硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比分析

郭月萍，程 鵬，金燕鴻

（鄭州中原思藍德高科股份有限公司，河南 鄭州 450001）

硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計和選擇涉及建筑幕墻安全，選用合理的標(biāo)準(zhǔn)以便做出規(guī)范的設(shè)計對幕墻安全有著至關(guān)重要的作用。目前國內(nèi)外有關(guān)建筑用硅酮結(jié)構(gòu)膠的標(biāo)準(zhǔn)主要有我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776—2005《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》、建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475—2015《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》、美國材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184—2005《硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》和歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG 002—2012《結(jié)構(gòu)密封膠裝配套件（SSGK）歐洲技術(shù)認證指南》、EN 15434—2010《建筑用玻璃－結(jié)構(gòu)用或抗紫外線密封膠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（用于結(jié)構(gòu)密封裝配或外露密封中空玻璃單元）》等。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[1]對建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計和選用做出了相應(yīng)規(guī)定，同時美國、歐洲對結(jié)構(gòu)密封的設(shè)計和選用也提出了要求，本研究通過分析國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，對硅酮結(jié)構(gòu)密封膠設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)的合理性進行探討。

1　 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計相關(guān)的要求

1.1　ASTM C1184—2005

美國材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184—2005中對結(jié)構(gòu)膠粘接強度的試樣方法為取5個試樣進行拉伸試驗，記錄5個試樣的最大拉伸強度并計算其平均值，要求在23 ℃下的強度平均值≥0.345 MPa[2]。按照強度設(shè)計值0.14 MPa計算，其最小設(shè)計安全系數(shù)約為2.5。雖然最小設(shè)計安全系數(shù)不大，但是標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184—2005中要求結(jié)構(gòu)膠在高溫88 ℃、低溫-29 ℃、浸水和水紫外光照老化后的強度平均值均≥0.345 MPa，即結(jié)構(gòu)膠老化后的拉伸粘接強度性能和初始的要求一致，且經(jīng)過老化后設(shè)計安全系數(shù)仍保持在2.5以上，意在保證結(jié)構(gòu)膠的耐久穩(wěn)定性。但實際上，有些結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品為通過該標(biāo)準(zhǔn)要求，將初始強度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰減，但仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。例如：產(chǎn)品初始強度為1.5 MPa，經(jīng)老化試驗后強度衰減70%，僅僅保留30%，則老化后強度值為0.45 MPa，仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)中≥0.345 MPa的要求。

1.2　GB 16776—2005

GB 16776—2005主要參照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184編制，23 ℃拉伸粘接性的考查也是取5個試樣進行拉伸試驗，要求5個試樣的拉伸粘接強度平均值≥0.60 MPa[3]。按照強度設(shè)計值0.14 MPa計算，其最小設(shè)計安全系數(shù)約為4。GB 16776—2005標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)膠的耐老化性能要求結(jié)構(gòu)膠在高溫90 ℃、低溫-30 ℃、浸水和水紫外光照老化后的強度平均值均≥0.45 MPa，較初始強度的要求有所降低，但老化后的設(shè)計安全系數(shù)仍保持在3以上，意在控制結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品具有一定的耐久性。但該要求與美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184—2005有同樣的弊端，一些結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品將初始強度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰減，但仍然能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但這類產(chǎn)品老化后性能衰減明顯，易出現(xiàn)過早失效現(xiàn)象，使用壽命較短。

1.3　JG/T 475—2015（ETAG 002—2012、EN 15434—2010）

1.3.1拉伸粘接強度標(biāo)準(zhǔn)值

JG/T 475—2015適用于設(shè)計使用年限不低于25年的建筑幕墻工程使用的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，其相關(guān)指標(biāo)參考了歐洲ETAG 002—2012、EN 15434—2010標(biāo)準(zhǔn)[4～6]。關(guān)于硅酮結(jié)構(gòu)膠23 ℃拉伸粘接的強度，JG/T 475—2015要 求 強 度 標(biāo) 準(zhǔn) 值Ru，5≥0.50 MPa，標(biāo)準(zhǔn)取值方法參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG 002—2012、 EN 15434—2010，與 我 國 GB 50068—2017《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定是一致的，即材料強度的概率分布宜采用正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，材料強度標(biāo)準(zhǔn)值取其概率分布的0.05分位值確定[7]。強度標(biāo)準(zhǔn)值計算方法為10個平行試樣的強度平均值扣除其標(biāo)準(zhǔn)偏差影響后得出的數(shù)值，計算公式如式（1）、式（2）所示。

