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建築玻璃幕牆結(jié)構(gòu )粘接可靠性分析

文章出處：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2016-01-25 14:45【大中小】

二十多年來(lái)我國(guó)建築幕牆迅速發(fā)展，竣工面積已超過(guò)世界總量(近10億平米)的一半，在這一進(jìn)程中業(yè)界始終關(guān)注玻璃結(jié)構(gòu )的粘接可靠性，早期擔(dān)心膠粘玻璃墜落傷人，稱(chēng)為“城市空中定時(shí)炸彈”，近年憂慮結(jié)構(gòu )膠已超過(guò)十年質(zhì)量保證期的幕牆安全性。對(duì)安全可靠性的關(guān)注強(qiáng)化了幕牆結(jié)構(gòu )粘接材料市場(chǎng)管理，促進(jìn)相關(guān)規(guī)範標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和應(yīng)用技術(shù)的提高，推進(jìn)建築結(jié)構(gòu )粘接可靠性深入研究。

1矽酮結(jié)構(gòu )密封膠質(zhì)量保證基本狀況
　　
　　我國(guó)建築玻璃幕牆工程始於上世紀(jì)八十年代，設(shè)計(jì)施工技術(shù)及結(jié)構(gòu )粘接材料均由國(guó)外引進(jìn)，國(guó)家七五科技攻關(guān)項(xiàng)目“建築用室溫硫化矽酮密封膠研究”九十年代初通過(guò)化工部技術(shù)鑑定,1996年合資企業(yè)的矽酮結(jié)構(gòu )膠在個(gè)別工程應(yīng)用。國(guó)家關(guān)注建築幕牆用矽酮結(jié)構(gòu )膠，1996年國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo )批覆國(guó)家經(jīng)貿(mào)委等六部委發(fā)布專(zhuān)項(xiàng)通知，清理整頓玻璃幕牆用膠市場(chǎng)，對(duì)該材料的生產(chǎn)、使用、銷(xiāo)售和進(jìn)口實(shí)施行政許可審批制度，同期相繼發(fā)布實(shí)施JGJ102-1996《玻璃幕牆工程技術(shù)規(guī)範》、GB16776-1997《建築用矽酮結(jié)構(gòu )密封膠》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為玻璃幕牆工程質(zhì)量監(jiān)管提供技術(shù)依據(jù)。至2003年僅國(guó)家批准矽酮結(jié)構(gòu )膠生產(chǎn)企業(yè)5家和3個(gè)外企進(jìn)口產(chǎn)品，認(rèn)定條款要求企業(yè)建立完善的質(zhì)量保證體系，承擔(dān)幕牆粘接結(jié)構(gòu )設(shè)計(jì)和計(jì)算審核責(zé)任，承擔(dān)指導(dǎo )粘接施工技術(shù)的責(zé)任，企業(yè)對(duì)接受技術(shù)指導(dǎo )的工程承擔(dān)為期十年的質(zhì)量擔(dān)保，這些做法對(duì)結(jié)構(gòu )膠產(chǎn)品和粘接應(yīng)用質(zhì)量保證具有重要作用。2002年國(guó)務(wù)院取消了建築用矽酮結(jié)構(gòu )密封膠的行政審批後生產(chǎn)企業(yè)迅速增多，但這種做法在業(yè)內(nèi)已成為常態(tài)。目前我國(guó)近百家企業(yè)建築密封膠產(chǎn)能超過(guò)百萬(wàn)噸，其中矽酮型密封膠用量約70萬(wàn)噸，成為生產(chǎn)和應(yīng)用量最大的國(guó)家,其中不少規(guī)模在5萬(wàn)噸以上的科技型企業(yè)實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，接受國(guó)家認(rèn)監(jiān)委批准的認(rèn)證機(jī)構(gòu )擔(dān)保產(chǎn)品質(zhì)量一致性，個(gè)別產(chǎn)品已通過(guò)歐洲CE認(rèn)證，成為幕牆工程建設(shè)的主要供應(yīng)商，為工程粘接結(jié)構(gòu )質(zhì)量提供有效的保障。
　　
　　2地震颱風(fēng)災害考驗(yàn)玻璃幕牆粘接結(jié)構(gòu )可靠性
　　
　　我國(guó)既有建築玻璃幕牆經(jīng)受了強(qiáng)地震和強(qiáng)颱風(fēng)災害的多次襲擊，粘接結(jié)構(gòu )經(jīng)受了考驗(yàn)。2008年汶川地震調(diào)查表明玻璃幕牆抗震位移耐受性能遠(yuǎn)大於固定窗，2010年玉樹地震災害中建築磚牆、固定窗、面磚發(fā)生明顯震害而同一建築的幕牆卻完好無(wú)損。地震中的表現(xiàn)充分反映了這一規(guī)律：只要主體結(jié)構(gòu )不倒塌，按照規(guī)範設(shè)計(jì)施工的幕牆在地震中將保持完好，如圖1、圖2。玻璃幕牆粘接結(jié)構(gòu )還經(jīng)受了超強(qiáng)颱風(fēng)災害考驗(yàn)，狂風(fēng)襲擊下玻璃面板全部破裂但邊部仍粘結(jié)在框架上，如圖3。這種情況在幕牆鋼化玻璃自爆碎裂病害中也常見(jiàn)到。二十多年來(lái)未見(jiàn)規(guī)範設(shè)計(jì)施工的幕牆由於結(jié)構(gòu )粘接引起玻璃墜落的報(bào)導(dǎo )。結(jié)構(gòu )膠的良好表現(xiàn)基礎(chǔ)是矽橡膠聚合物獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu )、優(yōu)異性能和建築玻璃幕牆規(guī)範規(guī)定的設(shè)計(jì)冗餘。
　　
　　3矽酮密封膠特性和設(shè)計(jì)冗餘是結(jié)構(gòu )粘接可靠性基礎(chǔ)
　　
　　3.1矽酮密封膠的耐老化特性
　　
　　以聚矽氧烷為基礎(chǔ)的矽酮密封膠主鏈由矽和氧原子交替構(gòu )成，SI-O鍵能(443.5KJ/MOL)高於C-C鍵(355KJ/MOL)，分子構(gòu )型螺旋形和較小分子間力以及螺旋外的甲基可自由旋轉(zhuǎn)，使矽橡膠表面具有獨(dú)特的憎水性、表面防粘性、良好回彈性和優(yōu)於其他橡膠的耐熱性、耐寒性、耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性。

