中空玻璃密封間隔材料剪切模量測試方法

張喜德， 蒙芷萩， 應(yīng)敬偉

(1. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004; 2. 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣西 南寧 530004;3. 廣西工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，廣西 南寧 530004)

0 引 言

中空玻璃是典型的節(jié)能玻璃，由兩片玻璃和周邊密封間隔材料組成，密封間隔材料使兩塊玻璃之間形成空腔，內(nèi)充氣體，通過氣體達(dá)到隔熱節(jié)能的目的，在綠色節(jié)能建筑中被廣泛使用。

中空玻璃的密封間隔材料除了起到密封作用外，還能保持中空玻璃板結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，并參與中空玻璃板的結(jié)構(gòu)受力，是保證中空玻璃完成預(yù)定功能的關(guān)鍵部件，密封間隔材料的失效可視為中空玻璃使用功能的失效[1]。常用的密封間隔材料由多種材料組合而成，包括間隔條、硅酮結(jié)構(gòu)密封膠及丁基膠等，各種材料所起的作用各不相同，整體上是一種構(gòu)成復(fù)雜的復(fù)合材料。鐘志紅等[2]對影響中空玻璃壽命的因素進(jìn)行的分析表明，丁基膠對壽命影響占比較重，外道密封膠起輔助密封的作用；張曉通等[3]對硅酮結(jié)構(gòu)膠在隱框玻璃幕墻中的變形進(jìn)行過研究，結(jié)果顯示硅酮結(jié)構(gòu)膠會承擔(dān)部分主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形；王龍梅等[4]測試了幾種常用中空玻璃密封膠的拉伸黏結(jié)性能；丁蘇華等[5]對不同廠家生產(chǎn)的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠進(jìn)行了測試，對比其拉伸性能及耐久性能；Bert Van Lancker等[6]對硅酮結(jié)構(gòu)膠與玻璃-金屬之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究；Adam D Lee等[7]對硅酮結(jié)構(gòu)膠的楊氏模量進(jìn)行了測量；P.L. Rosendahl等[8]對硅酮結(jié)構(gòu)膠的斷裂性能進(jìn)行了試驗研究。從上述研究中可看出，基本是針對單一材料的研究，由于參與受力的是密封間隔材料的整體結(jié)構(gòu)，僅有單一材料性能并不能反映復(fù)合材料的整體性能，尚未發(fā)現(xiàn)對密封間隔材料整體性能的研究，我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及美國ASTM E1300-2016等國外標(biāo)準(zhǔn)中均沒有相關(guān)的試驗方法和試驗裝置。

近年來，在大型復(fù)雜曲面玻璃幕墻的施工中出現(xiàn)了一種新型方法，稱為冷彎成型法[9]，如南寧吳圩機(jī)場新建航站樓，這種方法會使中空玻璃上下兩片發(fā)生相對錯動，從而使密封間隔材料整體產(chǎn)生剪切變形，其剪切模量是影響冷彎玻璃設(shè)計與施工的關(guān)鍵參數(shù)[10]，由于我國現(xiàn)行規(guī)范沒有相關(guān)的試驗設(shè)備和方法，張喜德等[11]近期發(fā)明了一種新型的密封間隔材料試驗裝置，為推進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化[12]，進(jìn)一步檢驗這一裝置的實用性，本文利用這一裝置進(jìn)行試驗，以便得出更具體的試驗方法。

1 試驗裝置與測試方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置[11]主要由三塊帶凹槽的金屬板組成，其組裝完成后如圖1所示，為減輕自重的影響，中間的金屬板采用材質(zhì)較輕的鋁合金材料，試驗前，首先將玻璃切割成合適尺寸嵌入金屬板凹槽中，用環(huán)氧樹脂將玻璃與金屬板塊粘結(jié)牢固，然后按密封間隔材料施工工藝在兩側(cè)的兩片玻璃之間分別安裝好密封間隔材料，兩側(cè)對稱布置，使用底部螺栓調(diào)整板塊之間的距離，用游標(biāo)卡尺測量玻璃上下兩端間隙，相差不能大于±0.1 mm，同時左右兩側(cè)的間隙平均值相差不能大于±0.1 mm，安裝完成后固定底部螺母，為保證質(zhì)量，安裝密封間隔材料時應(yīng)在平整的平臺上進(jìn)行，并應(yīng)由有經(jīng)驗的人員安裝。在運輸過程中應(yīng)保持裝置的整體穩(wěn)定性，安裝完成后停放至膠體材料凝固達(dá)到強(qiáng)度要求后進(jìn)行試驗，具體放置時間對不同廠家生產(chǎn)的材料的要求有所不同。

