低模量硅酮耐候密封膠應(yīng)用優(yōu)勢

龐達(dá)誠 蔣金博

硅酮耐候密封膠（下稱耐候膠）因其特有的耐紫外線老化、耐氣候老化性能，廣泛應(yīng)用于玻璃幕墻、鋁板幕墻、石材幕墻等幕墻接縫的密封。在進(jìn)行幕墻接縫設(shè)計(jì)時(shí)，硅酮耐候密封膠的位移等級和耐久性是目前考慮得比較多的性能，良好的抗位移能力可以保證耐候膠處于拉伸或壓縮狀態(tài)時(shí)依然能夠維持良好的粘結(jié)性能，保持良好的密封狀態(tài)。而耐久性能方面，除了硅酮膠良好的抗紫外線老化和耐氣候老化的特性外，還有不可忽略的一點(diǎn)：密封膠的模量。模量可分為高模量和低模量，低模量耐候膠具有內(nèi)應(yīng)力小的特點(diǎn)，在廣泛的基材粘結(jié)應(yīng)用中，低模量耐候膠可抵抗接縫長久反復(fù)地拉伸壓縮而不易破壞基材的粘接界面，可適用基材更廣泛，同時(shí)具有更好的耐疲勞性能，能夠提供長久的接縫密封效果。

國內(nèi)外建筑用硅酮密封膠標(biāo)準(zhǔn)也有關(guān)于低模量密封膠相應(yīng)的應(yīng)用要求，如《結(jié)構(gòu)密封膠歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG002 指南》[1]提到的，幕墻接縫用耐候密封膠建議采用滿足標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 11600-2002[2]中G-LM類的低模量密封膠產(chǎn)品。

1.硅酮耐候密封膠的模量

1.1 模量的定義

從材料的力學(xué)性能來說，模量是指材料在受力狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變之比。而密封膠所說的模量，通常是指其正割拉伸模量。按照《建筑密封材料試驗(yàn)方法第8 部分：拉伸粘結(jié)性的測定》（GB/T 13477.8-2017）[3]中的規(guī)定：將密封膠粘接在兩個(gè)平行基材的表面之間、制成試件；將試件拉伸至破壞，繪制力值－伸長率曲線，可計(jì)算密封膠的正割拉伸模量。

模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大；反之模量值越小，使其發(fā)生一定變形的應(yīng)力也隨之越小。因此對于不同的用膠部位，硅酮密封膠的性能有所區(qū)分，如硅酮結(jié)構(gòu)密封膠用于把玻璃安全、牢固地粘接在鋁型材上，需要一定的強(qiáng)度而不希望有大的位移發(fā)生，其模量會高一點(diǎn)；而硅酮耐候密封膠用于幕墻嵌縫，需要具有良好的彈性來承受幕墻接縫較大幅度的位移變形，其模量通常會低一些。

1.2 高模量、低模量的劃分

建筑用密封膠國際標(biāo)準(zhǔn)《房屋建筑 連接件 密封膠的分類和要求》（ISO 11600-2002）對20%和25%位移等級的密封膠產(chǎn)品做出了高模量（high modulus）和低模量（low modulus）的劃分，劃分要求為：當(dāng)密封膠拉伸至相應(yīng)伸長率時(shí)，其在23℃的正割拉伸模量小于等于0.4MPa 且在-20℃的模量小于等于0.6MPa 時(shí)，此密封膠分類為低模量；有任何一個(gè)條件不滿足時(shí)，則分類為高模量。國際標(biāo)準(zhǔn)中對模量的劃分要求與中國標(biāo)準(zhǔn)《硅酮和改性硅酮建筑密封膠》（GB/T 14683-2017 ）[4]一致，而中國標(biāo)準(zhǔn)涵蓋更多的位移等級范圍，對20%、25%、35%和50%位移等級的硅酮建筑密封膠進(jìn)行了高模量和低模量的分類（見表1）。不同的位移等級，其測試時(shí)所要求的伸長率有所不同。20 級密封膠產(chǎn)品，測定其伸長率為60%的拉伸模量，而對于25 級及以上的密封膠產(chǎn)品，測定伸長率為100%的拉伸模量。對于符合中國標(biāo)準(zhǔn)《硅酮和改性硅酮建筑密封膠》（GB/T 14683-2017）或國際標(biāo)準(zhǔn)《房屋建筑 連接件 密封膠的分類和要求》（ISO 11600-2002）的耐候膠產(chǎn)品，都會對其模量進(jìn)行劃分。