3.2幕牆玻璃結(jié)構(gòu )粘接設(shè)計(jì)冗餘度
　　
　　隱框幕牆玻璃面板同金屬框架連接完全依靠結(jié)構(gòu )膠粘結(jié)，交聯(lián)固化的彈性粘結(jié)體如同連續(xù)彈簧將玻璃“懸掛”成建築外立面，如圖4，這種應(yīng)用起始於1978年，美國(guó)首先用聚硫密封膠粘接幕牆玻璃，相繼發(fā)展了矽酮結(jié)構(gòu )密封膠粘接。這種技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)機(jī)械連接成熟。建築規(guī)範考慮業(yè)主及行人的風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)老化及粘接性衰減、工程中未預見(jiàn)及未控制的因素和幕牆玻璃墜落的危險(xiǎn)，要求工程採用高冗餘設(shè)計(jì)。
　　
　　我國(guó)矽酮結(jié)構(gòu )密封膠國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品強(qiáng)度≥0.6MPa、延伸率≥100%，而建築規(guī)範要求荷載作用下結(jié)構(gòu )粘接和材料模量參數(shù)選擇，必須保證結(jié)構(gòu )膠應(yīng)力不大於0.14MPa,限定結(jié)構(gòu )膠的位移不大於0.14MPa對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率，保證極限承載力狀態(tài)的設(shè)計(jì)係數(shù)大於4.3。目前企業(yè)產(chǎn)品性能均高於標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖5典型產(chǎn)品試驗(yàn)曲線(xiàn )，保證荷載下結(jié)構(gòu )膠受力變形始終處於初始彈性階段。
　　
　　幕牆工程設(shè)計(jì)中實(shí)際採用結(jié)構(gòu )膠的應(yīng)力水平更低，如某建築幕牆玻璃按規(guī)範驗(yàn)算粘接寬度Cs1,≥10.7mm，而設(shè)計(jì)取值為12mm，工程結(jié)構(gòu )膠在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載下最大應(yīng)力值實(shí)際為0.125MPa，這種常見(jiàn)的處理方式為我國(guó)幕牆結(jié)構(gòu )粘接承載能力提供更高冗餘度。
　　
　　4粘接失效是玻璃幕牆結(jié)構(gòu )粘接不確定因素
　　
　　粘接依賴界面物理吸附、化學(xué)鍵生成及機(jī)械咬合實(shí)現(xiàn)連接，粘接界面力學(xué)特性不連續(xù)，被粘玻璃、金屬為理想彈性體，密封膠為粘彈性體，接頭受拉位移伸長(zhǎng)時(shí)粘接體界面被約束不變形，界面層外緣受拉伸同時(shí)受剪切，集中應(yīng)力作用首先局部界面層剝離。破壞面可能看不到膠層痕跡，但顯微鏡下可見(jiàn)殘膠，有時(shí)在電子能譜儀下檢查可見(jiàn)殘留的粘接材料分子層，表明破壞實(shí)際發(fā)生在界面層。界面層由被粘表面層、粘接咬合面、受影響粘接層和粘接材料多層結(jié)構(gòu )組成(圖6)，被粘材料表面性質(zhì)及狀態(tài)、塗膠缺陷、氣泡、裂隙、使用形式和應(yīng)力水平、低溫、高溫、紫外線(xiàn )輻照、鹽霧、溼熱、熱衝擊、介質(zhì)腐蝕等因素，均會(huì)影響粘接界面穩(wěn)定性。試驗(yàn)表明幾種高性能矽酮結(jié)構(gòu )膠粘接穩(wěn)定，但在水-紫外線(xiàn )及鹽霧加速老化條件下仍有脫膠(表3);在陽極氧化、氟碳噴塗、無(wú)底漆粉末噴塗和有底漆粉末塗層四種表面上粘接，多種品牌結(jié)構(gòu )膠剝離試件經(jīng)55℃溼熱2000小時(shí)加速老化後，A膠、C膠在氟碳塗層表面脫膠，B膠僅在陽極化表面脫膠，D膠僅對(duì)氟碳塗層粘接穩(wěn)定，對(duì)其他表面均產(chǎn)生脫膠，可見(jiàn)脫膠的離散性和隨機(jī)性。

