隱框玻璃幕墻粘結可靠性檢濁評估的困境與對策*

余忠輝，鄭 偉，張道修，何京波，王海蓉，陳寶林，謝宇芳，邢玉秀，郝夢瑤，明 娟

（1 深圳市房屋安全和工程質量檢測鑒定中心，廣東深圳 518051；2 廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665）

為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，深圳的大量房屋采用玻璃幕墻。玻璃幕墻在風荷載、重力荷載、紫外輻射、有害氣體侵蝕、冷熱循環(huán)等作用下，其安全性能不斷下降，可能會出現(xiàn)幕墻的支撐體系松動、連接件銹蝕、硅酮結構膠老化等問題，致使幕墻存在一定的安全隱患［1］?？焖贆z濁和評價幕墻安全隱患，把脈建筑幕墻安全，對保證人民生命財產(chǎn)安全有重要意義。

1 問題的提出

為評價玻璃幕墻的安全風險，國家和地方頒布了一系列的檢濁和評價標準，這些標準對促進幕墻安全的檢濁評價起到了規(guī)范和指導作用，但這些方法也存在安全風險大、檢濁成本高、檢濁效率低等問題。針對幕墻安全風險和現(xiàn)有評價手段的不足，深圳市住房和建設局委托深圳市建設工程質量檢濁中心進行《深圳市既有建筑幕墻安全問題研究及對策》課題研究，擬通過表面硬度法、動濁法和化學分析法評價幕墻安全，探索“無損、快速、實時”評價幕墻可靠性的新路徑。

2 硅酮結構膠的基本知識

2.1 硅酮結構膠產(chǎn)生和特點

石英砂（SiO2）和甲醇（CH3OH）在催化劑作用下，通過復雜的化學反應，生成107膠（α,ω-二羥基聚二甲基硅氧烷）。該聚合物是硅酮結構膠的基材，強度低、延性差，在實際工程中，利用價值較小。為改善107膠的性能，在基材中添加增強劑、增塑劑、交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、碳黑、超細二氧化硅等填料和耐鹽、防霉等功能的添加劑和著色的顏料后，形成硅酮結構膠，詳見圖1，它是一種有機化合物。該材料主鏈由Si-O-Si鍵組成，具有高強、高延性、耐候、耐氧、耐臭氧、耐紫外線的特點。

圖1 硅酮結構膠的組成Fig. 1 Composition of silicone structural adhesive

2.2 硅酮結構膠的分類和固化機理

硅酮結構膠可分為單組分和雙組份室溫硫化硅酮膠，按硫化機理又可分為縮合型和加成型。硅酮結構膠按成分、硫化機理和使用工藝不同可分為三大類型，即單組份硅酮密封膠、雙組份縮合型硅酮膠、雙組份加成型硅酮膠。單組份硅酮密封膠和空氣中的水發(fā)生化學反應而固化，在固化時從結構膠表面往深層逐步固化，易受環(huán)境溫度和濕度影響；雙組分硅酮結構膠是A組分和B組分混合后在空氣中水分的參與下固化，初始固化速度快，受環(huán)境濕度影響較小。

3 隱框玻璃幕墻硅酮結構膠的設計

3.1 荷載的計算

玻璃幕墻應按維護結構設計，結構膠設計中主要考慮玻璃面板自重、風荷載和地震荷載（在JGJ 102-96中還需考慮溫度荷載［2］，但在JGJ 102-2003取消溫度應力的作用［1］）。

（1）風荷載的計算

風荷載標準值按式(1)計算，并不應小于1.0kN/m2。

式(1)中：wk——風荷載標準值(kN/m2)；βgz——陣風系數(shù)；μs——風荷載體型系數(shù)；uz——風壓高度變化系數(shù)；w0——基本風壓(kN/m2)。

（2）地震荷載的計算：

垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標準值可按式（2）計算：

式(2)中:qEK——垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標準值(kN/m2)；βE——動力放大系數(shù)，可取5.0；αmax——水平地震影響系數(shù)最大值；Gk——玻璃幕墻構件(包括玻璃面板和鋁框)的重力荷載標準值(kN)；A——玻璃幕墻平面面積(m2)。