表1 GB/T 14683-2017 中關(guān)于硅酮建筑密封膠（SR）拉伸模量和伸長率的規(guī)定

2.國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對密封膠模量的要求

前面提到的國際標(biāo)準(zhǔn)《房屋建筑連接件 密封膠的分類和要求》（ISO 11600-2002“Building construction -Jointing products -Classification and requirements for sealants”）是對房屋建筑接縫密封用密封膠分類、分級的要求，其中就有低模量和高模量的劃分，許多建筑密封膠標(biāo)準(zhǔn)的制定都有參考其內(nèi)容，如美國的《彈性密封膠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（ASTM C920-14a ）“Standard Specification for Elastomeric Joint Sealants”[5]。而作為全球建筑幕墻體系中對硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能指標(biāo)、選用設(shè)計(jì)和應(yīng)用施工都比較全面的歐洲技術(shù)指南《結(jié)構(gòu)密封膠裝配體系歐洲技術(shù)認(rèn)證指南》[ETAG002“GUIDELINE FOR EUROPEAN TECHNICAL APPROVAL FOR STRUCTURAL SEALANT GLAZING KITS（SSGK）”]，其對幕墻接縫用耐候密封膠是推薦采用滿足標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 11600-2002 中G-LM 類低模量密封膠產(chǎn)品的。

美國材料試驗(yàn)協(xié)會制定的密封膠應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)《接縫密封劑使用標(biāo)準(zhǔn)指南》（ASTM C1193-16 ）“Standard Guide for Use of Joint Sealants”[6]涵蓋了建筑、車輛或人行道路、機(jī)場道路和橋梁等方面的密封膠產(chǎn)品，其結(jié)合接縫基材類型和密封膠的應(yīng)用場景給出了非常詳細(xì)的說明及選用要求。標(biāo)準(zhǔn)中提到，模量可以作為一個(gè)定性密封膠相對剛度的方法，而且這與密封膠受拉伸時(shí)對粘結(jié)界面產(chǎn)生的應(yīng)力大小是有間接關(guān)系的；對于建筑接縫用密封膠，也提出了相應(yīng)的低模量密封膠的選用要求。首先，對于密封膠長時(shí)間處于拉伸狀態(tài)的應(yīng)用狀況，用戶需要著重考慮密封膠的拉伸模量。特別是一些疏松多孔基材如混凝土基材在使用耐候膠填縫時(shí)，需要選擇抗拉強(qiáng)度比混凝土抗拉強(qiáng)度低的密封膠（即拉伸模量較低的密封膠），避免在接縫變形時(shí)（特別是接縫變寬對密封膠造成拉伸時(shí)）由于密封膠抗拉強(qiáng)度過高而導(dǎo)致的基材破裂或脫落。而在國內(nèi)，用于規(guī)范要求裝配式建筑接縫用非結(jié)構(gòu)密封膠應(yīng)用的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《裝配式建筑密封膠應(yīng)用技 術(shù)規(guī)程》（T/CECS 655-2019）[7]第4.2.3 條中也有相關(guān)的規(guī)定：當(dāng)接縫處水泥基材強(qiáng)度較低時(shí)，不宜選擇高模量建筑密封膠。其次，對密封膠處于壓縮狀態(tài)時(shí)，需要考慮密封膠的壓縮模量。由于密封膠在承受接縫收縮擠壓的時(shí)候，同樣會對接縫兩端的基材表面造成反向的應(yīng)力，如果密封膠的硬度或剛度過高，一些易碎的基材便會被撐破導(dǎo)致剝落，造成密封失效。

通常來說，模量越低的耐候膠，其變形能力越高，而且低模量密封膠在受到拉伸時(shí)對基材表面的應(yīng)力會更小，在疏松材料或材料表面有涂層等應(yīng)用中選擇模量更低的密封膠可以有效減少脫粘、基材剝落等密封失效的問題發(fā)生[6]。尤其是當(dāng)下外墻建筑新興的外墻保溫及飾面幕墻系統(tǒng)（EIFS），有很多外墻保溫及飾面系統(tǒng)材料的廠家是建議耐候膠與材料的底層或底漆層直接進(jìn)行粘接，而避免耐候膠與飾面層的粘結(jié)。其主要原因是飾面層在長久暴露于水汽的過程中，會逐漸出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，所以當(dāng)耐候膠受到兩端基材的拉伸時(shí)，其對飾面層產(chǎn)生的作用力容易引起粘結(jié)失效問題。因此外墻保溫及飾面幕墻系統(tǒng)應(yīng)選用低模量的耐候膠產(chǎn)品，以減小耐候膠在隨接縫變形時(shí)對粘結(jié)界面產(chǎn)生的應(yīng)力[8]，從而起到保持良好粘結(jié)密封的作用，保障幕墻系統(tǒng)的長久密封。

