玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠脫膠的檢測(cè)方法

高崇亮 程 超 蔡 饒 曹亞軍 王 波

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

目前業(yè)內(nèi)認(rèn)定玻璃幕墻的設(shè)計(jì)使用年限為25年，其中硅酮結(jié)構(gòu)膠作為黏結(jié)材料，質(zhì)保年限僅為10～15年[1]。我國(guó)已有大批玻璃幕墻進(jìn)入老化期，尤其是由于結(jié)構(gòu)膠老化而產(chǎn)生密封不嚴(yán)、漏氣滲水等問(wèn)題日益嚴(yán)重，玻璃脫落造成人員受傷和財(cái)產(chǎn)損失的事件頻發(fā)。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)膠運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)是評(píng)判隱框型玻璃幕墻安全性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，常用的結(jié)構(gòu)膠檢測(cè)方法有：直接觀(guān)察檢查法、破壞性檢查法和無(wú)損檢測(cè)法。觀(guān)察檢查是最簡(jiǎn)單的一種玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠狀態(tài)檢測(cè)方法，具體可分為目視法和敲擊法[2]，這2種方法是最直接簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)膠狀態(tài)檢測(cè)方法，也是最原始的無(wú)損檢測(cè)方法，其最大的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷。但是這2種方法的準(zhǔn)確性及精確性都比較差，十分考驗(yàn)工作人員的細(xì)心程度和經(jīng)驗(yàn)情況，人為因素嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果，只能大致判斷缺陷位置及缺陷程度，無(wú)法察覺(jué)結(jié)構(gòu)膠內(nèi)部連接和老化情況，僅為詳細(xì)檢測(cè)提供一個(gè)初步參考。破壞性檢查法，具體而言有邵氏硬度檢測(cè)法、重新制樣法和紅外光譜分析法等[3]。硬度即描述材料抗刺穿能力或者受壓變形程度的物理量，玻璃幕墻中的硅酮結(jié)構(gòu)膠受環(huán)境因素影響，其硬度會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)GB 16776—2005《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》相關(guān)規(guī)定，硅酮結(jié)構(gòu)膠的硬度指標(biāo)為20～60[4]。對(duì)結(jié)構(gòu)膠的邵氏硬度進(jìn)行檢測(cè)，并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以定性判斷出結(jié)構(gòu)膠的老化情況。上海市建筑科學(xué)研究院的張?jiān)l(fā)與陸津龍?jiān)鲞^(guò)相關(guān)研究[5]，他們對(duì)云南昆明一使用期滿(mǎn)8年的玻璃幕墻進(jìn)行了邵氏硬度檢測(cè)，結(jié)果顯示多個(gè)取樣位置的邵氏硬度值達(dá)到58甚至60，近乎為允許值上限，表明該結(jié)構(gòu)膠效果已經(jīng)較差，應(yīng)考慮更換。重新制樣法源于美國(guó)GE公司提出的一種取樣測(cè)試法[6]，即將被測(cè)玻璃切割，取樣進(jìn)行拉拔試驗(yàn)測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度等物理量。廣州建筑科學(xué)研究院有限公司的邢宇帆[7]采用此種方法對(duì)某玻璃幕墻工程進(jìn)行了檢測(cè)，分不同樓層一共取樣9組，修整試樣后制備成后黏結(jié)“H”型試樣4組進(jìn)行拉伸測(cè)試。測(cè)試試件的最大強(qiáng)度平均值為1.29 MPa，高于規(guī)范中的要求值0.6 MPa，且最大強(qiáng)度伸長(zhǎng)率平均值為88%，彈性一般，定性分析該結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度指標(biāo)較好。紅外光譜分析法是利用物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的吸收性，進(jìn)行化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)分析的方法。上海建科檢驗(yàn)有限公司的徐勤等[8]采用紅外光譜法和熱失重分析法對(duì)某幕墻工程進(jìn)行了檢測(cè)，將脫落的玻璃外片進(jìn)行取樣，對(duì)其中的結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析，結(jié)果圖譜中742.09 cm－1處出現(xiàn)波峰，這是聚硫膠分子結(jié)構(gòu)中典型的C-S鍵吸收峰，由此判定該結(jié)構(gòu)膠采用的是聚硫膠而非硅酮膠，不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)損檢測(cè)是建筑結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的最佳方法，對(duì)于結(jié)構(gòu)膠脫膠狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法主要可分為4種：紅外線(xiàn)檢測(cè)法、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法、振動(dòng)檢測(cè)法和聲波檢測(cè)法。紅外線(xiàn)檢測(cè)主要依靠待測(cè)幕墻的溫度狀況實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)紅外線(xiàn)檢測(cè)儀器測(cè)量此種溫度差異，便可得知幕墻結(jié)構(gòu)膠狀態(tài)，紅外線(xiàn)檢測(cè)法可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大面積的非接觸式無(wú)損檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果精確直觀(guān)，但是由于設(shè)備價(jià)格高昂，目前應(yīng)用較少。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)是一種基于圖像處理的檢測(cè)方法，通過(guò)將采集的待測(cè)幕墻圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，檢測(cè)圖像灰度值與無(wú)異常的幕墻灰度圖的區(qū)別，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠缺陷檢測(cè)。江蘇大學(xué)的李雷[9]基于航拍無(wú)人機(jī)及機(jī)器視覺(jué)技術(shù)構(gòu)建了一種幕墻缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，可快速安全地進(jìn)行幕墻缺陷檢測(cè)，但是其測(cè)量精度受圖像獲取設(shè)備及圖像采集方式等條件的制約，檢測(cè)結(jié)果并不是太好。振動(dòng)檢測(cè)通過(guò)對(duì)幕墻面板進(jìn)行激振，測(cè)量其輸出振動(dòng)并進(jìn)行信號(hào)處理分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)膠狀態(tài)的檢測(cè)。中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院的劉小根等人[10]通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)測(cè)量玻璃模態(tài)頻率及振型變化，實(shí)現(xiàn)了幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷老化情況的測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)膠脫落導(dǎo)致對(duì)幕墻玻璃的黏結(jié)力下降，脫膠處模態(tài)位移振幅增大，玻璃固有頻率隨之減小，進(jìn)而通過(guò)模態(tài)振型中玻璃四邊振幅及模態(tài)頻率的變化，識(shí)別結(jié)構(gòu)膠是否出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象。江蘇大學(xué)的陳振宇等人[11]針對(duì)結(jié)構(gòu)膠脫膠長(zhǎng)度檢測(cè)問(wèn)題，提出了基于瞬態(tài)脈沖動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)的FFT功率譜進(jìn)行脫黏長(zhǎng)度檢測(cè)的方法。對(duì)4個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)采集，利用FFT功率譜進(jìn)行信號(hào)分析，并完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，同時(shí)建立相應(yīng)函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)膠脫膠情況的識(shí)別，為幕墻安全性能的評(píng)價(jià)提供了有效的判據(jù)。聲波檢測(cè)法主要利用了聲波信號(hào)的相關(guān)物理特性來(lái)完成測(cè)量。聲波檢測(cè)法多采用超聲波作為聲源，中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的徐浪等人[12]利用寬帶窄脈沖超聲換能器對(duì)結(jié)構(gòu)膠缺陷進(jìn)行了測(cè)量，基于脈沖反射的超聲檢測(cè)法，分析回波信號(hào)的頻率組成、各成分幅值和相位關(guān)系，進(jìn)而得知脫膠位置，并以6 dB法確定脫膠的邊界情況。聲波檢測(cè)法的顯著優(yōu)點(diǎn)是缺陷識(shí)別快、定位準(zhǔn)，但是測(cè)定強(qiáng)度難以明確且數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜。

