預(yù)應(yīng)變對(duì)裝配式建筑用密封膠粘彈性的影響

朱文凱，徐楊，任彬彬

（上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海 201100）

0 引 言

裝配式建筑作為綠色建筑的代表，由于其環(huán)保、施工周期短、低成本等優(yōu)點(diǎn)，裝配式結(jié)構(gòu)得到迅速發(fā)展[1-3]。相較于傳統(tǒng)磚墻和混凝土結(jié)構(gòu)式建筑，裝配式結(jié)構(gòu)的接縫并不是穩(wěn)定不變的，而是一種具有大跨度位移的動(dòng)態(tài)連接形式[4-5]，比如當(dāng)氣候變化時(shí)引起的結(jié)構(gòu)板大位移形變，將導(dǎo)致接縫尺寸發(fā)生大的變化。因此，為了滿足這類動(dòng)態(tài)大形變結(jié)構(gòu)接縫的膠接和密封要求，建筑接縫用彈性密封膠需要更優(yōu)良的抗形變位移能力以及耐久性[6]。彈性模量是彈性建筑密封膠承受環(huán)境引起運(yùn)動(dòng)的能力的一個(gè)重要指標(biāo)，可用于衡量建筑接縫彈性密封膠的性能[7-8]。

裝配式建筑用密封膠是具有馬林斯效應(yīng)的非線性粘彈性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線依賴于其應(yīng)變歷程中的最大負(fù)載[9]。Hunston等[10]測(cè)試了彈性密封膠在各種應(yīng)變條件下的彈性模量，分析了預(yù)應(yīng)變對(duì)密封膠非線性粘彈性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加給彈性密封膠的預(yù)應(yīng)變小于最大應(yīng)變時(shí)，密封膠的表觀彈性模量與預(yù)應(yīng)變呈冪函數(shù)關(guān)系。龐達(dá)誠和蔣金博[11]分析了低模量密封膠的特點(diǎn)，歸納出低模量密封膠的應(yīng)用要求，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)出耐候膠的模量對(duì)接縫密封效果的影響以及低模量耐候膠的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。薛雪雪等[12]針對(duì)裝配式建筑接縫收縮變形、密封膠耐候性差等問題，研究并制備了低模量裝配式建筑單組分硅烷改性聚醚密封膠，考察了增塑劑、觸變劑及硅烷偶聯(lián)劑對(duì)密封膠表干時(shí)間、擠出性和力學(xué)性能的影響。

本文制備了彈性密封膠的拉伸粘結(jié)試樣，開展了應(yīng)力松弛試驗(yàn)，采用定期監(jiān)測(cè)密封膠尺寸變化的方法對(duì)表觀彈性模量進(jìn)行了修正，對(duì)比了不同預(yù)應(yīng)變條件下密封膠的非線性粘彈特性，并基于橡膠彈性理論建立密封膠表觀彈性模量的理論模型。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

硅酮密封膠：具有高位移等級(jí)，耐候、防水、密封等優(yōu)異性能，單組分，廣州白云化工實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)。

高低溫濕熱試驗(yàn)箱：SETH-Z，上海愛斯佩克。電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：CMT4204，美特斯。數(shù)顯卡尺：0～200 mm，上工。浮法玻璃。拉力傳感器：1 kN，分辨率為0.01 N。

1.2 試樣制備

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件為溫度（23±2）℃、相對(duì)濕度（50±5）%。測(cè)試中使用的基材為75 mm×12 mm×6 mm浮法玻璃，使用前用丙酮或類似溶劑擦拭基材表面并干燥。按圖1所示，將2片玻璃基材和2塊聚四氟乙烯隔離墊塊用膠帶組裝成一個(gè)樣品空腔，底部墊聚四氟乙烯薄膜，使用膠槍將密封膠擠出到樣品空腔內(nèi)，用刮刀將樣品表面刮平，制成試樣。

密封膠拉伸粘結(jié)試樣先在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)14 d；后在溫度（38±2）℃、相對(duì)濕度95%的高低溫濕熱試驗(yàn)箱中養(yǎng)護(hù)7 d；再在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d。

試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)至少5 h后，去掉樣品底下墊著密封膠的聚四氟乙烯薄膜，并拆除膠帶和聚四氟乙烯隔離墊塊，使密封膠充分固化，過程中不要破壞密封膠結(jié)構(gòu)。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的試樣如圖2所示。試樣由2塊玻璃基材和固化完全的密封膠組成，密封膠拉伸粘結(jié)試樣的長度、寬度和厚度分別為W（50 mm）、B（12 mm）和H（12 mm）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 應(yīng)力松弛程序

