膠粘劑在建筑幕墻中的應(yīng)用及粘接可靠性分析

摘要：對膠粘劑在建筑幕墻中粘接可靠性進行的測試包括變量，如諾頓膠帶的使用、端部密封劑的應(yīng)用（或遺漏）、應(yīng)用于結(jié)構(gòu)密封劑頇部的加勁密封劑的厚度以及玻璃板的跨度長度。試驗結(jié)果表明，Norton膠帶的使用直接影響SSG連接的初始剛度和強度值，封端劑的應(yīng)用提高了SSG連接的強度和延性。然而，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)密封膠上使用加勁密封膠所引起的單位長度最大荷載的變化是微不足道的。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)膠;強度;延展性;加勁密封膠;結(jié)構(gòu)硅酮玻璃（SSG）粘接

中圖分類號：TQ437

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0001-05

Application of Adhesive in Building Curtain Wall and Analysis of Bonding Reliability

XIA Hong

（Huizhou Branch of Hubei Construction International Engineering Co.，Ltd.，Huizhou Cuangdong 516002，China）

Abstract ： Tests for adhesive bonding reliadility in building curtain walls include variahles such as the use of Nor-ton tape，the application （ or omission） of end sealant.the thickness of the stiffening sealant applied on top of thestructural sealant，and the span length of the glass paneI.The test results indicate that the use of Norton tape direct-ly affects the initial stiffness and strength values of the SSCJ connection and that the application of end sealant im-proves the strength and ductility of the SSCJ connection.However.the change in the maximum load per unit lengthcaused hy the application of stiffening sealant on the existing structural sealant was found to be. insignificant.

Key words ： structural sealant;strength;ductility;stiffening sealant;structural silicone glazing （SSG） bonding

0 引言

由于在高層建筑中使用自由形式立面的趨勢越來越大，以及需要獲得光照，幕墻系統(tǒng)在建筑圍護結(jié)構(gòu)中的使用有所增加[1-2]。在眾多類型的幕墻系統(tǒng)中，層壓玻璃板和鋁框幕墻系統(tǒng)被用于高層建筑，因為它們的玻璃板保證了陽光的照射，并且其結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量輕。盡管已經(jīng)進行了許多研究工作來研究幕墻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能，但并未從結(jié)構(gòu)性能的角度考慮幕墻系統(tǒng)中使用的結(jié)構(gòu)連接的影響[3-4]。結(jié)構(gòu)硅酮玻璃（SSG）粘接方法，使用結(jié)構(gòu)密封膠粘貼用于給幕墻框架上光的夾層玻璃板。因此，結(jié)構(gòu)密封膠必須防水、氣密，并具有良好的粘合性。

有研究報道了將玻璃板粘接用于普通幕墻系統(tǒng)的SSG連接件的抗震性能。研究結(jié)果表明，雙面SSG幕墻系統(tǒng)可能比使用橡膠墊圈將玻璃板邊緣粘附到支撐框架上的干式玻璃幕墻系統(tǒng)具有更高的漂移能力。對中高層幕墻體系中建筑玻璃的抗震性能研究結(jié)果表明，玻璃與鋁的邊緣間隙和玻璃與框架玻璃的細部構(gòu)造對幕墻系統(tǒng)的抗震性能有顯著影響。有的研究針對傳統(tǒng)膩子和聚合物密封膠的壓縮和搭接剪切性能[5-6]。與傳統(tǒng)的油基膩子相比，聚合物密封劑具有更高的剪切剛度值，進一步研究表明研究表明，置換聚合物密封膠改善了幕墻連接的結(jié)構(gòu)性能[7-8]。

