我國既有建筑玻璃幕墻結構粘接可靠性分析

馬啟元（北京粘接學會，北京 100084）

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應用技術

我國既有建筑玻璃幕墻結構粘接可靠性分析

馬啟元
（北京粘接學會，北京 100084）

摘要：建筑設計冗余、硅酮結構密封膠高標準要求及應用質量控制為我國幕墻粘接結構經(jīng)受強地震、強臺風考驗提供了堅實基礎。粘接失效是影響幕墻安全的不確定因素，應通過現(xiàn)場原位加載檢測統(tǒng)計粘接體系承載力的試驗研究，建立檢出脫膠異常和失效程度判定的試驗方法，為建筑幕墻可靠性鑒定提供試驗依據(jù)。

關鍵詞：玻璃幕墻；結構粘接；可靠性

20多年來我國建筑幕墻迅速發(fā)展，竣工面積已超過世界總量（近 10億平米）的一半，在這一進程中業(yè)界始終關注玻璃結構的粘接可靠性，早期擔心膠粘玻璃墜落傷人，稱為“城市空中定時炸彈”，近年憂慮結構膠已超過 10年質量保證期的幕墻安全性。對安全可靠性的關注強化了幕墻結構粘接材料市場管理，促進相關規(guī)范標準的發(fā)展和應用技術的提高，推進建筑結構粘接可靠性深入研究。本文擬對我國幕墻玻璃結構粘接狀況、結構膠粘接材料特性及粘接結構的可靠性檢驗進行初步分析，供業(yè)界同仁參考。

1 硅酮結構密封膠質量保證基本狀況

我國建筑玻璃幕墻工程始于 20 世紀 80年代，設計施工技術及結構粘接材料均由國外引進，國家七五科技攻關項目“建筑用室溫硫化硅酮密封膠研究” 90年代初通過化工部技術鑒定［1］， 1996年合資企業(yè)的硅酮結構膠在個別工程應用。國家關注建筑幕墻用硅酮結構膠， 1996年國務院領導批復國家經(jīng)貿委等六部委發(fā)布專項通知，清理整頓玻璃幕墻用膠市場，對該材料的生產(chǎn)、使用、銷售和進口實施行政許可審批制度［2］，同期相繼發(fā)布實施 JGJ102—1996《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》、GB16776—1997《建筑用硅酮結構密封膠》國家標準，為玻璃幕墻工程質量監(jiān)管提供技術依據(jù)。至2003年 僅國家批準硅酮結構膠生產(chǎn)企業(yè) 5家和3個外企進口產(chǎn)品，認定條款要求企業(yè)建立完善的質量保證體系，承擔幕墻粘接結構設計和計算審核責任，承擔指導粘接施工技術的責任，企業(yè)對接受技術指導的工程承擔為期10年的質量擔保，這些做法對保證結構膠產(chǎn)品和粘接應用質量具有重要作用。 2002年國務院取消了建筑用硅酮結構密封膠的行政審批后生產(chǎn)企業(yè)迅速增多，但這種做法在業(yè)內已成為常態(tài)。目前我國近百家企業(yè)建筑密封膠產(chǎn)能超過百萬噸，其中硅酮型密封膠用量約 70萬噸，成為生產(chǎn)和應用量最大的國家［3］，其中不少規(guī)模在 5萬噸以上的科技型企業(yè)實現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)，接受國家認監(jiān)委批準的認證機構擔保產(chǎn)品質量一致性，個別產(chǎn)品已通過歐洲 CE認證，成為幕墻工程建設的主要供應商，為工程粘接結構質量提供有效的保障。

2 地震臺風災害考驗玻璃幕墻粘接結構可靠性

我國既有建筑玻璃幕墻經(jīng)受了強地震和強臺風災害的多次襲擊，粘接結構經(jīng)受了考驗。 2008年汶川地震調查表明玻璃幕墻抗震位移耐受性能遠大于固定窗， 2010年玉樹地震災害中建筑磚墻、固定窗、面磚發(fā)生明顯震害而同一建筑的幕墻卻完好無損。地震中的表現(xiàn)充分反映了這一規(guī)律：只要主體結構不倒塌，按照規(guī)范設計施工的幕墻在地震中將保持完好［4，5］。玻璃幕墻粘接結構還經(jīng)受了超強臺風災害考驗，狂風襲擊下玻璃面板全部破裂但邊部仍粘接在框架上［6］。這種情況在幕墻鋼化玻璃自爆碎裂病害中也常見到。 20多年來未見規(guī)范設計施工的幕墻由于結構粘接引起玻璃墜落的報道。結構膠的良好表現(xiàn)基礎是硅橡膠聚合物獨特化學結構、優(yōu)異性能和建筑玻璃幕墻規(guī)范規(guī)定的設計冗余。