式中，Ru,5為75%置信度時給定的典型強度值，95%試驗結(jié)果將高于該值；Xmean，23℃為23℃平均拉伸、剪切強度；ταβ為具有75%的置信度，是5%偏差時的因子，該取值與試件數(shù)量有關(guān)，10個試件時取值2.1（見表1）；S為試驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差；n為每組試件數(shù)量。

表1　不同試件數(shù)量τα β因子的取值Tab.1　Parameterτα βas a function of test pieces number

由上述公式可以看出，“標(biāo)準(zhǔn)值”和“平均值”這2者概念不同，不宜將JG/T 475—2015和GB 16776—2005標(biāo)準(zhǔn)中強度值技術(shù)指標(biāo)的大小進行直接比較。JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定拉伸粘接強度標(biāo)準(zhǔn)值≥0.5 MPa，一般是要高于GB 16776中強度平均值≥0.6 MPa要求的。

1.3.2初始剛度及剛度模量

JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)要求報告結(jié)構(gòu)膠的初始剛度及拉伸模量（剛度模量），GB 16776—2005標(biāo)準(zhǔn)對該項沒有提出要求。初始剛度表征粘接材料及粘接件抵抗彈性變形的能力，以某一特定應(yīng)變時的應(yīng)力表示（K12.5即表示應(yīng)變12.5%時的應(yīng)力）；剛度模量是密封膠粘接構(gòu)件變形時拉應(yīng)力與對應(yīng)變形量的比值，是表征粘接材料及粘接構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。密封膠拉伸變形受粘接面的約束呈幾何非線性，在初始變形階段（法向應(yīng)變25%為邊界）法線應(yīng)力與切線應(yīng)力基本相等，近似于彈性體，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似一條直線，見圖1（a）。通過標(biāo)準(zhǔn)條件下拉伸試驗測得5%、10%、15%、20%和25%應(yīng)變的應(yīng)力值，通過線性擬合繪制穿過原點的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2（b）所示，比例系數(shù)即為 初 始 剛 度 模 量K0，初 始 剛 度K12.5= 0.125×K0。

初始剛度及模量是結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的重要參數(shù)，幕墻用結(jié)構(gòu)膠的尺寸設(shè)計與剛度模量有著密切關(guān)系。如一種結(jié)構(gòu)膠初始剛度模量為2.0，則0.14 MPa對應(yīng)的伸長率δ值為0.14/2.0=0.07，即此結(jié)構(gòu)膠的變位承受能力為7%，進而可以計算結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計尺寸。

圖1　初始剛度及剛度模量計算示意圖Fig.1　Calculation of initial rigidity and initia1 rigidity modulus

1.3.3強度保持率

對結(jié)構(gòu)膠的耐老化性能要求方面，JG/T 475—2015規(guī)定了80 ℃、-20 ℃、水紫外光照、高溫100 ℃、鹽霧、酸霧、清潔劑和機械疲勞等老化試驗處理后拉伸粘接強度保持率≥75%，是一動態(tài)指標(biāo)，并非一定值。旨在控制結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品的耐久性，即要求結(jié)構(gòu)膠在長期使用過程中經(jīng)受各種老化因素的影響，依然能夠保持較穩(wěn)定的性能，具有較長的使用壽命。這也是滿足JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)膠之所以具有預(yù)期25年使用壽命的關(guān)鍵要求。相比ASTM C1184和GB 16776—2005標(biāo)準(zhǔn)中的靜態(tài)指標(biāo)，其要求更合理，避免了一些產(chǎn)品為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，大幅度提高23 ℃條件下拉伸粘接強度，以達到老化處理后拉伸粘接強度大量衰減后仍然滿足ASTM C1184和GB 16776—2005標(biāo)準(zhǔn)的要求。例如前述示例：結(jié)構(gòu)膠初始23 ℃條件下拉伸強度1.5 MPa，老化后為0.45 MPa，是符合ASTM C1184和GB 16776—2005標(biāo)準(zhǔn)的，但是保持率只有30%（＜75%），不符合JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2　 幕墻設(shè)計規(guī)范要求