圖1 試驗裝置示意圖

該試驗裝置可進(jìn)行沿密封間隔材料橫向和縱向兩個方向的剪切試驗，如圖2所示，當(dāng)進(jìn)行橫向剪切試驗時，按圖2(a)安裝密封間隔材料，當(dāng)進(jìn)行縱向剪切試驗時，按圖2(b)安裝密封間隔材料，圖中同時展示了密封間隔材料在試驗過程中的受力變形情況。

圖2 剪切變形示意圖

1.2 測試方法

待膠體材料強(qiáng)度達(dá)到要求后，將試驗裝置移到微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行試驗，現(xiàn)行規(guī)程一般規(guī)定試驗最大值應(yīng)在試驗機(jī)量程范圍的20%～80%，根據(jù)密封間隔材料剪切力的大小，試驗機(jī)最大量程不應(yīng)大于500 N，相對誤差不大于0.5%，分辨率1 N，試驗機(jī)應(yīng)具有同時記錄荷載和位移的功能，能繪制兩者關(guān)系曲線并實時顯示。試驗裝置應(yīng)準(zhǔn)確安裝于試驗機(jī)的壓板中心位置，并使裝置頂部承壓柱準(zhǔn)確對準(zhǔn)試驗機(jī)上壓板中心。采取連續(xù)加載方式，由于試驗加載速度對試驗結(jié)果有明顯影響，為保證試驗結(jié)果的一致性，應(yīng)統(tǒng)一加載速度，建議加載速度50～60 N/min。試驗時通過試驗機(jī)電腦自動記錄剪切荷載與位移的關(guān)系曲線，當(dāng)曲線發(fā)生明顯拐點時即停止試驗。

由于密封間隔材料采用的膠體材料是一種溫度依賴型材料，其剪切模量與溫度相關(guān)，在試驗時應(yīng)在一定溫度環(huán)境下進(jìn)行，應(yīng)與硅酮結(jié)構(gòu)膠或丁基膠單一材料試驗溫度一致，但對于中空玻璃來說，其工作環(huán)境變化較大，必要時應(yīng)進(jìn)行不同溫度環(huán)境的試驗。

2 試驗數(shù)據(jù)處理

通過試驗機(jī)的試驗直接得到的是密封間隔材料剪切荷載與位移的關(guān)系曲線，要得到剪切模量，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，密封間隔材料單位面積上的剪應(yīng)力可用下式表示：

式中：P——試驗機(jī)對試件施加的壓力，N；

A——密封間隔材料與玻璃的粘貼面積，簡稱粘貼面積，即為剪切受力面積， mm2。

密封間隔材料剪應(yīng)變可用下式表示：

式中：s——P作用下產(chǎn)生的剪切位移，mm；

c——密封間隔材料的厚度，即中空玻璃空腔厚度，取試驗裝置兩側(cè)玻璃間隙的平均值，mm。

密封間隔材料的剪切模量為剪應(yīng)力與剪應(yīng)變比值，可按下式進(jìn)行計算：

其中G為密封間隔材料剪切模量，N/ mm2。

式(3)得到的是任意荷載下的剪切模量，密封間隔材料是多種材料復(fù)合而成，不是線性材料，用系數(shù)k表示試驗所得剪切荷載-位移曲線的割線斜率，則由式(3)可得：