3 硅酮密封膠特性和設計冗余是結構粘接可靠性基礎

3.1硅酮密封膠的耐老化特性

硅酮密封膠的基礎聚合物主鏈由氧硅鍵（Si- O） 構 成 ， Si- O 鍵 能 （443.5 kJ/mol） 高于C- C 鍵（355kJ/mol），分子構型螺旋形和較小分子間力以及螺旋外的甲基可自由旋轉，使硅橡膠表面具有獨特的憎水性、表面防粘性、良好回彈性和優(yōu)于其他橡膠的耐熱性、耐寒性、耐候性和化學穩(wěn)定性，如表 1所示。

表1　硅橡膠與有機橡膠性能比較［7］Tab.1　Performance comparison of silicone rubber and organic rubbers

道康寧公司在熱帶氣候標準實驗站將硅橡膠試片南向仰角 45°拉伸狀態(tài)曝曬，最初年份測試表明性能處于提升完善過程，經(jīng)歷 20 年總體樣本硬度提高 7%，強度下降31%，膠片微觀表面未見龜裂跡象［8］；白云公司對既有幕墻上硅酮結構密封膠取樣，測定拉伸性能，并與同牌號產(chǎn)品相比較，結果強度升高 6.1 %，伸長率僅下降 5.4%，表明結構膠并未進入性能衰變的老化過程，而是繼續(xù)交聯(lián)固化及模量提高的過程［9］，見表2。硅酮結構密封膠優(yōu)異的耐老化特性正是優(yōu)選用于建筑玻璃粘接結構的依據(jù)。

表2　既有幕墻硅酮結構膠10年老化后與同牌號新膠性能對比Tab.2　Performance comparison before and after 10 years ageing for existing silicone sealant of glass curtain

3.2幕墻玻璃結構粘接設計冗余度

隱框幕墻玻璃面板同金屬框架連接完全依靠結構膠粘接，交聯(lián)固化的彈性粘接體如同連續(xù)彈簧將玻璃“懸掛”成建筑外立面，見圖1，這種應用起始于 1978年，美國首先用聚硫密封膠粘接幕墻玻璃，相繼發(fā)展了硅酮結構密封膠粘接。這種技術的應用遠不及傳統(tǒng)機械連接成熟。建筑規(guī)范考慮業(yè)主及行人的風險、系統(tǒng)老化及粘接性衰減、工程中未預見及未控制的因素和幕墻玻璃墜落的危險，要求工程設計必須采用高冗余系數(shù)［10］。

圖1　幕墻玻璃粘接構造示意圖Fig.1　Bonding structure of glass curtain

我國硅酮結構密封膠國家標準要求產(chǎn)品強度≥0.6MPa 、伸長率≥ 100%，而建筑規(guī)范要求荷載作用下結構粘接和材料模量參數(shù)選擇，必須保證結構膠應力不大于 0.14 MPa ，限定結構膠的位移不大于0.14MPa對應的伸長率，保證極限承載力狀態(tài)的設計系數(shù)大于 4.3。目前企業(yè)產(chǎn)品性能均高于標準要求，如圖 2典型產(chǎn)品試驗曲線，保證荷載下結構膠受力變形始終處于初始彈性階段。

圖2　硅酮結構密封膠典型應力-應變試驗曲線Fig.2　Typical stress-strain curve of silicone structural sealant

幕墻工程設計中采用結構膠的應力水平更低，如某建筑幕墻玻璃按規(guī)范驗算粘接寬度 Cs1，≥ 10.7mm ，而設計取值為 12mm，工程結構膠在設計風荷載下最大應力值實際為0.125MPa，這種處理方式在我國幕墻設計中常見，為結構粘接承載能力提供更高的冗余。