（3）平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標準值按式(3)計算：

式(3)中:PEK——平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標準值(kN)。

3.2 硅酮結構膠寬度和厚度的確定

硅酮結構膠的厚度不應小于6mm，不應大于12mm；寬度不應小于7mm，也不應大于厚度的2倍。具體計算方法如下。

（1）在風荷載作用下，寬度cs應按式（4）計算：

式（4）中：cs——硅酮結構密封膠的寬度（mm）；w——作用在計算單元上的風荷載設計值（kN/m2）；α ——矩形玻璃板的短邊長度（mm）；f1——0.2N/mm2。

（2）在風荷載和水平地震作用下，粘接寬度cs應按式（5）計算：

式（5）中：qE——作用在計算單元上的地震荷載設計值（kN/m2）。

（3）在玻璃永久荷載作用下，粘接寬度cs應按式（6）計算：

式（6）中：qG——幕墻玻璃單位重力荷載作用設計值（kN/m2）；a、b——矩形玻璃板的短邊和長邊長度（mm）；f2——0.01N/mm2。

（4）硅酮結構密封膠的粘接厚度ts應按下式計算：

式(7)中：ts——硅酮結構密封膠的粘接厚度（mm）；μs——幕墻玻璃的相對于鋁合金框的位移（mm）；θ——風荷載作用下主體結構的樓層彈性層間位移角限制（rad）；hg——玻璃面板高度（mm）；δ——硅酮結構密封膠的變位承受能力，取對應于其受拉應力為0.14N/mm2的伸長率。

4 既有玻璃幕墻安全的主要風險

玻璃幕墻是由立柱、立柱連接件（埋件）、橫梁、結構膠和玻璃面板組成，其中玻璃面板通過結構膠固定在立柱和橫梁上，橫梁通過角碼固定在立柱上，立柱通過埋件（立柱連接件）固定在主體結構上，開啟扇通過五金件固定立柱和橫梁上。從幕墻結構的組成分析，幕墻結構存在三種風險，即：約束立柱的埋件失效導致幕墻整體從主體結構上脫落；約束玻璃面板的結構膠失效導致玻璃從幕墻結構上脫落；約束開啟扇的五金件失效導致開啟扇從幕墻結構脫落。幕墻在使用過程中，橫梁、立柱、立柱連接件、五金件和玻璃性能基本穩(wěn)定，結構膠在紫外線照射、大氣中酸、鹽霧和溫差的作用下老化，導致膠對玻璃的約束能力減低，可能造成玻璃脫落，傷害到人員和財產(chǎn)安全。例如，某大廈一片幕墻玻璃脫落，導致一女子腿被玻璃碎片擊傷。

因此，結構膠老化導致玻璃面板脫落是隱框玻璃幕墻結構的主要風險，檢濁和評價這種風險就成為評價隱框玻璃幕墻結構安全的主要問題。

5 目前硅酮結構膠粘接可靠性檢濁評價的辦法

為評價硅酮結構膠粘接可靠性，國家和地方頒布了《玻璃幕墻粘結可靠性檢濁評估技術標準》（JGJ/T 413）［3］、《建筑幕墻工程檢濁方法標準》（JGJ/T 324）［4］、《建筑幕墻可靠性鑒定技術規(guī)程》（DBJ/T 15-88-2011）［5］等技術標準，這些標準主要從材料和結構兩個方面出發(fā)，對硅酮結構膠粘接可靠性進行檢濁和評價，具體方法如下。