目前，在幕墻結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)上的應(yīng)用與研究越發(fā)多樣，但在結(jié)構(gòu)脫膠狀態(tài)無(wú)損檢測(cè)方面，試驗(yàn)中邊界條件較簡(jiǎn)單，而實(shí)際測(cè)量中邊界條件復(fù)雜，可能與試驗(yàn)結(jié)果有一定差距。基于前期的試驗(yàn)結(jié)果，本文提出了針對(duì)全隱框型玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠脫膠檢測(cè)的2種方法，分別是基于超聲相控檢測(cè)技術(shù)和聲刷檢測(cè)技術(shù)，均可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠脫膠檢測(cè)發(fā)展提出意見(jiàn)。

1 基于超聲相控技術(shù)進(jìn)行脫膠檢測(cè)

超聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過(guò)不同材料形成的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射。利用這一原理使超聲波入射膠接結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)膠存在脫膠時(shí)，這些反射波和折射波會(huì)反映脫膠情況的信息。對(duì)這些信息進(jìn)行處理，就可以檢測(cè)到結(jié)構(gòu)膠的脫膠情況。超聲相控陣通過(guò)多個(gè)超聲探頭晶片按一定的規(guī)律分布排列，檢測(cè)分辨率更高，并可以直接對(duì)缺陷部位進(jìn)行成像，可直觀(guān)查看缺陷外觀(guān)及分布，也便于進(jìn)行缺陷尺寸測(cè)量。

1.1 基于超聲相控技術(shù)的結(jié)構(gòu)膠脫膠檢測(cè)系統(tǒng)

制作了不同脫膠面積、脫膠深度的幕墻試件，玻璃尺寸為300 mm×300 mm，規(guī)格為6 mm＋12A＋6 mm。使用多浦樂(lè)研制的Phascan Ⅱ-64超聲相控陣檢測(cè)儀搭配5 MHz相控陣探頭進(jìn)行掃描測(cè)試，超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

在玻璃幕墻試驗(yàn)板塊上進(jìn)行缺陷的設(shè)定，如圖2（a）所示。使用超聲相控陣檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行掃描測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖2（b）。通過(guò)對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行脫膠缺陷的長(zhǎng)寬測(cè)量，得到缺陷尺寸信息如表1所示。

圖2 結(jié)構(gòu)膠脫膠的超聲相控檢測(cè)