因此，在SSG連接系統(tǒng)中使用的結(jié)構(gòu)密封膠的力學(xué)性能是決定幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素，對將風(fēng)荷載從玻璃板傳遞到框架和防止大風(fēng)條件下玻璃板的脫落起著重要作用。日本建筑學(xué)會出版的《玻璃豎框系統(tǒng)技術(shù)建議》提供了玻璃豎框的許用強度和許用位移水平，并提供了通過結(jié)構(gòu)密封膠的抗拉強度和強度折減系數(shù)計算許用設(shè)計應(yīng)力的說明。如圖1（a）所示，如果在鋁框架和玻璃面板之間適當?shù)貞?yīng)用足夠的結(jié)構(gòu)硅酮密封劑，則可以成功地應(yīng)用該公式。然而，與本標準圖紙的細節(jié)相比，實際現(xiàn)有SSG連接的細節(jié)差別很大。如圖1（a）和（b）所示，如果鋁框和玻璃面板之間的間隙很窄，則使用諾頓膠帶。但是，結(jié)構(gòu)密封膠不能填充到標準詳圖（圖1（a））所示的間隙中;因此，必須以458的角度將結(jié)構(gòu)密封膠涂抹到玻璃板和鋁框架之間的連接處，以密封間隙（圖1（b））。也就是說，很難使用現(xiàn)有推薦的標準強度公式來計算此類連接件，因此，這種情況需要對實際連接件的結(jié)構(gòu)性能和強度進行評估。

結(jié)構(gòu)密封膠的施工過程是一個完整的過程，在幕墻施工中誤差相對較小。然而，在施工過程中，由于各種原因，現(xiàn)場施工可能會降低連接的性能。在結(jié)構(gòu)密封膠的應(yīng)用方面，大多數(shù)施工錯誤都是由工人造成的。具體來說，在大多數(shù)情況下，在檢查連接后，結(jié)構(gòu)密封膠所需的連接區(qū)域沒有正確固定的情況下，應(yīng)移除現(xiàn)有密封膠進行重建。然而，由于涉及額外的工藝，移除現(xiàn)有的密封劑可能會導(dǎo)致增加施工成本和時間的不利因素，并可能導(dǎo)致暫時損害整個結(jié)構(gòu)的完整性。因此，本研究的目的是提供在使用新密封劑之前，在不移除現(xiàn)有密封劑的情況下，提高玻璃板與鋁框架之間連接強度的方法。

1 實驗方案

1.1材料及試件制作

本研究采用韓國KCC公司在韓國生產(chǎn)的液體1型中性硬化硅酮密封膠。根據(jù)制造商提供的材料試驗結(jié)果，該結(jié)構(gòu)密封膠的體積密度為138kg/m3，抗拉強度為2.5-3.5MPa。表1顯示了這種結(jié)構(gòu)密封膠的機械性能。上膠采用灰色密封膠，端膠采用耐沾污性強的黑色密封膠。兩種顏色的密封膠具有相同的力學(xué)性能。根據(jù)KSL2004，采用12.76mm厚的夾層玻璃板模擬實際結(jié)構(gòu)條件。鋁框采用與實際幕墻系統(tǒng)相同的材料制造。在涂抹硬化密封劑之前，用刷子將底漆涂在先前構(gòu)造的密封劑上，以確?，F(xiàn)有密封劑和硬化密封劑之間的正確粘合。本試驗所用底漆為聚氨酯，粘度為14Pa·s，比重為0.98。試件制作步驟如下：首先將諾頓膠帶貼在鋁框上固定其位置，然后在初次涂封膠后將上封膠固化10d。其次，在將補強膠涂在現(xiàn)有密封膠上之前，先涂底漆以提高補強膠與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)密封膠之間的粘合性。最后，使用端部密封劑。固化后，認為該過程已完成。

1.2試驗裝置和試驗程序

每個試樣在模擬室外條件下進行空氣固化，以接近實際現(xiàn)場條件。養(yǎng)護期平均濕度49.6%，平均溫度11.2℃。根據(jù)玻璃豎框系統(tǒng)的技術(shù)建議，固化周期計算為每天0.5mm的硬化，并應(yīng)用于每種厚度。圖2顯示了安裝在試驗裝置中的試樣。實驗是在一臺200kN/min的萬能試驗機上進行的。安裝一個300ininx 300mm的空加載墊架，然后用沙子填充，以防止UTM的鋼加載板損壞玻璃板，并模擬風(fēng)荷載在夾層玻璃板上的均勻分布。測量時忽略了沙子的重量。加載速率設(shè)置為3mm/min。安裝了一個線性可變差動變壓器（LVDT）來測量層壓面板的中心撓度。

