石材環(huán)氧干掛膠的應(yīng)用及常見問題探析

桑廣藝夏佳斌劉明，何永富，

石材環(huán)氧干掛膠的應(yīng)用及常見問題探析

桑廣藝1夏佳斌2劉明1，2何永富1，2

本文簡要介紹了石材環(huán)氧干掛膠的應(yīng)用及其在使用過程中暴露出的常見問題，結(jié)合自身的產(chǎn)品開發(fā)實踐探討了問題的對策、未來產(chǎn)品開發(fā)的方向，并介紹了現(xiàn)有產(chǎn)品開發(fā)情況。

關(guān)鍵詞：石材幕墻；石材干掛膠；環(huán)氧樹脂；低溫固化

1.前言

石材幕墻外表美觀大氣，是時下較流行的建筑外部裝飾形式。在建筑施工中常采用干掛工藝。該工藝在建筑物主體結(jié)構(gòu)的外圍預(yù)先布設(shè)金屬型材骨架，石材經(jīng)鉆孔或開槽后嵌入不銹鋼掛件后把石材板材、異型材固定在金屬骨架上形成裝飾面。干掛工藝徹底摒棄了傳統(tǒng)的水泥砂漿。根據(jù)“JGJ 133-2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》”的規(guī)定，干掛石材幕墻高度不超過100m，且需在抗震設(shè)防的地區(qū)，設(shè)防烈度不大于8o[1]。

干掛法按具體的安裝方式又分為背栓式工藝（見下圖1）和短槽式工藝（見下圖2）兩種。背栓式需要在石材背面鉆孔、拓孔，之后插入不銹鋼背栓。背栓上的擴(kuò)張環(huán)打開后與石材緊密錨固在一起，可承受很強(qiáng)的張力和壓力。再通過金屬掛件跟由熱鍍鋅金屬構(gòu)成的橫豎龍骨（通過預(yù)埋件固定在建筑主體上）連接。背栓式工藝的主要優(yōu)點是：每塊石材均有4個背栓掛件，可均勻承受石材重量，且掛件與龍骨掛件接觸面積大，承載強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，適用于高層和超高層石材外墻；這種工藝后續(xù)維護(hù)（更換、拆解）方便；且由于不使用化學(xué)膠粘劑，無石材污染的風(fēng)險[2]。當(dāng)然背栓式工藝存在如下缺點：工藝相對復(fù)雜，對施工者素質(zhì)要求高；板材在上墻之前需要用專門的打孔和拓孔設(shè)備加工；此外金屬錨栓的成本高。以上因素使得背栓式幕墻施工工藝整體成本較高。

圖1 背栓式安裝工藝

圖2 短槽式石材干掛法安裝圖及膠粘劑使用部位

另外一種常見的干掛工藝是短槽式安裝法。與背栓式不同的地方在于石材的四個邊預(yù)先開槽（槽寬1～1.5cm，深2～3cm）。T型金屬掛件插入槽中后用環(huán)氧干掛膠填充。膠固化后形成強(qiáng)度起到結(jié)構(gòu)承載的作用。短槽式工藝的主要優(yōu)點是：工藝相對簡單，對施工者素質(zhì)要求不高。所使用的金屬掛件便宜，整體安裝成本低。但該法的主要缺點也很突出：由于使用化學(xué)膠粘劑，若操作使用不當(dāng)或膠產(chǎn)品存在質(zhì)量問題，就存在污染石材的可能性。

干掛膠在石材干掛工藝中的作用至關(guān)重要，粘結(jié)質(zhì)量的好壞直接影響幕墻結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性[3，4]。通常2cm厚的石材每平方米的重量為50～60kg，每平米平均用膠量為80～150g。因此石材的粘接性能是重要安全保證。目前干掛膠產(chǎn)品適用的標(biāo)準(zhǔn)是JC 887-2001《干掛石材幕墻用環(huán)氧膠粘劑》。