表1 結(jié)構(gòu)膠缺陷尺寸結(jié)果

從結(jié)果可以看出，使用超聲相控陣檢測(cè)儀對(duì)玻璃板塊膠接位置進(jìn)行成像，可直觀(guān)查看脫膠缺陷。使用測(cè)量工具對(duì)脫膠缺陷的長(zhǎng)寬進(jìn)行測(cè)量，并生成包含缺陷尺寸的檢測(cè)報(bào)告。不同脫膠深度的脫膠缺陷均可檢出脫膠面積，但無(wú)法檢出深度信息。

2 基于矢量聲刷技術(shù)的脫膠檢測(cè)

矢量聲刷技術(shù)最主要的是聲矢量傳感器，其可以在寬頻帶范圍內(nèi)同時(shí)測(cè)量質(zhì)點(diǎn)振速、聲壓、聲強(qiáng)和聲功率，全面描述聲場(chǎng)特性。其工作原理為：基于熱線(xiàn)原理的矢量傳聲器，利用聲場(chǎng)對(duì)熱線(xiàn)構(gòu)成的溫度場(chǎng)梯度的響應(yīng)，直接獲得聲場(chǎng)中的質(zhì)點(diǎn)振速，可在微小結(jié)構(gòu)條件下獲得聲波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分量信息，在毫米級(jí)尺度上得到精確的聲場(chǎng)完整信息。基于矢量聲刷傳感器特點(diǎn)，搭建脫膠檢測(cè)系統(tǒng)，在無(wú)損狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)膠脫膠位置和大小檢測(cè)。

2.1 基于矢量聲刷技術(shù)的結(jié)構(gòu)膠脫膠檢測(cè)系統(tǒng)

搭建的檢測(cè)系統(tǒng)包括聲矢量傳感器、激勵(lì)聲源和處理軟件。激勵(lì)聲源由一個(gè)振動(dòng)喇叭構(gòu)成，輸入一個(gè)電信號(hào)通過(guò)振動(dòng)喇叭使得玻璃幕墻產(chǎn)生特定頻率、振幅的振動(dòng)。檢測(cè)人員手持聲矢量傳感器滑過(guò)玻璃結(jié)構(gòu)膠處，利用聲矢量傳感器平穩(wěn)滑過(guò)玻璃表面（無(wú)接觸），收集特定參數(shù)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)檢測(cè)得到不同位置的不同振動(dòng)頻率。通過(guò)觀(guān)察與計(jì)算質(zhì)點(diǎn)振速，判斷結(jié)構(gòu)膠完整情況以及缺陷位置，檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行脫膠檢測(cè)原理如圖3所示。

圖3 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠狀態(tài)的檢測(cè)示意

2.2 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖4給出了激勵(lì)聲源在不同位置處進(jìn)行激勵(lì)得到的缺陷結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，激勵(lì)位置不同，在玻璃幕墻面板表面產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)效果也不一樣，缺陷在玻璃面板表面產(chǎn)生的振動(dòng)影響也不相同。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在中間位置進(jìn)行激勵(lì)，缺陷結(jié)果顯示更加明顯。

圖4 聲源不同激勵(lì)位置測(cè)試及結(jié)果

圖5給出了不同振源頻率下，缺陷的響應(yīng)結(jié)果。隨著振源頻率從300 Hz增大至1 kHz，缺陷的位置和大小可以在玻璃幕墻面板的質(zhì)速譜上更好地顯現(xiàn)。

圖5 不同缺陷檢測(cè)測(cè)試及結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠狀態(tài)檢測(cè)已有多種方法，從最簡(jiǎn)單的肉眼觀(guān)察到破壞性的邵氏硬度測(cè)量，再發(fā)展到諸多的無(wú)損檢測(cè)手段，每一種方法都各有優(yōu)勢(shì)，亦各存在不足。目前的諸多方法基本都停留在定性判斷階段，均難以用直觀(guān)方式給出結(jié)構(gòu)膠是否脫膠的確切標(biāo)準(zhǔn)。

本文提出的基于超聲相控和矢量聲刷的無(wú)損檢測(cè)方法均能夠快速完成結(jié)構(gòu)膠的缺陷檢測(cè)，方便快捷，可直接用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果以圖像的方式直觀(guān)顯示，相對(duì)其他方法，此裝置對(duì)用戶(hù)十分友好。但2種方法均存在著不足，超聲相控檢測(cè)方法的檢測(cè)設(shè)備較為昂貴，掃描速度較慢，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)消耗時(shí)間較長(zhǎng)。矢量聲刷檢測(cè)技術(shù)的精度有待提高，且現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中需要排除噪聲對(duì)檢測(cè)的影響。針對(duì)這2種試驗(yàn)方法，通過(guò)將脫膠面積代入結(jié)構(gòu)計(jì)算公式，可計(jì)算玻璃板塊安全系數(shù)，從而評(píng)價(jià)隱框型玻璃幕墻的安全性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常板塊的及時(shí)處理，具有較好的實(shí)用價(jià)值。