2 結(jié)果與討論

2.1 SSG系統(tǒng)粘接的結(jié)構(gòu)性能

圖3顯示了使用端部密封劑和諾頓膠帶對使用400mm玻璃板跨度的SSG系統(tǒng)連接的結(jié)構(gòu)性能的影響。圖中給出了各試樣單位長度荷載與位移的平均圖。單位長度的荷載是通過將密封劑附著長度除以試樣上的荷載來計算的。根據(jù)D1詳圖構(gòu)造的400-D1（5+0）試樣的單位長度最大荷載為9.59kN/mm。最大荷載下的位移約為4mm，表明應(yīng)力隨著諾頓膠帶的剝離而減小。對于400-D2（5+0）無端部密封劑試樣，單位長度的最大載荷和最大載荷下的位移分別為7.80（±0.10）kN/inm和3.4mm。結(jié)果表明，端部密封膠對SSG幕墻連接強度有顯著影響。400-D1（5+0）和400-D2（5+0）試樣的強度隨著諾頓膠帶在單位長度最大荷載位移處的分離而降低。800mm玻璃板跨度的試樣顯示出相同的趨勢。圖3還表明，端部密封劑對初始剛度值的影響不顯著。未使用端部密封劑的400-D2（5+0）試樣在承受極限荷載后，承載能力突然下降，但圖3也顯示，使用端部密封劑的400-D1（5+0）試樣保持其延展性，直到發(fā)生上部密封劑剝離破壞時的位移6mm。不帶諾頓膠帶的400-D3（5+0）試樣單位長度的最大載荷為6.22kN/mm，與400-D1（5+0）試樣相比，相對較大的載荷有所降低。此外，初始剛度值顯示退化，最大荷載下的位移為10.95mm，表明在端部密封劑失效后，荷載有下降趨勢。簡言之，當幕墻系統(tǒng)中的夾層玻璃板發(fā)生上部結(jié)構(gòu)密封膠的附著故障時，使用端部密封膠可以防止突然脫落，從而有助于預(yù)測整體故障。結(jié)果表明，諾頓帶對提高SSG系統(tǒng)連接的強度和剛度起著關(guān)鍵作用。

2.2加強密封膠和端部密封膠的效果

圖4（a）顯示了加勁密封劑和端部密封劑對層壓玻璃板跨度為400mm的試樣結(jié)構(gòu)性能的影響。圖4還表明，在現(xiàn)有上部密封膠上涂抹5mm厚的加勁密封膠，可提高連接件的初始剛度和強度值。對于具有D1型連接詳圖的試件，400-D1（5+5）試件單位長度的最大荷載為11.17kN/mm，與400-D1（5+0）試件相比增加了1.58kN/mm。對于帶有D2型連接詳圖的試樣，400-D2（5+5）單位長度的最大荷載試樣為9.02kN/min，比400-D2（5+0）試樣增加1.22kN/mm。如前所述，端部密封劑的應(yīng)用也增加了連接件的延展性。具體地說，端部密封劑和加強密封劑的組合應(yīng)用導(dǎo)致承載能力的增加，即使在諾頓膠帶分離之后，如圖4（a）所示。

圖4（b）顯示了夾層玻璃板跨度為800mm的試樣的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。如圖所示，這些連接的結(jié)構(gòu)性能與400mm玻璃板跨度的連接類似。無論是否使用端部密封劑，5mm加勁密封劑的應(yīng)用都會增加初始剛度值。僅使用上部密封膠的800-D1（5+0）試樣單位長度的最大荷載為9.42kN/mm，同時使用現(xiàn)有上部密封膠和加勁密封膠的800-D1（5+5）試樣單位長度的最大荷載為13.10kN/mm。因此，5mm厚的加勁密封膠使單位長度的荷載增加了3.68kN/mm。800-D2（5+0）和800-D2（5+5）試件單位長度最大荷載分別為7.80kN/mm和6.62kN/mm。出乎意料的是，具有800mm玻璃板跨度且沒有端部密封劑的試樣顯示連接強度降低。然而，在跨度為400mm的試件上同時使用端部密封膠和加勁密封膠會增加荷載水平以及諾頓膠帶失效后的位移。

這些結(jié)果表明，在幕墻系統(tǒng)中，在連接件的上部密封膠上涂抹加勁密封膠，而不是在連接件的強度上涂抹加勁密封膠，是提高SSG連接件剛度和延性的主要機制。此外，如第2.2節(jié)所述，端部密封劑的使用增加了連接件的延展性。