4　粘接失效是玻璃幕墻結構粘接不確定因素

粘接依賴界面物理吸附、化學鍵生成及機械咬合實現(xiàn)連接，粘接界面力學特性不連續(xù)，被粘玻璃、金屬為理想彈性體，密封膠為粘彈性體，接頭受拉位移伸長時粘接體界面被約束不變形，界面層外緣受拉伸同時受剪切，集中應力作用首先局部界面層剝離。破壞面可能看不到膠層痕跡，但顯微鏡下可見殘膠，有時在電子能譜儀下檢查可見殘留的粘接材料分子層，表明破壞實際發(fā)生在界面層。界面層由被粘表面層、粘接咬合面、受影響粘接層和粘接材料多層結構組成［11］（圖 3），被粘材料表面性質及狀態(tài)、涂膠缺陷、氣泡、裂隙、使用形式和應力水平、低溫、高溫、紫外線輻照、鹽霧、濕熱、熱沖擊、介質腐蝕等因素，均會影響粘接界面穩(wěn)定性。試驗表明幾種高性能硅酮結構膠粘接穩(wěn)定，但在水-紫外線及鹽霧加速老化條件下仍有脫膠［12］（表3）；在陽極氧化、氟碳噴涂、無底漆粉末噴涂和有底漆粉末涂層 4種表面上粘接，多種品牌結構膠剝離試件經(jīng) 55 ℃濕熱2000h 加速老化后，A膠 、C膠在氟碳涂層表面脫膠，B膠僅在陽極化表面脫膠，D膠僅對氟碳涂層粘接穩(wěn)定，對其他表面均產(chǎn)生脫膠，可見脫膠的離散性和隨機性［13］，見表4。

圖3　粘接界面多層結構模型Fig.3　Multilayer structure model of bonding interface

表3　實驗室老化試驗中硅酮結構膠的粘接脫膠Tab.3　Degumming of silicone sealant bonding in laboratory ageing test

玻璃-金屬框架結構變位和溫差位移產(chǎn)生對結構膠的拉力，熱脹冷縮的位移量每天有峰值，每年有幾個極大值，循環(huán)應力幅度取決于結構膠剛度模量和膠層厚度，通過 6個模量不同結構膠粘接拉伸疲勞試驗，結果表明，應力幅度為 0.14MPa時，粘接失效循環(huán)次數(shù)平均為 50.2萬 次（設為 100%），提高應力水平后粘接失效循環(huán)次數(shù)迅速下降，依次應力0.19MPa、0.21MPa和 0.28MPa對應的循環(huán)次數(shù)分別為 7.3 萬次（14 %）、6.2萬次（12 %）和 3.1萬 次（6%）。循環(huán)應力作用下的這種應力腐蝕現(xiàn)象在結構粘接中也會發(fā)生［14］。

表4　55 ℃/2 000 h濕熱試驗后剝離試件脫膠面積/%Tab.4　Degumming area of peeled specimens after damp-heat test at 55℃ for 2 000 h

脫膠是粘接界面變化的結果，發(fā)生和發(fā)展不僅涉及材料性能，還涉及工藝和使用性能，涉及力學、界面學和表面物理化學。研究表明金屬、玻璃、陶瓷等極性表面有利于粘接，但水也容易沿親水界面侵蝕粘接層，試驗證明水分子沿玻璃界面滲透的速度要比滲透粘接體快 450倍，常用來處理玻璃或作為被粘表面底膠的硅烷偶聯(lián)劑是最易滲透水的已知聚合物，有人估算水沿界面通過硅烷偶聯(lián)劑底膠滲透的速度是通過粘接體滲透的20 000倍［11］。由于多因素影響及作用機理的復雜性，粘接界面脫粘現(xiàn)象具有隱蔽性和偶發(fā)性，難以通過表面觀測，也難以被局部抽樣的粘接剝離或拉脫檢驗捕捉，成為潛在的影響建筑安全的不確定因素。