應(yīng)力松弛程序示意如圖3所示，程序分為預(yù)應(yīng)力循環(huán)和應(yīng)力松弛2個(gè)階段。預(yù)應(yīng)力循環(huán)階段，試驗(yàn)機(jī)以20 mm/min的速率拉伸試樣，將試樣從松弛狀態(tài)拉伸至預(yù)應(yīng)變m后，以同樣的速率返程至松弛狀態(tài)，拉伸過程和松弛過程的總時(shí)間為t0，試樣保持松弛狀態(tài)，持續(xù)時(shí)長為10t0。由于密封膠具有粘彈性，長時(shí)間的松弛可使樣品恢復(fù)。然后按上述過程重復(fù)1次。預(yù)應(yīng)力循環(huán)階段結(jié)束后，試驗(yàn)機(jī)以500 mm/min的速率將試樣迅速拉伸至松弛應(yīng)變x，保持試驗(yàn)機(jī)橫梁位移不變，隨時(shí)間的推移，密封膠的伸長保持不變，而應(yīng)力逐漸下降，此過程為應(yīng)力松弛階段，松弛階段時(shí)長為t1。

1.3.2 預(yù)應(yīng)變和松弛應(yīng)變

一般密封膠使用過程中的應(yīng)變范圍在30%以內(nèi)[13]，裝配式建筑用密封膠的抗位移形變能力比一般密封膠更大，本研究考慮的應(yīng)變范圍在試樣厚度的40%以內(nèi)。測(cè)試過程中施加的預(yù)應(yīng)變m分別為試樣厚度的20%、25%、30%、35%、40%。對(duì)應(yīng)于上述5種預(yù)應(yīng)變，應(yīng)力松弛階段施加的松弛應(yīng)變x分別為試樣厚度的10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%。試樣共分為35組，分別研究預(yù)應(yīng)變大于松弛應(yīng)變以及預(yù)應(yīng)變小于松弛應(yīng)變時(shí)密封膠的粘彈特性。

1.3.3 尺寸修正

彈性密封膠經(jīng)過一段時(shí)間的拉伸或壓縮，卸載后的實(shí)際尺寸相較于初始尺寸會(huì)發(fā)生改變[14]。經(jīng)過2個(gè)加載-卸載循環(huán)后，在應(yīng)力松弛的過程中，密封膠的實(shí)際尺寸與初始尺寸并不相同。測(cè)試密封膠表觀彈性模量時(shí)需要測(cè)試試樣的長度和寬度。按照應(yīng)力松弛程序加載后，在松弛階段的第100 s時(shí)，取下試樣放在平臺(tái)上使其自然回彈。回彈過程中定期使用數(shù)顯卡尺測(cè)量試樣的長度和寬度，直到連續(xù)3次的讀數(shù)在0.1 mm位相同，此時(shí)的讀數(shù)定為密封膠的穩(wěn)定尺寸。

2 結(jié)果與討論

2.1 當(dāng)x＜m時(shí)密封膠的粘彈特性

當(dāng)m=40%H、x=30%H時(shí)，試樣的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，在應(yīng)力松弛階段，當(dāng)應(yīng)變迅速增加到30%H時(shí)，應(yīng)力為214N，10s后應(yīng)力松弛至195N，下降8.9%。松弛100 s時(shí)應(yīng)力為186 N，與10 s時(shí)的應(yīng)力相比下降4.6%。說明密封膠的應(yīng)力松弛主要發(fā)生在前期，后期松弛較為緩慢。

當(dāng)預(yù)應(yīng)變m=30%H，x=10%H、15%H、20%H、25%H時(shí)，松弛階段的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖5所示。為了避免加載過程中瞬態(tài)效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，加載結(jié)束后第10 s時(shí)開始記錄數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出，對(duì)應(yīng)不同松弛應(yīng)變的4條曲線均為非線性曲線，而且應(yīng)力隨時(shí)間的變化而緩慢下降，曲線下降的幅度較為平滑且基本相同。應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線可以用式（1）冪函數(shù)公式建模[15]：

式中：F——松弛階段的應(yīng)力，N；

t——松弛階段的時(shí)間，s。

使用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)圖5中的曲線進(jìn)行冪函數(shù)非線性擬合，當(dāng)m=30%H時(shí)對(duì)應(yīng)不同松弛應(yīng)變x的指數(shù)n值見表1。

表1 m=30%H時(shí)不同松弛應(yīng)變x的指數(shù)n

由表1可知，當(dāng)x＜m時(shí)，對(duì)于同一個(gè)預(yù)應(yīng)變值m，不同的松弛應(yīng)變x對(duì)應(yīng)的指數(shù)n基本相同，即指數(shù)n獨(dú)立于松弛階段的應(yīng)變值，與松弛應(yīng)變x的大小無關(guān)。