2.1　美國相關(guān)要求

設(shè)計強度相對最大取值為0.14 MPa是緣于許多驗證試驗及實踐得出的結(jié)果，已得到驗證和業(yè)界廣泛認可。美國ASTM C 1401—2014《結(jié)構(gòu)密封膠裝配標(biāo)準(zhǔn)指南》標(biāo)準(zhǔn)中第27.4、27.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)密封膠的最大拉伸強度應(yīng)符合ASTM C1184標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的≥0.345 MPa的要求，最大設(shè)計強度為0.14 MPa，最小設(shè)計安全系數(shù)為2.5，根據(jù)特定結(jié)構(gòu)密封膠的最大拉伸強度和所確定設(shè)計安全系數(shù)，設(shè)計強度可小于0.14 MPa[8]。ASTM C1401中第24.3.1條指出，雖然結(jié)構(gòu)密封膠的最大拉伸強度一般是高于0.345 MPa的，但不能因此就將設(shè)計強度提高到0.14 MPa以上，延長結(jié)構(gòu)膠使用壽命的關(guān)鍵在于經(jīng)過環(huán)境老化后還能保持良好的粘接性能。ASTM C1401中第30.3.5條指出，結(jié)構(gòu)膠承受反復(fù)拉伸疲勞的次數(shù)隨著應(yīng)力幅度的增大而劇減，即提高設(shè)計強度會導(dǎo)致疲勞壽命明顯降低。因此，為保證幕墻安全，應(yīng)該主要關(guān)注結(jié)構(gòu)密封膠的耐老化性能以延長使用壽命；為降低設(shè)計風(fēng)險，可提高設(shè)計安全系數(shù)，而不是提高強度設(shè)計值，設(shè)計強度值不應(yīng)超過0.14 MPa，否則會造成安全風(fēng)險。

2.2　國內(nèi)相關(guān)要求

關(guān)于硅酮結(jié)構(gòu)密封膠粘接強度設(shè)計值取值，我國參照美國相關(guān)規(guī)范，已將強度設(shè)計值0.14 MPa納入到相應(yīng)的規(guī)范要求中，用于結(jié)構(gòu)膠的粘接尺寸設(shè)計。

2.2.1幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度設(shè)計

JGJ 102—2003標(biāo)準(zhǔn)第5.6章節(jié)規(guī)定，在風(fēng)荷載作用下，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接寬度按式（3）計算。

式中，cs為 硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接寬（mm）；為作用在計算單元上的風(fēng)荷載設(shè)計值（kN/m2）；為四邊打膠時，指矩形玻璃板的短邊長度（僅2對邊打膠時，指2對邊膠的膠體相對距離）（mm）；f1為硅酮結(jié)構(gòu)密封膠在風(fēng)荷載或地震作用下的強度設(shè)計值，取值為0.2 N/mm2。

2.2.2幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠厚度設(shè)計

JGJ 102—2003標(biāo)準(zhǔn)第5.6.5條規(guī)定，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接厚度按照公式（4）、（5）進行計算。

式中，ts為 硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接厚度（mm）；us—幕墻玻璃相對于鋁合金框的位移（mm），必要時還應(yīng)考慮溫度變化產(chǎn)生的相對位移；θ為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下主體結(jié)構(gòu)的樓層彈性層間位移角限值（rad）；hg為 玻璃面板高度（取其邊長a或b）（mm）；δ為硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的變位承受能力，取對應(yīng)于其受拉應(yīng)力為0.14 N/mm2時的伸長率。

JGJ 102—2003標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)構(gòu)膠強度設(shè)計值取值為0.2 N/mm2，條文說明指出，這是套用概率極限狀態(tài)的設(shè)計方法，風(fēng)荷載分項系數(shù)取值為1.4，將標(biāo)準(zhǔn)值0.14 N/mm2乘以分項系數(shù)1.4約等于0.2 N/mm2，即定為風(fēng)荷載作用下的強度設(shè)計值，可見結(jié)構(gòu)膠的粘接強度設(shè)計值仍為0.14 N/mm2[1]。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的變位承受能力δ是取極限設(shè)計強度0.14 N/mm2對應(yīng)的應(yīng)變，通過JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)要求報告的初始剛度及模量可以獲取δ值的大小。經(jīng)大量工程的實踐證明，采用0.14 N/mm2設(shè)計值進行設(shè)計選材為建筑幕墻結(jié)構(gòu)安全提供了基本的保證。