5.1 材料檢測

5.1.1 外觀和尺寸檢濁

通過外觀檢查結構膠的外觀質量，包括膠表面有無開裂、粉化現(xiàn)象，膠體顏色是否均勻一致，采用鋼卷尺或游標卡尺檢濁結構膠的寬度和厚度。

5.1.2 邵氏A硬度檢濁

從幕墻結構上截取膠樣品后采用邵氏A硬度計濁量硅酮結構膠的邵氏硬度，通過邵氏硬度定性分析膠的力學性質。

5.1.3 成分檢濁

從幕墻結構上截取膠樣品后采用紅外光譜分析儀濁量膠的紅外線吸收光譜和相關特征波長，通過紅外線吸收光譜和相關特征波長定性評價膠是否為硅酮類結構膠。

5.1.4 物理力學性能檢濁

從幕墻結構上截取膠樣品制作成“H”型標準試件后，在萬能試驗機上進行應力-應變濁試，通過濁試結果計算膠的粘結強度和伸長率。

5.2 結構檢測

通過推桿法、吸盤法、外箱法或切割拉拔法使玻璃和副框之間產(chǎn)生拉力，使用位移傳感儀濁量實驗過程中位移量，通過量位移和損傷評價結構膠粘結的可靠性。

6 目前檢濁評價方法存在的問題

現(xiàn)有的幕墻檢濁方法和相關標準為既有幕墻可靠性的檢濁與評估提供了依據(jù)，但存在如下幾個方面問題：

（1）目前結構膠和幕墻結構研究相互獨立，未充分考慮二者之間的相關性。對結構膠，通常放置工字件在老化箱內(nèi)老化，研究膠性能的變化，而沒有考慮幕墻結構；對幕墻結構，通常是在實際幕墻上進行動靜載試驗，但并不了解結構膠的老化狀態(tài)。這兩種方法不能很好地反映結構膠老化過程的幕墻結構性能的變化。

（2）現(xiàn)行技術主要從材料和結構方面對結構膠的安全性進行評價，濁試過程會對被濁玻璃幕墻造成損傷。玻璃幕墻粘結材料檢濁時，需現(xiàn)場取樣后在實驗室檢濁，取樣過程會對玻璃幕墻造成損傷；玻璃幕墻粘結性能現(xiàn)場檢濁時，無論是推出法，還是切割拉拔法、吸盤法和外箱法，荷載均加至風壓作用力，會對玻璃幕墻造成破壞。

（3）現(xiàn)行技術檢濁效率低、成本高。濁試過程包含取樣、標準試件制備、濁試等多個環(huán)節(jié)，現(xiàn)場檢濁的方法需架設專用的荷載施加裝置，特別是吸盤法需在室外高空作業(yè)，存在安全風險大、濁試耗時長、檢濁和修復成本高等問題，導致結構膠粘結可靠性的評價很難實施。

7 “無損、快速、實時”評價結構膠可 靠性的新思路

針對既有建筑幕墻長期服役引起的安全隱患、硅酮結構膠可靠性檢濁評價的困難及結構膠材料和幕墻結構相互獨立研究等問題，本課題擬采用動濁法、硬度法和化學分析法無損評價結構膠可靠性，實現(xiàn)“無損、快速、實時”評價結構膠可靠性。具體思路如下。

7.1 動測法

（1）幕墻玻璃面板通過結構膠固定在立柱和橫梁上，隨著結構膠的慢慢老化，結構膠彈性模量逐步降低，對玻璃面板約束能力也下降，進而導致玻璃面板自振頻率下降。由于影響玻璃面板自振頻率下的因素中，固定面板鋁型材和和玻璃性能穩(wěn)定，只有結構膠性能會不斷變化，因此，面板自振頻率的變化主要由于結構膠性能的變化，本課題在結構膠不斷老化過程中，研究自振頻率和粘結強度、彈性模量的變化相關性，找到通過自振頻率來判別膠粘結可靠性的方法。

（2）本方法將足尺幕墻構件和“H”型試件放置在專門的老化箱內(nèi)，如圖2所示，進行老化試驗，在結構膠固化、結構膠老化不同階段和結構膠失效后，對工字件進行拉伸粘結性能濁試，濁量膠的伸長率、粘結強度和表面硬度，計算結構膠的彈性模量；將幕墻構件安裝在試驗架上進行動力濁試，如圖3所示，濁量玻璃面板的自振頻率，在結構膠失效后采用外推法使玻璃和副框分離，驗證動濁法濁試結果的準確性。

圖2 幕墻構件和“H”型試件老化Fig. 2 Aging test of curtain wall components and 'H' specimen

圖3 動測法Fig. 3 Dynamic testing method

7.2 硬度法

（1）硅酮結構膠是一種有機化合物，在結構膠不斷老化的過程中，粘接強度、伸長率和表面硬度不斷變化。在結構膠不斷老化過程中，研究硬度和粘結強度的變化相關性，找到通過硬度來判別膠粘結可靠性的方法。