2.環(huán)氧干掛膠應(yīng)用的主要問題及對策

2.1 產(chǎn)品主要問題

過去十幾年建筑產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展帶動了國內(nèi)干掛膠市場的繁榮。市場參與者眾多，競爭異常激烈。為爭奪市場份額，生產(chǎn)企業(yè)紛紛采取低價策略。價格最低在5-6元/kg，稍微高檔的在12-13元/kg上下。惡性競爭的結(jié)果是企業(yè)為了盈利而壓縮成本，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量較差。

目前國內(nèi)環(huán)氧干掛膠產(chǎn)品自身暴露出的主要問題有：固化速度慢，刺激性氣味大，存儲穩(wěn)定性差易出油，沖擊韌性差易脆，冬季不易施工等。固化速度慢跟環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)機(jī)理（通常是離子型開環(huán)聚合反應(yīng)）有關(guān)[5-6]。建筑用環(huán)氧膠通常為常溫固化，固化劑從化學(xué)類別上講主要是胺類（或改性胺類）[7]。為提高反應(yīng)速度配方中會添加促進(jìn)劑。不過即便有促進(jìn)劑幫助提升固化反應(yīng)速度，反應(yīng)速率常數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法跟自由基聚合固化反應(yīng)速率常數(shù)比，宏觀上無法達(dá)到類似不飽和聚酯（云石膠固化反應(yīng)）那樣的固化反應(yīng)速度（初步固化時間小于5分鐘）。可以說固化速度的實質(zhì)提升更多依賴于新型環(huán)氧固化劑的研究。另外，由于胺類固化劑普遍揮發(fā)性強(qiáng)、刺激性氣味大，在膠產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程都可能對人自身健康、周圍環(huán)境構(gòu)成威脅。產(chǎn)品的存儲穩(wěn)定性差表現(xiàn)在存儲一段時間后（通常是2～3個月），膠體發(fā)生固液相分離（即所謂出油）。對于環(huán)氧樹脂為主體的A組分，離析出來的主體成分是樹脂和稀釋劑。對于固化劑為主體的B組分，離析出來的主體成分是固化劑和促進(jìn)劑。存儲環(huán)境溫度越高出油更明顯。存儲的穩(wěn)定性跟配方和生產(chǎn)工藝關(guān)系密切，提高粉體填料和液體料的相容性，同時注意在混合時在分散攪拌之外增加研磨工序都會提升分散效果，改善存儲穩(wěn)定性。值得一提的是產(chǎn)品出油加上未充分混勻常常是石材幕墻污染的誘因。沖擊強(qiáng)度是評價環(huán)氧干掛膠性能的重要參數(shù)。未增韌時固化產(chǎn)物韌性差易脆，是環(huán)氧膠的通病。特別是為了降低成本，配方中的填料含量提高會導(dǎo)致沖擊韌性進(jìn)一步下降。筆者對市場上流通的很多環(huán)氧干掛膠產(chǎn)品做過測試，沖擊強(qiáng)度都普遍很低。改善韌性的途徑很多，可以加入增韌劑，或?qū)袒瘎┓肿咏Y(jié)構(gòu)做化學(xué)改性（例如結(jié)構(gòu)中引入柔性醚鏈段），也有加入功能填料改善韌性的。但囿于成本因素的考慮，產(chǎn)品廠家極少在改進(jìn)韌性上下功夫。除了韌性差，冬季增稠也是干掛膠產(chǎn)品的普遍現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低環(huán)氧樹脂粘度會急劇升高（見圖3），低溫增稠是聚合物的一個重要物理屬性。環(huán)氧干掛膠產(chǎn)品由于大量填料的加入使得樹脂自身增稠效應(yīng)（尤其是A組分）更明顯。增稠帶來的最大不利是影響施工。A/B組分混合均勻困難自然難以保證膠粘劑發(fā)揮正常功效。而現(xiàn)場施工條件有限，采用加溫輔助手段降低粘度并不現(xiàn)實。我國幅員遼闊地大物博，地區(qū)之間氣候差異較大。對于干掛膠生產(chǎn)企業(yè)來說，如何應(yīng)對不同地域客戶（或同一地域不同季節(jié)）的各類使用需求，開發(fā)能適應(yīng)施工現(xiàn)場各類溫度條件的全天候產(chǎn)品充滿挑戰(zhàn)。配方中加入稀釋劑可以顯著降低樹脂粘度，但降低幅度有限，近來有研究發(fā)現(xiàn)腰果酚環(huán)氧樹脂自身粘度很低，能在不大幅加稀釋劑的情況下提高配方中的填料填充率[8]。圖3是工業(yè)環(huán)氧樹脂E51和腰果酚環(huán)氧樹脂隨溫度的粘度變化曲線。相比傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂E51，腰果酚環(huán)氧樹脂（分子結(jié)構(gòu)以部分腰果酚取代苯酚，環(huán)氧值約為0.40eq/100g）隨溫度的下降粘度的變化幅度沒有那么大。25oC下約為E51的1/4。當(dāng)溫度低至0oC附近時，粘度還有30～40Pa·S。而環(huán)氧樹脂在5oC時幾乎凍結(jié)?？梢姴捎玫驼扯拳h(huán)氧樹脂也是降低配方稠度的有效途徑。