綜上所述，當(dāng)x＜m時(shí)，應(yīng)力松弛階段的應(yīng)力大小隨時(shí)間變化的曲線可以用冪函數(shù)建模，冪指數(shù)n代表密封膠應(yīng)力響應(yīng)的時(shí)間依賴性，且n值與x的大小無關(guān)。這意味著可以通過簡單的曲線平行移動(dòng)，得到更長周期的應(yīng)力-時(shí)間曲線，即可以按冪函數(shù)模型推算之后的應(yīng)力松弛曲線。

2.2 當(dāng)x＜m時(shí)密封膠的表觀彈性模量

使用經(jīng)過修正后的密封膠尺寸，按式（2）計(jì)算可得密封膠的表觀彈性模量：

式中：E——松弛階段隨時(shí)間變化的表觀彈性模量，MPa；

F——松弛階段隨時(shí)間變化的應(yīng)力，N；

B——松弛階段密封膠隨時(shí)間變化的實(shí)際寬度，mm；

W——松弛階段密封膠隨時(shí)間變化的實(shí)際長度，mm；

t——松弛階段的時(shí)間，s。

在應(yīng)力松弛階段，密封膠的表觀彈性模量隨時(shí)間發(fā)生變化。當(dāng)預(yù)應(yīng)變m分別為30%H、35%H、40%H時(shí)，不同松弛應(yīng)變x在松弛時(shí)間t=100 s時(shí)的表觀彈性模量E100如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)預(yù)應(yīng)變m一定時(shí)，表觀彈性模量隨松弛應(yīng)變x的增大而變大，對(duì)于不同的預(yù)應(yīng)變m，其E100和1/（1+x）曲線的斜率近似相等。E100與1/（1+x）呈線性關(guān)系，可由式（3）表示：

式中：θ——曲線的斜率。

綜上所述，當(dāng)x＜m時(shí)，E100與1/（1+x）呈線性關(guān)系，且預(yù)應(yīng)變m不同、松弛應(yīng)變x相同時(shí)，密封膠的表觀彈性模量基本不變。也就是說密封膠經(jīng)歷的最大應(yīng)變決定其后續(xù)的抗形變位移能力。

2.3 當(dāng)x＞m時(shí)密封膠的粘彈特性

當(dāng)m=20%H、x=30%H時(shí)，密封膠的拉伸應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖7所示。應(yīng)力松弛階段的曲線與圖5中的曲線相比應(yīng)力松弛的幅度更大。預(yù)應(yīng)變m=20%H時(shí)，不同松弛應(yīng)變下的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖8所示。

按照式（2）對(duì)圖8中的曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行冪函數(shù)擬合后，指數(shù)n值如表2所示。

表2 m=20%H時(shí)不同松弛應(yīng)變x的指數(shù)n

由表2可以看出，當(dāng)x＞m時(shí)，指數(shù)n值不再與x無關(guān)，而且也并不是簡單的線性變化關(guān)系，說明這種情況下密封膠的粘彈特性更為復(fù)雜，需要進(jìn)一步建模分析。

當(dāng)預(yù)應(yīng)變m=20%H時(shí)，不同松弛應(yīng)變?cè)谒沙跁r(shí)間t=100s時(shí)的表觀彈性模量E100如圖9所示。

由圖9可以看出，當(dāng)x＞m時(shí)，E100與1/（1+x）不再呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系，當(dāng)x變大時(shí)，E100的值發(fā)生線性偏離。

綜上所示，當(dāng)x＞m時(shí)，彈性密封膠的粘彈特性相對(duì)于x＜m的情況時(shí)變得更為復(fù)雜。指數(shù)n值與x相關(guān)，但并不是簡單的線性變化關(guān)系；表觀彈性模量的變化關(guān)系更加復(fù)雜且難以預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

針對(duì)裝配式建筑用彈性密封膠的粘彈特性和抗位移形變能力，采用應(yīng)力松弛法測(cè)試不同預(yù)應(yīng)變m和不同松弛應(yīng)變x的情況下，密封膠的表觀彈性模量隨時(shí)間的變化。

（1）當(dāng)x＜m時(shí)，密封膠松弛階段的應(yīng)力-時(shí)間曲線可以用冪函數(shù)建模，且指數(shù)n與松弛應(yīng)變x的大小無關(guān)。

（2）當(dāng)x＜m時(shí)，E100與1/（1+x）呈線性關(guān)系，且預(yù)應(yīng)變m不同、松弛應(yīng)變x相同時(shí)，密封膠的表觀彈性模量基本不變。

（3）當(dāng)x＞m時(shí)，指數(shù)n值不再與松弛應(yīng)變x無關(guān)，而且E100與1/（1+x）不再呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系，密封膠的粘彈特性變得更為復(fù)雜。

（4）對(duì)于所有測(cè)試條件，試樣的粘彈特性取決于其應(yīng)變歷程中的最大應(yīng)變，且與試樣在低于最大應(yīng)變時(shí)的形變保持相對(duì)獨(dú)立的關(guān)系。