2.3補強膠厚度和夾層玻璃板跨度長度的影響

圖5示出了加勁密封劑厚度和夾層玻璃板跨度對單位長度荷載一位移關(guān)系的影響。所有試件均采用D2型連接詳圖制作，以評估僅使用加勁密封劑而不使用端部密封劑的效果。圖5（a）顯示了層壓玻璃板跨度為400mm的試樣的結(jié)構(gòu)性能。圖5（b）顯示玻璃板跨度為800mm的試樣具有相似的試驗結(jié)果。圖5表明，在兩種類型（跨度長度）的幕墻系統(tǒng)中，加勁密封膠厚度的增加對SSG連接件的初始剛度沒有顯著影響。厚度為5mm、10mm和15mm的400mm跨試件單位長度的最大荷載分別為7.14kN/mm、7.42kN/mm和7.53kN/mm，這表明加勁密封劑的厚度僅對連接強度有輕微影響。然而，使用厚度為20mm的加勁密封劑的400mm跨度試樣的單位長度最大荷載將強度增加到8.98kN/mm。厚度為5mm、10mm和15mm的800mm跨試件單位長度的最大荷載分別為6.62kN/mm、6.55kN/mm和6.79kN/mm。厚度為20mm的加勁密封劑的800mm跨度試樣的單位長度最大荷載為8.63kN/mm。

圖6根據(jù)加勁密封劑厚度的變化提供了400mm和800mm玻璃板跨度的試樣單位長度的荷載。該圖表明，在厚度為15mm的情況下，硬化密封劑的加固效果微不足道。然而，SSG連接的強度通過加固厚度超過20mm的加勁密封劑而提高。如第2.1節(jié)所述，隨著玻璃板跨度的增加，可以觀察到夾層玻璃板的彎曲行為。這種現(xiàn)象也反映了SSG連接強度的下降趨勢。如圖6所示，SSG連接的初始剛度值隨著玻璃板跨度的增加而減小。

3 結(jié)語

本研究旨在評估幕墻系統(tǒng)中SSG連接件的結(jié)構(gòu)性能。為此，試驗研究包括主要變量：諾頓膠帶和端部密封膠的應(yīng)用、加勁密封膠的厚度和夾層玻璃板的跨度（長度）。從本研究有限數(shù)量的樣本中獲得的結(jié)果摘要如下：

1）在幕墻系統(tǒng)中，SSG連接件的強度隨著諾頓膠帶的剝離而降低。由于加勁密封劑和端部密封劑持續(xù)抵抗外部荷載，因此保持了延展性。人們認為，這種延展性可防止夾層玻璃板突然從幕墻系統(tǒng)的窗框上脫落，從而有效地減少和/或預(yù)測在極端天氣和地質(zhì)（沉降和地震）事件中造成的人員和材料損失等損害。夾層玻璃板的中心部分的撓度與連接件的端部位移相比，隨著玻璃板跨度的增加而增加。因此，與跨度較短的幕墻相比，跨度較大的幕墻更好地考慮了由于其彎曲行為而可能出現(xiàn)的連接分離以及玻璃板損壞。

2）本研究中測試的SSG連接件的強度由于在端部以及作為玻璃板和窗框之間的粘合劑的上部密封劑上應(yīng)用了結(jié)構(gòu)密封膠而得到提高。結(jié)果表明，與端部密封劑相比，在現(xiàn)有上部密封劑頂部使用的加勁密封劑所提供的鋼筋在提高SSG連接強度方面的效果較差，并且端部密封劑鋼筋在提高SSG系統(tǒng)的強度和延性方面比上部密封劑更有效連接。長（800mm）玻璃板跨度的SSG連接件的強度略小于短（400mm）玻璃板跨度的連接件的強度，因為與長跨度連接件一起使用的連接件承受拉伸和彎曲應(yīng)力，而與短跨度玻璃連接件面板拉伸應(yīng)力占主導(dǎo)地位。

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收稿日期：2020-03-11

作者簡介：夏洪（1979-），男，土家族，湖南石門人，大學(xué)本科，高級工程師，研究方向：交通土建。