玻璃屏幕結(jié)構(gòu)膠失效原因及現(xiàn)場檢測

玻璃屏幕結(jié)構(gòu)膠失效原因及現(xiàn)場檢測

一、玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠失效原因

玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠失效主要表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)膠脫膠、斷膠、開裂、粉化、硬化等。結(jié)構(gòu)膠失效可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)性能退化，達(dá)不到其設(shè)計(jì)功能要求。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠失效的因素很多，既有結(jié)構(gòu)膠自身因素，也有結(jié)構(gòu)膠服役的外部環(huán)境因素。本文通過對多年既有玻璃幕墻現(xiàn)場檢測結(jié)果的分析，總結(jié)了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的各種失效模式，特別對一些引起玻璃幕墻失效因素但目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并沒涉及到的新問題進(jìn)行了剖析。

1.施工、設(shè)計(jì)及選材不當(dāng)造成結(jié)構(gòu)膠失效

早期的玻璃幕墻（特別是20 世紀(jì)80年代中后期至90 年代中期建設(shè)的玻璃幕墻）由于沒有具體的施工標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致質(zhì)量參差不齊，問題特別突出，主要表現(xiàn)為：選用劣質(zhì)的結(jié)構(gòu)膠；結(jié)構(gòu)膠選材不當(dāng)；結(jié)構(gòu)膠未進(jìn)行進(jìn)場試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)膠未按施工要求進(jìn)行施工；結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)時力學(xué)計(jì)算不合理等。這些因素嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)膠的服役質(zhì)量及壽命，導(dǎo)致玻璃幕墻在未達(dá)到服役年限、甚至新建不久就出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題。圖1 顯示了一玻璃幕墻工程因使用了不合格的結(jié)構(gòu)膠，在服役若干年后出現(xiàn)嚴(yán)重老化脫膠問題，其中脫膠處裂縫能夠?qū)?.2 mm 的卡片插進(jìn)去。

2.結(jié)構(gòu)膠老化失效

在結(jié)構(gòu)膠失效因素中，結(jié)構(gòu)膠老化是最主要的因素。結(jié)構(gòu)膠在使用過程中，受到環(huán)境中的光、熱、氧（臭氧）以及各種介質(zhì)和微生物等多種因素的影響與作用，其粘結(jié)性能會逐漸下降，甚至被破壞，在潮濕、腐蝕介質(zhì)及陽光直射等環(huán)境中更是如此，特別是當(dāng)濕度≥95%，溫度高于50～60 °C 時，水分會成為影響粘接界面強(qiáng)度的元兇。因?yàn)?，水能滲入粘接層內(nèi)部，而且侵蝕粘接界面比侵入結(jié)構(gòu)膠本體快，其過程是水從粘接界面邊緣滲入并逐漸向膠體中心區(qū)域擴(kuò)展，隨著時間的推移，滲入粘接界面內(nèi)的水量會越來越多，從而降低結(jié)構(gòu)膠與被粘接物表面的吸附力，造成結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)性能下降和使用壽命縮短；滲入膠體的水還會使結(jié)構(gòu)膠本身產(chǎn)生溶脹，降低膠體的物理性能。目前，評價結(jié)構(gòu)膠的耐老化性能主要采用人工加速老化實(shí)驗(yàn)。比如，ETAG 002《結(jié)構(gòu)密封膠玻璃裝配系統(tǒng)技術(shù)審核指南》要求：密封膠在浸水-紫外線輻射、鹽霧、酸霧、清潔劑浸泡4項(xiàng)加速老化后，結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度不得低于其初始強(qiáng)度的75%，與基材的粘結(jié)破壞面積不大于10%。將結(jié)構(gòu)膠放入高溫高濕環(huán)境（濕度≥95%，溫度在25～55 °C 之間有規(guī)律的循環(huán)變化）進(jìn)行人工加速老化，并對不同老化時間的結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行加載獲得變形與載荷曲線圖，見圖2。結(jié)構(gòu)膠加載破壞后的斷面圖，見圖3。

如圖2 所示，隨著老化時間的延長，除了結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度降低外，加載曲線斜率也明顯增大了，說明結(jié)構(gòu)膠老化后彈性模量變大了。此外，老化前，結(jié)構(gòu)膠被拉斷位置處在結(jié)構(gòu)膠本身，屬結(jié)構(gòu)膠內(nèi)聚破壞；而老化后的結(jié)構(gòu)膠在粘接界面處被破壞，主要表現(xiàn)為界面拉斷（圖3）。以上結(jié)果表明，雖然老化后結(jié)構(gòu)膠本身的強(qiáng)度和界面粘結(jié)強(qiáng)度均下降，但是界面粘結(jié)強(qiáng)度下降更多，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)膠本身的強(qiáng)度。因此，老化后結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)強(qiáng)度決定了整個粘接件的強(qiáng)度。