5 幕墻粘接可靠性試驗方法

目前對幕墻現(xiàn)場結構膠可靠性測試方法研究，包括對結構膠物理力學性能關鍵技術研究［15， 16］，振動頻率變化識別結構膠老化程度檢測方法研究［17］，現(xiàn)場切割拉拔檢測結構膠粘接強度的方法研究［18， 19］，超聲波檢測法、X-射線檢測法和紅外線檢測法等無損檢測的探討等［20］，這些研究為既有幕墻結構膠老化進程提供了重要信息。建筑可靠性規(guī)范要求可靠性試驗應直接測定構件粘接的承載能力，在該能力衰變趨近極限狀態(tài)前提出預警［21］，這就要求可靠性試驗只能通過現(xiàn)場使用試驗的效果數(shù)據(jù)綜合分析，提供可靠的技術依據(jù)，這也是公認的檢驗結構粘接接頭可靠性的最好方法，這種方法顯然是既費力又費時［14］。

目前可操作的現(xiàn)場無損檢測方法主要有氣囊法、推桿法、多吸盤法等，原理是對幕墻施加模擬風荷載的均勻壓力，測定設計風壓下玻璃-框架間結構膠的應力和位移，判定其粘接承載能力水平，試驗需要設立包括防護網(wǎng)在內的安全防護措施，防止可能的玻璃破裂［22］。利用幕墻結構膠初始受力狀態(tài)呈現(xiàn)虎克彈性體的力學特性［23］， ASTMC1392《結構密封膠粘接失效評估標準指南》提供一種等效點荷載加載試驗法，在既有幕墻面板邊緣施加垂直玻璃的點荷載，拉伸結構膠使之位移產(chǎn)生等效于均勻風荷載作用的效應，試驗不直接測定加載下的結構膠失效，而是測定并統(tǒng)計結構膠位移量隨荷載增加而增大的線性關系，檢出位移量異常的粘接構件，同時以人為割膠造成不同長度粘接失效的參比樣本，標定點荷載下不同脫膠（切割）長度結構膠的位移量，為位移量異常構件的粘接失效程度提供判據(jù)［24］。同均勻加載試驗相比較，該試驗較為經(jīng)濟安全，但該方法試驗參數(shù)的選擇、試驗數(shù)據(jù)的分析及試驗的結果判定等均需交由資深專家決定，增加了試驗的不確定性。

6 結語

盡管我國建筑玻璃幕墻結構粘接技術基礎良好，但服役時間畢竟多有超過 20年，迫切期望通過實驗檢測膠承載能力并判定粘接失效的標準出臺，為幕墻可靠性鑒定提供依據(jù)。研究表明在幕墻使用中硅酮結構密封膠呈現(xiàn)虎克彈性固體特性，可用表面錨固的連續(xù)線性彈性彈簧模擬［23］，如同彈簧脫錨改變規(guī)格彈簧荷載-位移特性一樣，脫膠可通過幕墻粘接構件結構膠承載特性檢驗并通過可參比的人為割膠（脫膠）長度試驗結果判定失效程度。建議參考 ASTMC1392指南研制局部加載精密測量試驗裝置，進行現(xiàn)場大樣本試驗探明結構膠粘接承載特性規(guī)律，通過位移特性細微變化研究脫膠及粘接失效程度的關系，為建立幕墻玻璃結構粘接可靠性試驗方法提供試驗基礎。

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中圖分類號：TQ437+.1

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2016）03-0061-05

收稿日期：2015- 11- 23

作者簡介：馬啟元，男，北京粘接學會顧問，中國建筑裝飾協(xié)會幕墻工程委員會專家組成員，教授級高級工程師，享受國務院津貼工程技術專家。E-mail：ma_qiy@ s ohu.com。

Reliability analysis of structural bonding of existing building glass curtain walls in our country

MA Qi-yuan
（Beijing adhesion society， Beijing 100084， China）

Abstract：The design redundancy， high standard requirements of the silicone structural sealant and application of the quality control in our curtain wall adhesive structure provide a solid foundation foe the tests subjected to the strong earthquake and powerful typhoon.The adhesive failure is an uncertain factor affecting the safety of curtain walls， the statistical experimental study of in-situ loading test on the bearing capacity of the adhesive system should be carried out and the test methods of degumming anomaly detection and failure degree determination should be established to provide the experimental bases for the reliability appraisal of building curtain wall.

Key words：glass curtain walls； structural bonding； reliability