2.3　歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系相關(guān)要求

歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系將強度標(biāo)準(zhǔn)值用于設(shè)計選材，強度設(shè)計值是根據(jù)材料的強度標(biāo)準(zhǔn)值按6倍的設(shè)計安全系數(shù)進行計算的，即強度設(shè)計值可以取標(biāo)準(zhǔn)值的1/6。設(shè)計方法不同于我國的規(guī)范要求——強度設(shè)計值取定值0.14 MPa。有觀點認為，按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)構(gòu)密封膠的強度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該達到6倍的設(shè)計強度、即0.14×6=0.84 MPa以上，其實這種觀點是錯誤的，原因有以下幾個方面。

（1）該觀點將歐洲體系的設(shè)計方式與我國的相關(guān)要求斷章取義、混為一談，將我國規(guī)范要求的強度設(shè)計值0.14 MPa套用歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求的安全系數(shù)6來確定對標(biāo)準(zhǔn)值的要求。

（2）歐洲在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN 15434—2010中規(guī)定了23 ℃拉伸粘接強度標(biāo)準(zhǔn)值Ru，5≥0.50 MPa，并不是要求結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品的強度值一定要達到0.84 MPa以上。標(biāo)準(zhǔn)ETAG 002—2012附錄A2.0中指出，設(shè)計安全系數(shù)可以選用6倍進行計算，并非是要求必須取定值6作為安全系數(shù)。

（3）如果按照該觀點片面地將結(jié)構(gòu)膠強度標(biāo)準(zhǔn)值要求由“≥0.50 MPa”提升至“≥0.84 MPa”，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品朝著較高強度方向發(fā)展，按照6倍的安全系數(shù)進行設(shè)計，強度設(shè)計值必然遠遠超過0.14 MPa，如結(jié)構(gòu)膠強度達到1.5 MPa，按照6倍的安全系數(shù)計算，設(shè)計值高達0.25 MPa，大大超出業(yè)界公認的強度設(shè)計值限值0.14 MPa，勢必增大幕墻 安 全風(fēng)險[8，9]。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置強度保持率指標(biāo)，設(shè)計控制結(jié)構(gòu)膠在經(jīng)過各種環(huán)境及復(fù)雜受力老化后，力學(xué)性能沒有大的衰減，始終保持較穩(wěn)定的性能。JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)同樣采用了該要求，這也是由于滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG 002—2012及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475—2015的結(jié)構(gòu)膠之所以具有預(yù)期25年使用壽命的主要原因，而并非是其設(shè)計的安全系數(shù)取值高于我國的要求。

3　 結(jié)論

（1）我國JGJ 102—2003標(biāo)準(zhǔn)中對硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計，強度設(shè)計值取定值為0.14 MPa，是采用結(jié)構(gòu)膠強度“標(biāo)準(zhǔn)值”的緣故，而并非強度“平均值”，“標(biāo)準(zhǔn)值”和“平均值”這2者概念不同，標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475—2015規(guī)定的“標(biāo)準(zhǔn)值≥0.5 MPa”，一般是高于GB 16776—2005規(guī)定的“平均值≥0.6 MPa” 要求 的， 此外 ，JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)還要求報告初始剛度及剛度模量，JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范JGJ 102—2003、GB 50068—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求是協(xié)調(diào)一致的，更加適合規(guī)范要求。

（2）幕墻用結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計方法，國內(nèi)外均有相應(yīng)要求，不能將各國的不同要求混為一談，從而誤導(dǎo)結(jié)構(gòu)膠的正確使用。為降低建筑幕墻設(shè)計風(fēng)險，可提高設(shè)計安全系數(shù)，而不是提高強度設(shè)計值，設(shè)計強度值不應(yīng)超過0.14 MPa，否則會造成安全風(fēng)險。

（3）JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)主要參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG 002—2012要求，符合該標(biāo)準(zhǔn)要求的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠產(chǎn)品，按照規(guī)范進行設(shè)計施工，可達到預(yù)期25年的使用壽命，與我國規(guī)范JGJ 102—2003規(guī)定的“幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限不應(yīng)少于25年”相一致。JG/T 475—2015標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)先進，應(yīng)得到正確的引導(dǎo)宣傳和應(yīng)用，以促進建筑幕墻工程質(zhì)量的穩(wěn)定及安全。