3.結(jié)構(gòu)膠動載疲勞失效

早期玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)時，往往只考慮結(jié)構(gòu)膠物理老化后殘余強(qiáng)度或靜力作用下的強(qiáng)度，并沒有關(guān)注動力反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)膠的疲勞強(qiáng)度。然而，玻璃幕墻在服役過程中，要經(jīng)常受到陣風(fēng)壓力的反復(fù)作用，陣風(fēng)壓力垂直作用于玻璃面板上，使得結(jié)構(gòu)膠反復(fù)受到拉、壓力作用，這種長期作用可造成結(jié)構(gòu)膠壽命大幅縮短，其粘結(jié)性能也逐漸下降，以致幕墻玻璃墜落。另一種情況是，玻璃幕墻開啟扇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)膠將玻璃粘接在開啟扇附框上，玻璃下面沒有任何額外托附或支撐件。由于開啟扇在使用過程中，會受到開啟與關(guān)閉所帶來的振動作用，如此反復(fù)，結(jié)構(gòu)膠在一段時間后就失去了粘結(jié)能力，導(dǎo)致玻璃整體墜落。這種情況下，結(jié)構(gòu)膠的彈性、硬度、拉伸強(qiáng)度等性能可能并沒有太大下降，即結(jié)構(gòu)膠本身并沒有因老化而出現(xiàn)大的性能衰退，幕墻玻璃墜落主要是由結(jié)構(gòu)膠在動載疲勞作用下粘接界面失效而引起的。

目前，相關(guān)玻璃幕墻規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并沒有考慮動載作用下結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)強(qiáng)度，對結(jié)構(gòu)膠動載疲勞失效也缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，也沒有建立循環(huán)動載作用下結(jié)構(gòu)膠的疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。因此，對于長期受到動載荷或振動作用力的玻璃幕墻，最好對結(jié)構(gòu)膠粘附的玻璃采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧詼p小結(jié)構(gòu)膠的直接受力。

4.持久應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)膠蠕變失效

結(jié)構(gòu)膠屬于一種典型的力學(xué)非線性聚合物材料，目前工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多沒有考慮結(jié)構(gòu)膠的流變特性。結(jié)構(gòu)膠長期受玻璃自重作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠延遲失效，幕墻玻璃墜落事故時有發(fā)生。比如，有的隱框幕墻玻璃或中空玻璃外片在新建不久后就出現(xiàn)整體墜落事故，而且在墜落前玻璃與支承件之間出現(xiàn)明顯的錯位，結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)明顯的蠕變（圖4）。

結(jié)構(gòu)膠在服役環(huán)境下，應(yīng)力松弛（物理老化）也會使得其力學(xué)性能發(fā)生改變，但目前玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)中并沒有考慮結(jié)構(gòu)膠性能的時間相關(guān)性問題。目前，結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)企業(yè)一般對結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量保證期承諾為10 年，但對于為什么給定這一時間期限并沒有太多的理論支持。因此，需全面掌握持久應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能變化，研究結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能隨時間的演變規(guī)律，以此來評價結(jié)構(gòu)膠的長期服役安全性能，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測，從而延遲幕墻結(jié)構(gòu)膠失效。

二、 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠失效現(xiàn)場檢測

目前，國內(nèi)關(guān)于結(jié)構(gòu)密封膠質(zhì)量控制與檢測的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)有：JC/T 882—2001《玻璃幕墻接縫用密封膠》，JC/T883—2001《石材用建筑密封膠》，JC/T486—2001《中空玻璃用彈性密封膠》，GB/T14683—2001《建筑用硅酮密封膠》，GB/T 13477—2001《建筑用密封膠試驗(yàn)方法》，GB16776—2003《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》等。這些規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)一方面規(guī)范了結(jié)構(gòu)密封膠的生產(chǎn)與使用，另一方面也體現(xiàn)了國家及行業(yè)對建筑用結(jié)構(gòu)膠質(zhì)量問題的高度重視。