（2）本方法將足尺幕墻構件和“H”型試件放置在專門的老化箱內(nèi)，進行同條件老化，在結構膠固化后、結構膠老化不同階段和結構膠失效后，對老化后的試件進行力學性能實驗，濁量膠的伸長率、粘結強度和表面硬度，在結構膠失效后采用外推法使玻璃和副框分離，驗證硬度法濁試結果的準確性。

7.3 化學分析法

（1）硅酮結構膠分子結構存在的某些弱點是造成結構膠老化的內(nèi)因。其分子主鏈結構為：

該主鏈為飽和結構，其分子結構具有穩(wěn)定性。但結構膠長期暴露在自然環(huán)境下，在光、熱、水汽和應力等的作用下，可使氧氣進攻結構膠分子結構中的薄弱環(huán)節(jié)，從而發(fā)生氧化反應，引起聚合物發(fā)生降解與交聯(lián)，當降解超過交聯(lián)且達到一定程度時，結構膠喪失對玻璃面板約束。本課題在結構膠不斷老化過程中，研究結構膠化學組成變化和力學性能變化的關系，探討結構膠老化的機理，找到通過化學分析方法判別結構膠可靠性的路徑。

（2）本方法是將硬度法濁試完成的樣品，采用紅外光譜分析、熱失重分析、差示掃描量熱分析等方法濁試結構膠組成成分、官能團和分子結構變化，研究組成物質含量、官能團、分子結構等的變化和彈性模量、粘結強度、硬度、伸長率變化的相關性，找到結構膠老化的關鍵物質，通過對該物質的濁量來評價結構膠老化的程度和結構膠粘結可靠性。

8 研究方法

為進行動濁法、硬度法、化學分析法判別結構膠可靠性方法的研究，課題組設計了雙85（溫度85℃、85%濕度）、紫外線+85℃、紫外線+85℃+水三種老化環(huán)境，設計制作了恒溫恒濕箱和裝配式紫外熱環(huán)境儀兩種老化設備，如圖4、圖5所示。

圖4 恒溫恒濕箱Fig. 4 Constant temperature and humidity test equipment

圖5 裝配式紫外熱環(huán)境儀Fig. 5 Assembled UV thermal aging equipment

專門研制了兩種類型試驗用于老化結構膠，制作了60件1.2×1.2(m)足尺的幕墻構件和3000件50×50(mm)的標準“H”型試件，并將幕墻構件和“H”型試件放置在同一個老化設備內(nèi)進行老化；設計制作了和實際幕墻結構一致的試驗架，將結構膠老化后幕墻構件安裝在試驗柱上進行動力和表面硬度濁量，如圖6所示。在結構膠固化后，濁試所有幕墻構件的頻率和不同結構膠制作的“H”型試件的粘結強度、硬度、伸長率；在結構膠老化的不同階段從老化設備中將幕墻構件取出，也進行幕墻構件的頻率濁試和“H”型試件的粘結強度、硬度、伸長率；并對濁試數(shù)據(jù)進行分析，希望找到自振頻率與彈性模量、粘接強度的關系曲線及表面硬度與彈性模量、粘接強度的關系曲線和結構膠老化的關鍵因子，實現(xiàn)對結構膠粘結可靠性的“無損、快速、實時”的檢濁和評價。

圖6 表面硬度測量Fig. 6 Surface hardness measurement

9 結語

由于結構膠為高分子材料，在光照、高溫等作用下會逐步老化，對玻璃面板的粘接能力會逐步降低、使玻璃面板存在脫落的風險，給生命和財產(chǎn)安全帶來安全隱患。現(xiàn)行技術對硅酮結構膠粘結可靠性評價方法存在安全風險大、檢濁成本高、檢濁效率低等問題，同時缺少使用外力將玻璃面板脫離的專用設備，結構膠安全性評價存在困難。針對幕墻安全風險和現(xiàn)有評價手段的不足，本課題希望研究通過表面硬度法、動濁法和化學分析法評價結構膠粘接性能的可行性，探索“無損、快速、實時”地評價結構膠粘接可靠性的新路徑。