式中：k——剪切荷載與位移曲線的割線斜率， N/mm；

Pa——剪切荷載與位移的關(guān)系曲線拐點對應(yīng)的剪切荷載， N；

sa——剪切荷載與位移的關(guān)系曲線拐點對應(yīng)的剪切位移， mm；

a——剪切荷載與位移的關(guān)系曲線拐點。

當(dāng)非線性程度不大時，可用式(4)近似得到密封間隔材料剪切模量。

3 密封間隔材料的剪切模量測試

3.1 試驗設(shè)計與試驗過程

為探討中空玻璃板密封間隔材料的剪切模量特性，利用前面的試驗裝置和方法進(jìn)行試驗，分別設(shè)計縱向、橫向的密封間隔材料剪切試件各3組，厚度c值取為9，12，15 mm，前3組為橫向，后3組為縱向，橫向間隔材料的粘貼面積為140 mm×10 mm；縱向間隔材料的粘貼面積為70 mm×10 mm。每組試件3個，取3個試件平均值計算剪切模量，各組試件參數(shù)如表1所示。試驗使用的間隔條為中空玻璃常用的鋁隔條，膠體材料為硅酮結(jié)構(gòu)密封膠及丁基膠，由專業(yè)廠家按國家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)提供，考慮到試驗主要是驗證試驗方法，不再對各組合材料單獨進(jìn)行材性試驗。

表1 試件參數(shù)

試驗在WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，相對誤差不大于0.5%，分辨率1 N，試驗時設(shè)定量程為 500 N，試驗室溫度（25±2） ℃，加載速度50 N/min，試驗過程照片如圖3所示，其中圖3(b)為橫向間隔材料剪切過程，圖3(c)為縱向間隔材料剪切過程。

圖3 試驗過程

3.2 試驗結(jié)果與分析

每個試件試驗完成后可得到相應(yīng)的剪切荷載與位移的關(guān)系曲線及其數(shù)據(jù)文件，取同組3個試件數(shù)據(jù)平均后可繪制該組的剪切荷載與位移的關(guān)系曲線，如圖4為c=9 mm的關(guān)系曲線，圖4(a)為橫向，圖4(b)為縱向，其余各組曲線形態(tài)基本相同。

圖4 c=9 mm橫向與縱向間隔材料P-s曲線

從圖中可看到，隨著荷載的增加，荷載與剪切位移曲線的非線性程度不大，加載到一定程度時荷載-位移曲線開始出現(xiàn)拐點，在圖中標(biāo)為a點，將該點設(shè)為密封間隔材料剪切受力的極限狀態(tài)，每個試件由a點可以得到對應(yīng)的剪切荷載與位移，列于表2和表3。

表2 Pa試驗結(jié)果

表3 sa試驗結(jié)果

表中Pai和sai為對應(yīng)組各試件的試驗值，i=1，2，3，Pa和sa為平均值。各組的Pa值與同組各試件實測值相對差值δ為0.47%～1.73%，sa的是0.26%～3.29%，均不大于5%，試驗數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，說明采用該試驗裝置和試驗方法可以得到比較穩(wěn)定可靠的結(jié)果，在減少離散性方面，采用3個試件的平均值作為代表值也合適，為避免不同技術(shù)人員在試件制作工藝上的差異和偶然因素對試驗結(jié)果的影響，可參考其他材料的測試方法[13]，當(dāng)一組三個試件中有一個與中值相差達(dá)到一定指標(biāo)時（如15%），可將該試件數(shù)據(jù)剔除，取其余兩個試件數(shù)據(jù)平均值作為代表值，當(dāng)有兩個試件數(shù)據(jù)與中值相差超過規(guī)定指標(biāo)時，則該組試驗作廢。

3.3 剪切模量計算

按式(4)、(5)可計算各組的剪切模量G如表4所示，計算時Pa和sa按表2、表3的對應(yīng)數(shù)值采用，計算結(jié)果見表4，將縱、橫向各組的剪切模量G與密封間隔材料厚度c的關(guān)系繪制如圖5，可發(fā)現(xiàn)G與c呈線性下降關(guān)系。

表4 剪切模量G計算結(jié)果

圖5 G-c關(guān)系圖

4 結(jié)束語

1)密封中空玻璃間隔材料剪切試驗裝置力學(xué)原理明確，結(jié)構(gòu)簡單，試驗過程操作簡單，是一種簡單實用的試驗裝置。

2)同組各試件的剪切模量的試驗值相對差不大于5%，從試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來看，所提出的試件制作程序、技術(shù)指標(biāo)和測試方法比較合理，能夠合理測試中空玻璃密封間隔材料的剪切模量。

3)數(shù)據(jù)處理的原理明確，處理方法簡單。采用每組三個試件平均值作為剪切模量的代表值是比較合適的評定方法。

4)由于密封間隔材料采用的膠體材料是一種溫度依賴性材料，其剪切模量與溫度相關(guān)，在實驗室試驗時應(yīng)在規(guī)定環(huán)境溫度下進(jìn)行。