基于動測法的隱框玻璃幕墻硅酮結構膠粘結強度檢測方法*

何京波，余忠輝

（深圳市房屋安全和工程質(zhì)量檢測鑒定中心，廣東深圳 518051）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，大量高層建筑拔地而起，隱框玻璃幕墻以其獨特的藝術表現(xiàn)力在高層建筑中廣泛應用［1］。硅酮結構膠將幕墻副框和玻璃面板粘結起來，起到傳遞荷載的作用，結構膠的老化是隱框玻璃幕墻出現(xiàn)安全問題的重要原因。國家和地方頒布了一系列的檢測和評價標準，這些標準對促進幕墻安全的檢測評價起到了規(guī)范和指導作用［2-3］。但現(xiàn)有的隱框玻璃幕墻結構膠粘結性能檢測，是在被測隱框玻璃幕墻上割取一部分膠條，將膠條制成特定尺寸的試件后在實驗室進行粘結性能測試［4-5］。這種有損的方法檢測完成后還需要對被測幕墻的損傷進行修復，不能高效地用于大量幕墻的結構膠粘結性能的檢測。

針對現(xiàn)有隱框玻璃幕墻結構膠檢測方法對幕墻造成損傷、檢測效率低、檢測成本高等問題，本文提出基于動測法的隱框玻璃幕墻結構膠粘結性能檢測方法，該方法通過建立隱框玻璃幕墻面板的動力性能與結構膠粘結性能的量化關系，在測試幕墻玻璃面板動力特性的基礎上，即可評價結構膠的粘結性能。

1 檢測方法

玻璃面板通過結構膠與幕墻鋁合金副框連接起來，在副框和結構膠的約束下玻璃面板的自振頻率呈現(xiàn)其固有屬性。隨著結構膠的老化，結構膠的粘結性能逐漸降低，玻璃面板的振動特性隨著結構膠約束條件而發(fā)生改變。因此，可通過測試玻璃面板的振動頻率評價結構膠的粘結性能。如圖1所示，基于動測法的隱框玻璃幕墻結構膠粘結性能檢測方法主要包括如下步驟：（1）同老化條件下隱框玻璃幕墻單元玻璃面板自振頻率與結構膠工字型試件拉伸粘結性能測試；（2）結構膠工字型試件拉伸粘結性與玻璃面板自振頻率關系的建立；（3）被測隱框玻璃幕墻自振頻率檢測；（4）被測隱框玻璃幕墻結構膠粘結性能計算。

圖1 隱框玻璃幕墻結構膠粘結性能檢測流程圖Fig. 1 Flow chart of the dynamic testing method to measure adhesive strength of structural silicone sealant

（1）玻璃面板自振頻率與工字型試件拉伸粘結性能測試

將隱框玻璃幕墻單元試件與同時刻注膠的工字型試件置于相同的老化環(huán)境中，使隱框玻璃幕墻單元試件與工字型試件結構膠的老化速率和程度保持一致。在不同的老化時間，分別測試隱框玻璃幕墻單元試件玻璃面板的自振頻率和工字型試件的拉伸粘結強度。

（2）工字型試件拉伸粘結性與面板自振頻率關系的建立

通過測試不同老化時間下隱框玻璃幕墻單元試件玻璃面板自振頻率和工字型試件拉伸粘結性能，可得到玻璃面板自振頻率隨老化時間的變化，以及工字型試件拉伸粘結強度隨老化時間的變化。進一步采用多元線性回歸的方法建立工字型試件拉伸粘結強度與玻璃面板自振頻率的量化關系。

式(1)中：σ 為工字型試件拉伸粘結強度，單位為MPa；a1、a2、...、ai、b為多元線性回歸參數(shù)，ai單位為MPa/Hz，b單位為MPa；f1、f2、...fi為玻璃面板的第1階、第2階、…、第i階自振頻率，單位為Hz。（3）被測隱框玻璃幕墻自振頻率檢測

將加速度傳感器布置于被測隱框玻璃幕墻面板上，測試隱框玻璃幕墻玻璃面板的自振頻率，提取其前i階自振頻率。需要注意的是，被測隱框玻璃幕墻尺寸和自振頻率的階數(shù)與步驟（1）中的一致。

（4）被測隱框玻璃幕墻結構膠粘結性能計算

將被測隱框玻璃幕墻自振頻率代入式（1）中，即可得到被測隱框玻璃幕墻結構膠的拉伸粘結強度。

從式（1）可以看出，結構膠拉伸粘結強度與玻璃面板自振頻率的量化關系與老化環(huán)境和老化時間無關，隱框玻璃幕墻玻璃面板自振頻率發(fā)生變化的本質(zhì)原因是結構膠對玻璃面板約束的改變。隱框玻璃幕墻結構膠老化是結構膠粘結性能由“完好”到“逐漸失效”的過程，但結構膠難以達到“完全失效”。為了得到結構膠拉伸粘結強度從“完好”到“完全失效”全過程下玻璃面板的振動頻率，基于“逆向試驗正向驗證”的思路，測試隱框玻璃幕墻和工字型試件從結構膠注膠到養(yǎng)護完成時間內(nèi)的振動頻率和拉伸粘結強度。