圖3 E51和腰果酚環(huán)氧樹脂（Cardanol）粘度隨溫度變化圖

2.2 應(yīng)用過程中的主要問題

調(diào)查顯示產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)節(jié)的主要問題是施工操作的不規(guī)范。干掛膠的現(xiàn)場配比更多依賴于施工人員的操作經(jīng)驗，缺乏準(zhǔn)確的計量手段。當(dāng)然這一使用習(xí)慣跟產(chǎn)品的包裝和使用形式也有關(guān)系。在歐美發(fā)達(dá)國家，干掛法膠產(chǎn)品包裝為雙組份膠瓶，使用膠槍施工，兩組分通過靜態(tài)混合頭擠出，這樣既保證了AB組分混合的比例精準(zhǔn)又做到了充分混合均勻。另外一個突出問題是云石膠的濫用[9]。云石膠由于粘度低、浸潤快、粘附性好，比環(huán)氧膠固化速度快很多，粘接強(qiáng)度建立時間很短（不到5分鐘），因此在工程中應(yīng)用很多。但這類膠A：B配比懸殊（100：1或100：3），固化時體積收縮率高（10%～15%），易形成內(nèi)應(yīng)力，粘接性能受施工環(huán)境的影響大（怕水怕潮），強(qiáng)度無法保證，不具備足夠的結(jié)構(gòu)承載力，因此云石膠被 “JC/T 989-2006 《非結(jié)構(gòu)承載用石材膠粘劑》”標(biāo)準(zhǔn)界定為非結(jié)構(gòu)承載用石材膠粘劑，用途僅限于非結(jié)構(gòu)性粘接，如位置固定；石材干掛施工中不能替代環(huán)氧干掛膠。但施工單位常常為了趕工期忽略了這一硬性規(guī)定，不該使用云石膠的部位也使用云石膠，造成了安全隱患。

表1 三種膠標(biāo)準(zhǔn)條件下的固化速度和主要力學(xué)指標(biāo)

2.3 產(chǎn)品發(fā)展趨勢

隨著建筑發(fā)展及施工技術(shù)水平的進(jìn)步，能在未來得到市場垂青的產(chǎn)品當(dāng)然是物美價廉性價比高。從前面的分析可以看出，無論是產(chǎn)品自身還是應(yīng)用，干掛膠產(chǎn)品依然存在很多先天不足，因此有很大的發(fā)展空間。首先是提升固化反應(yīng)速度，在市場可接受的成本條件下，實現(xiàn)產(chǎn)品的常溫快速固化的同時提高建筑施工的效率；其次開發(fā)出能在較低溫度條件下仍能正常施工、正常固化的干掛膠產(chǎn)品依然是不小的挑戰(zhàn)。再次，通過科學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計減少有毒有害原材料的使用，盡可能把對人體和周圍環(huán)境的傷害降到最低并引導(dǎo)用戶正確發(fā)揮產(chǎn)品功效也是開發(fā)者的工作目標(biāo)之一。