我國的玻璃幕墻行業(yè)起步較晚，相應(yīng)的幕墻檢測評估技術(shù)也起步較晚，而且發(fā)展也不完善。我國對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠現(xiàn)場檢測的研究，只限于一些常規(guī)的力學(xué)性能及老化實(shí)驗(yàn)檢測。比如，目前上海、四川和江蘇等幾個省市編制的玻璃幕墻安全評估地方規(guī)程對幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的熱老化、紫外線老化下的膠體邵氏硬度變化及力學(xué)性能變化進(jìn)行了規(guī)定。在既有幕墻結(jié)構(gòu)膠現(xiàn)場檢測方面，目前采用最多的是現(xiàn)場切割部分樣品送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測，或者直接定性地觀測結(jié)構(gòu)膠的外表現(xiàn)象，以及用邵氏硬度計(jì)測量膠體的硬化程度。近幾年也出現(xiàn)了一些新的現(xiàn)場檢測方法，比如洗盤法模擬集中載荷作用下的現(xiàn)場檢測法，氣囊法模擬均布載荷作用下的現(xiàn)場檢測方法、現(xiàn)場拉伸測試方法等。此外，在無損檢測方面，陳振宇等提出了一種基于FFT 功率譜的全隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠脫膠長度檢測方法；劉小根等提出了一種基于振動測試技術(shù)的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷檢測方法；林圣忠等人提出了一種基于應(yīng)變的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷檢測研究。這些研究方法都是通過測量幕墻玻璃的動態(tài)參數(shù)變化來識別結(jié)構(gòu)膠的脫膠與斷膠，是一種無損的間接檢測。目前，也有人研究用超聲方法鑒別結(jié)構(gòu)膠的損傷及界面粘結(jié)強(qiáng)度等。

國外發(fā)達(dá)國家在幕墻生產(chǎn)建設(shè)過程中，非常重視幕墻用結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量控制，且幕墻玻璃一般采用夾層玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼化玻璃，因此玻璃幕墻出現(xiàn)質(zhì)量事故的幾率相對較小。在針對結(jié)構(gòu)膠開展的研究工作方面，主要以研究結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)膠的老化性能及耐候性能為主，并建立起了相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)。對于既有玻璃幕墻硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的檢測，美國材料試驗(yàn)協(xié)會在ASTM C1392—00（2005）《結(jié)構(gòu)密封膠裝配失效評估標(biāo)準(zhǔn)指南》中提出了一種針對安裝在裝配玻璃系統(tǒng)上的結(jié)構(gòu)密封膠的評估及其結(jié)構(gòu)密封膠失效范圍的方法。該方法通過測量在局部加載的條件下所獲得的玻璃撓度，來確定結(jié)構(gòu)密封膠失效的部位，但是由于需要針對不同玻璃尺寸預(yù)先建立起標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場操作比較麻煩。Efstathiades 等人首次把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這個概念引入到對玻璃幕墻的健康檢測中，通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析獲得網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本和測試樣本，接著把學(xué)習(xí)樣本送入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立輸入?yún)?shù)與結(jié)構(gòu)損壞之間的映射關(guān)系，最后采用測試樣本送入網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行測試和推廣。該方法為突破玻璃幕墻的檢測與評估開辟了新的道路，但是其研究尚處于理論研究最初階段，更深層次的研究及工程實(shí)際應(yīng)用工作有待進(jìn)一步開展。

三、 結(jié)語

現(xiàn)今，玻璃幕墻壽命及安全性已成為公眾關(guān)注的問題，特別是在大部分城市的許多玻璃幕墻已進(jìn)入“高齡”的情況下，對玻璃幕墻進(jìn)行安全體檢已勢在必行。作為最容易出現(xiàn)問題的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠，影響其服役壽命的因素非常復(fù)雜。目前，無論是針對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠服役年限的耐久性評估，還是現(xiàn)場檢測技術(shù)的研究，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其工程應(yīng)用。結(jié)構(gòu)膠服役狀態(tài)的現(xiàn)場檢測一直是一個比較棘手的問題，因?yàn)楝F(xiàn)在還沒有建立起結(jié)構(gòu)膠的彈性性能（硬度）與其界面粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系，而直接現(xiàn)場測量其界面粘結(jié)強(qiáng)度又非常困難，然而結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)性能退化直接威脅著玻璃幕墻的安全使用。因此，開發(fā)結(jié)構(gòu)膠的現(xiàn)場檢測與評估技術(shù)任重而道遠(yuǎn)。

（來源：玻璃工業(yè)網(wǎng)）