如:玻璃厚度加厚、或採多層膠合玻璃、或面貼防爆膜等)。 2.破損時之影響 使用玻璃就不能排除破壞的可能性，所以破損所造成之影響就必須在事前評估與避免。當然使用者可以依其使用時機、地點、以及結構需求來選擇玻璃種類，而以下幾點建議更可為建築外牆工程之選用參考： (1)當熱硬化玻璃的強度足以符合需求時，就儘量減低使用強化。 (2)使用強化玻璃時，在成本費用許可下，建議加作熱浸試驗。 (3)為避免玻璃破損導致碎片飛散傷害人體，可以考慮使用膠合玻璃。而當玻璃以水平放置時(如天窗玻璃)，則應使用膠合玻璃，且應避免兩片皆使用強化玻璃，其原因是在於若兩片強化玻璃同時破損，該玻璃可能因而喪失支撐力而整塊掉下。建議以一片強化、一片熱硬化應屬較為理想。 (二)節能性： 由於玻璃具有優秀的採光性，也具有良好得視覺通透效果，所以現代帷幕牆設計莫不喜歡採用大面積的玻璃。但是，從另一角度來看，大面積採光卻會使熱能穿透玻璃，由於帷幕建築的封閉性，將使熱能無法經由自然通風散去，因而在室內持續累積使得溫度上升。換句話說，使用者就必須支出較多的空調成本，而此一成本支出不單反應在空調機具直接採購上，對於日後的維護運轉亦然，所以節能的考慮，常是業主、建築設計者對玻璃的採用產生了許多顧忌。所幸由於玻璃工業的發展，使得建築玻璃在節能性能上已有長足的進步，如反射鍍膜的成熟應用、Low-E(Low-Emission or Low-Emissivity)鍍膜的開發、複層玻璃製成技術的進度等，都使得玻璃在節能與環保的考量上，不再是為人詬病的敗筆。對於玻璃節能性，主要可以從以下兩個數據來評估： 1.U值 依ISO-DP10292，U值代表在室外風速每秒4.8m且溫度5.5℃，而室內20.5℃時，熱能由室內向外發散效率。U值愈高代表室內熱能較易向室外流失，所以對於寒帶國家而言，玻璃就應選用U值低的玻璃以減少室內暖氣的散失。但台灣則剛好相反，因為我們地處亞熱帶，且夏天市區溫度甚高，所以可選用U值較高的玻璃以利室內高溫向外散發。 2.UV反射率(或穿透率) 紫外線反射率高(或低穿透率)，當然就會有較佳的節能效果。 談到U值，順便再就複層玻璃內之氣體特性作一討論。所謂複層玻璃係指兩片玻璃中間夾著一層氣體，四邊再以密封條緊閉，具有極佳的隔音與熱阻絕性能。由於複層玻璃內部必需灌入乾燥氣體，才不致會有內部結露的問題發生，故為確保空氣乾燥，實務上可將乾燥劑置入封邊條內，以確保內部空氣乾燥，以達良好的隔絕效果。至於灌入氣體的種類，可以是注入乾空氣或是惰性氣體(一般以氬氣為主)。而兩者使用上之差異，主要是在於灌入惰性氣體可降低複層玻璃U值，防止室內暖氣向外流失，故較適於嚴寒氣候區域。而亞熱帶氣候型的台灣，因為低U值不利建築物內部向外散熱，此將會提高空調耗電量，故以灌乾燥空氣的複層玻璃較為適合。 (三)隔音性： 玻璃另一個重要評估因素就是其隔音效果。其實，完整的外牆隔音性能，必須透過整體性的考量，包含框料設計、玻璃類型、五金選用、膠條密合等。換言之，良好的隔音效果，應是為所有零配件整體組合的成果展現。不過單就玻璃產品而言，籠統地說，玻璃厚度應是一項重要關鍵。此外，膠合玻璃與複層玻璃亦遠較單片玻璃提供較好的隔音性。當然，較厚的膠合膜與中間空氣層，亦會對隔音會有正面的效果。 (四)耐久性： 在一般的觀念中，玻璃成品除非受到外力撞擊，並不會有外觀與品質上的改變。事實上也是如此，不論是普通、熱硬化、強化、抑或是弧型玻璃，一但生產製作完成，皆不會再有強度或品質上之改變。但是對於某些再加工之玻璃，便須注意其耐久性，如反射鍍膜，應瞭解其生產方式(On-Line或Off-Line生產)，並注意反射膜面是安裝於室內或室外側，以免日後發生變色不均勻之現象。又如膠合玻璃，應注意膠合膜與填縫材之相容性，才不會造成膠合膜與填縫材日久後因化學反應而發生剝離。 (五)美觀性： 至於美觀性，實是一個見人見智的問題。但對於單一片玻璃表面平整度，強化玻璃因受製程之限制，總免不了會有些微折射現象而使反射的影像產生扭曲(當然各家廠商生產設備、經驗、品管要求不同，也會有明顯差異)，所以在選擇上，就只能依個人的喜好來加以評估。至於玻璃反射之問題，強烈的反射光線會造成路人視覺不適，更影響與行車安全，故對於可見光反射率過高的玻璃應避免採用。 六、結論 玻璃工業在人們印象中已是成熟產業，並且應用在建築工程中的形態也已近乎定型。但事實上，許多新的技術仍不斷地被研究、開發，並已成為商品銷售，而其發展之趨勢，除提供玻璃原有功能外，更以增加其附加價值為目的，例如防火玻璃、高性能節能玻璃、自潔性玻璃等。此外，在日本亦發展出如透明玻璃般的陶磁製品，更已被應用作為建築物室內外之防火玻璃。近年來，玻璃在建築物外牆面積所佔的比例有逐步增加之趨勢，而大面積的玻璃帷幕外牆，也似乎讓建築物透露著科技發展與現代都會的時髦風貌。玻璃在建築工程的應用實為千變萬化，但也存在著許多問題值得我們認真地檢討。文中所闡述的內容，主要僅都是筆者以往接觸帷幕牆工程時，所面臨的實際問題，也是筆者與許多業主、建築師、工程師在進行業務與設計檢討中，較常被提出探討之項目；文中內容如有疏漏與謬誤之處，尚祈工程先進們不吝予以指正。■ 參考文獻 1.Joseph Amstock，”Handbook of Glass in Construction”，McGraw-Hill2.Stefan Behling，Sophia Behling ，”Glass: Structure and Technology in Architecture”，Prestel 3.Glass on Web，Glass Manual，http://www.glassonweb.com/glassmanual/index.php 4.Pilkington，Pilkington Technology，http://www.pilkington.com/corporate/english/ pilkington+ technology/default.htm 5.旭硝子株式會社，商品紹介，http://www.asahiglassplaza.net/kaiteki/product_info/ index.htm 6.台灣玻璃工業公司，產品介紹，http://www.taiwanglass.com/tc/products/ flatglass/index.html |