3.開發(fā)情況介紹

杭州之江有機(jī)硅公司作為門窗幕墻行業(yè)膠粘劑密封膠配套產(chǎn)品的龍頭企業(yè)，多年來一直注重環(huán)氧干掛膠產(chǎn)品的開發(fā)和技術(shù)革新。2013年8月推出1：1型雙組份環(huán)氧干掛膠產(chǎn)品GM-602以全面替代2：1配比的老產(chǎn)品GM600和GM-601。新配方產(chǎn)品在固化速度方面在市場同類產(chǎn)品中居于領(lǐng)先地位(見表1)。通常環(huán)氧干掛膠達(dá)到完全固化狀態(tài)需要2-7天（甚至更多）的時間。對于用戶來說，表干時間和初固時間作為衡量固化速度的評價依據(jù)更有參考意義。我們這里定義初固時間為（23±2oC，50±5% 標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)）鋼/鋼拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到2MPa和8MPa的時間。比較可以得出結(jié)論，GM602相比其他產(chǎn)品在建立初始粘接強(qiáng)度方面用時最短。

此外新產(chǎn)品使用的固化劑無色透明刺激性氣味小，環(huán)境友好。40oC條件下儲存三個月不出油。主要力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到產(chǎn)品行業(yè)檢測要求，特別是膠固化后的沖擊韌性好于市場主流產(chǎn)品表現(xiàn)。為適應(yīng)低溫施工條件，2014年又推出冬季版產(chǎn)品GM-602W。近期再對冬季版產(chǎn)品做了大幅改進(jìn)，在性能符合相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)的前提下，把產(chǎn)品的環(huán)境適用最低溫度從10oC降至0oC附近，更大限度地提升產(chǎn)品適應(yīng)能力。

4.小結(jié)

本文介紹了環(huán)氧干掛膠在石材幕墻干掛工藝中的應(yīng)用，簡要闡述了市場上這類產(chǎn)品自身及在應(yīng)用中暴露出的主要問題，分析了問題產(chǎn)生的原因并給出了相應(yīng)對策，筆者結(jié)合開發(fā)實踐把開發(fā)的產(chǎn)品并跟市場同類產(chǎn)品做了簡單比較。

[1] 羅憶、黃圻、劉忠偉主編.建筑幕墻設(shè)計與施工（第2版）.化學(xué)工業(yè)出版社，2012

[2] 孟憲興，“背栓式干掛石材幕墻在高層建筑外墻的應(yīng)用”，科學(xué)與生活，2010（5），91-92

[3] 賀曼羅主編.建筑膠黏劑（第2版）.化學(xué)工業(yè)出版，2006

[4] 潘自鼎，“石材幕墻用硅酮建筑密封膠的制備研究”，廣東化工， 2009（9）

[5] 賀曼羅主編，環(huán)氧樹脂膠粘劑，中國石化出版社，2004

[6] 陳平主編，環(huán)氧樹脂及其應(yīng)用，中國石化出版社，2011

[7] 胡玉明主編，環(huán)氧固化劑及添加劑，化學(xué)工業(yè)出版社，2011

[8] 李福志，“高強(qiáng)度低成本石材干掛膠的開發(fā)應(yīng)用”，第18次全國環(huán)氧樹脂應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會暨學(xué)會華中地區(qū)分會第14次學(xué)術(shù)交流會，2015

[9] 周俊興，“建筑膠粘劑在應(yīng)用中應(yīng)注意的安全問題” 第二屆建筑膠粘劑專業(yè)技術(shù)與信息研討會，2013

（作者單位：1.杭州之江有機(jī)硅化工有限公司；2.杭州之江新材料有限公司）

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