2 試件與設備

2.1 試件制作

（1）結構膠類型：建筑幕墻用單組分硅酮密封膠。

（2）工字型試件：制作120個工字型試件，每次測試3個。

（3）幕墻面板試件：制作一塊1.2m×1.2m的隱框玻璃幕墻。

（4）養(yǎng)護條件：所有試件統(tǒng)一在標準環(huán)境溫度(23±2)℃、相對濕度(50±5)%的條件下進行養(yǎng)護。

（5）其他：工字型試件與隱框玻璃幕墻注膠時間相同。

2.2 測試設備

（1）隱框玻璃幕墻玻璃面板自振頻率測試

采用敲擊法測試隱框玻璃幕墻單元試件玻璃面板的自振頻率。該方法原理如圖2所示，將隱框玻璃幕墻固定于兩個剛度足夠大的立柱上，在玻璃面板上固定若干加速度傳感器，采用力錘敲擊玻璃面板，玻璃面板振動信號被加速度傳感器拾取后傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析后即可得到玻璃面板的自振頻率。本次試驗采用的傳感器為1A102E型通用壓電式加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集和分析設備為DH5938便攜式動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，力錘為LC02型力錘。

圖2 敲擊法測試隱框玻璃幕墻單元試件玻璃面板自振頻率示意圖Fig. 2 Schematic diagram of hammering method to measure the natural vibration frequency of the glass panel

（2）工字型試件拉伸粘結性能測試

制備一定數(shù)量的工字型拉伸粘結強度試件，試件基材采用一面清潔的浮法玻璃，另一面為陽極氧化鋁板。工字型試件如圖3所示，其中1和2為基材，3為硅酮結構膠，圖中尺寸標注單位是mm。采用深圳萬測試驗設備有限公司生產(chǎn)的CMT4503微機控制電子萬能材料試驗機測試工字型試件的拉伸粘結強度。

圖3 工字型試件Fig. 3 I-shaped sample

3 試驗結果

（1）隱框玻璃幕墻單元試件玻璃面板自振頻率隨結構膠養(yǎng)護時間變化

按圖2所示連接傳感器和測試設備，每隔若干小時測試一次玻璃面板的振動信號，采用傅里葉分析方法將玻璃面板振動時域信號轉化為頻域信號，提取玻璃面板的前二階自振頻率。玻璃面板一階和二階自振頻率隨結構膠養(yǎng)護時間變化如圖4和圖5所示。

圖4 玻璃面板一階自振頻率隨結構膠養(yǎng)護時間變化Fig. 4 The first-order vibration frequency of glass panel changes with curing time of structural adhesive

圖5 玻璃面板二階自振頻率隨結構膠養(yǎng)護時間變化Fig. 5 The second-order vibration frequency of glass panel changes with curing time of structural adhesive

（2）工字型試件拉伸粘結性能隨結構膠養(yǎng)護時間變化

測試工字型試件的最大拉伸強度，每組測試3個，以3個測試的平均值作為該組的測試結果，工字型試件拉伸粘結性隨結構膠養(yǎng)護時間變化如圖6所示。

圖6 工字型試件拉伸粘結性隨結構膠養(yǎng)護時間變化Fig. 6 The adhesive strength of I-shaped specimen changes with curing time of structural adhesive

4 結果與討論

從圖4~圖6可以看出，玻璃面板自振頻率和工字型試件拉伸粘結性隨結構膠養(yǎng)護時間的增加逐漸變大并趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象與結構膠的固化有關，隨著結構膠養(yǎng)護時間的增加，工字型試件采用的單組分結構膠由表及里逐漸固化，結構膠的強度逐漸增長，達到一定齡期后停止增長；同時，隱框玻璃幕墻副框與玻璃面板之間的結構膠也在逐漸固化，結構膠對玻璃面板的約束作用逐漸增強，因此玻璃面板的自振頻率也在逐漸增大。

分析圖4~圖6中的數(shù)據(jù)，玻璃面板自振頻率和工字型試件拉伸粘結強度隨齡期呈增長的規(guī)律，其中，工字型試件拉伸粘結強度、玻璃面板一階自振頻率、玻璃面板二階自振頻率與養(yǎng)護時間的線性擬合度分別為0.95、0.76和0.77，表明工字型試件拉伸粘結強度與養(yǎng)護時間呈現(xiàn)良好的線性相關性，玻璃面板一階和二階自振頻率隨結構膠約束的增強而線性增大。

進一步，采用多元線性回歸的方法，以工字型試件拉伸粘結強度為因變量，以玻璃面板的一階和二階自振頻率為自變量，可以得到工字型試件拉伸粘結性與面板自振頻率的定量關系：

從式(2)可以看出，工字型試件拉伸粘結性與玻璃面板自振頻率線性相關性良好，其中，玻璃面板一階頻率1Hz將引起結構膠0.181MPa強度的改變，玻璃面板二階頻率1Hz將引起結構膠0.151MPa強度的改變。這一結果表明，可以采用幕墻玻璃面板的自振頻率表征結構膠的粘結強度。

5 結論

本文試驗研究隱框玻璃幕墻面板自振頻率與工字型試件結構膠強度隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律，建立了隱框玻璃幕墻結構膠粘結強度與玻璃面板自振頻率的量化關系，在測試實際工程幕墻玻璃面板自振頻率的基礎上，可得到結構膠的粘結強度。

（1）提出了基于動測法的隱框玻璃幕墻結構膠粘結強度檢測方法，給出了隱框玻璃幕墻結構膠粘結強度檢測的步驟。

（2）試驗研究了隱框玻璃幕墻面板自振頻率與工字型試件結構膠強度隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工字型試件拉伸粘結強度與養(yǎng)護時間呈現(xiàn)良好的線性相關性，玻璃面板一階和二階自振頻率隨結構膠約束的增強而線性增大。

（3）采用多元線性回歸的方法建立了隱框玻璃幕墻結構膠拉伸粘結強度與面板前二階自振頻率的定量關系，明確了可以采用幕墻玻璃面板的自振頻率表征結構膠的粘結強度。