此外，密封膠接縫變形不只是單一水平方向的拉伸或壓縮，在受到溫差、潮濕膨脹、荷載運(yùn)動（包括風(fēng)荷載運(yùn)動、地震運(yùn)動、活動荷載運(yùn)動等）、框架彈性變形等各種因素的作用下，密封膠接縫還會同時(shí)經(jīng)歷縱向或橫向延伸的組合位移[9]。在多種因素且復(fù)雜的接縫變形情況下，密封膠會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，尤其是在粘結(jié)界面的位置，形成局部應(yīng)力過大時(shí)容易造成局部的粘結(jié)破壞，導(dǎo)致密封失效。

國際常用硅酮密封膠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《彈性接縫密封膠的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（ASTM C920）的制定也有參考《接縫密封劑使用的標(biāo)準(zhǔn)指南》（ASTM C1193）的相關(guān)內(nèi)容，由此可見幕墻耐候密封膠在設(shè)計(jì)選用時(shí)仍需通過其粘結(jié)基材的類型來選擇合適模量的耐候膠產(chǎn)品。

3.低模量硅酮耐候密封膠應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 減少耐候膠粘結(jié)失效情況

引起耐候膠粘結(jié)破壞的原因通常有基材表面有影響粘結(jié)的物質(zhì)、劣質(zhì)密封膠變硬、密封膠強(qiáng)度高、環(huán)境因素（如潮濕、浸水）對粘結(jié)力的削弱等。從密封膠自身角度出發(fā)，使用高模量耐候膠在遇到接縫變形時(shí)，由于其內(nèi)應(yīng)力大，比較容易出現(xiàn)粘結(jié)破壞的情況（如圖1）。從施工角度出發(fā)，在接縫清潔不到位的情況下使用高模量耐候膠也會因其自身較大的內(nèi)應(yīng)力而容易出現(xiàn)不粘現(xiàn)象。對于以上情況，采用低模量耐候膠時(shí)，可以避免因內(nèi)應(yīng)力大引起密封膠開裂的情況，也可以降低變形時(shí)作用在粘結(jié)界面上的內(nèi)應(yīng)力，由不粘引起的漏水情況發(fā)生概率會降低。

圖1 密封膠粘結(jié)破壞

3.2 減少基材破壞情況

接縫基材破壞也同樣會導(dǎo)致密封失效的不良后果，尤其是當(dāng)高模量耐候膠應(yīng)用于表面強(qiáng)度低、表面涂層附著力差或表面強(qiáng)度老化快的材料時(shí)，基材被破壞的情況比較常見（見圖2）。因此對于疏松的水泥砂漿、蒸壓加氣混凝土板、飾面涂層保溫一體板等材料，使用低模量耐候膠進(jìn)行接縫密封的話，可以有效降低材料表面被剝離的概率。

圖2 基材破壞

3.3 提高耐候膠接縫密封耐久性

減少粘結(jié)失效情況，減少基材破壞情況，可以有效地提高耐候膠接縫的密封壽命。除此之外，模量對于密封膠本身的疲勞壽命也有著很大的影響。相關(guān)研究測試了硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的模量對其耐疲勞性能的影響，測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)密封膠模量降低25%，其疲勞循環(huán)壽命從14 萬次提高到25 萬次，壽命提升了78%[10]。因此，低模量耐候膠疲勞壽命的提升等同于提升了接縫的密封耐久性。

總的來說，低模量硅酮密封膠在承受接縫變形時(shí)，內(nèi)應(yīng)力更小，可以極大降低接縫發(fā)生基材破壞、粘結(jié)破壞、內(nèi)聚破壞的概率，極大增加密封膠的疲勞循環(huán)次數(shù)，提高接縫的密封壽命，保證幕墻接縫持久密封，是未來幕墻、門窗接縫密封膠的發(fā)展趨勢。

4.小結(jié)

模量對密封膠材料的內(nèi)應(yīng)力及其作用于粘結(jié)界面上的應(yīng)力有著非常大的關(guān)系，因此對于受到溫差、潮濕膨脹、荷載運(yùn)動（包括風(fēng)荷載運(yùn)動、地震運(yùn)動、活動荷載運(yùn)動等）、框架彈性變形等各種因素而引起的多種且復(fù)雜的接縫位移情況，低模量耐候密封膠可以憑借其內(nèi)應(yīng)力小的優(yōu)勢，降低接縫發(fā)生基材破壞、粘結(jié)破壞、內(nèi)聚破壞的概率。國際上的美國標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)和中國標(biāo)準(zhǔn)中都提及低模量密封膠的優(yōu)勢，對其應(yīng)用也作出了相應(yīng)的推薦。同時(shí)，低模量密封膠更多的疲勞循環(huán)次數(shù)能夠提高接縫的密封壽命，保證幕墻接縫的持久密封。低模量耐候密封膠在幕墻接縫密封應(yīng)用中具有非常突出的優(yōu)勢，建議用戶在接縫設(shè)計(jì)和產(chǎn)品選用時(shí)結(jié)合應(yīng)用情況優(yōu)先考慮低模量耐候密封膠。