玻璃-金屬框架結(jié)構(gòu )變位和溫差位移產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu )膠的拉力，熱脹冷縮的位移量每天有峰值，每年有幾個(gè)極大值，循環(huán)應(yīng)力幅度取決於結(jié)構(gòu )膠剛度模量和膠層厚度，通過(guò)6個(gè)模量不同結(jié)構(gòu )膠粘結(jié)拉伸疲勞試驗(yàn),結(jié)果表明，應(yīng)力幅度水平0.14MPa時(shí)粘結(jié)失效循環(huán)次數(shù)平均為50.2萬(wàn)次，應(yīng)力水平分別為0.19MPa、0.21MPa和0.28MPa時(shí),粘接失效循環(huán)次數(shù)分別為7.3萬(wàn)次(14%)、6.2萬(wàn)次(12%)和3.1萬(wàn)次(6%)。這種循環(huán)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象也會(huì)在幕牆粘結(jié)結(jié)構(gòu )中發(fā)生。
　　
　　脫膠是粘接界面變化的結(jié)果，發(fā)生和發(fā)展不僅涉及材料性能，還涉及工藝和使用性能，涉及力學(xué)、界面學(xué)和表面物理化學(xué)。研究表明金屬、玻璃、陶瓷等極性表面有利於粘結(jié)，但水也容易沿親水界面侵蝕粘結(jié)層，試驗(yàn)證明水分子沿玻璃界面滲透的速度要比滲透粘接體快450倍，常用來(lái)處理玻璃或作為被粘表面底膠的矽烷偶聯(lián)劑是最易滲透水的已知聚合物，有人估算水沿界面通過(guò)矽烷偶聯(lián)劑底膠滲透的速度是通過(guò)粘接體滲透的20000倍，且不論其數(shù)據(jù)精確性，已足見(jiàn)沿界面滲透對(duì)粘接接頭的影響。由於多因素影響及作用機(jī)理的複雜性，粘接界面脫粘現(xiàn)象具有隱蔽性和偶發(fā)性，難以通過(guò)表面觀(guān)測(cè)，也難以被局部抽樣的粘接剝離或拉脫檢驗(yàn)捕捉，成為潛在的影響建築安全的不確定因素。
　　
　　5幕牆粘接可靠性試驗(yàn)方法
　　
　　目前對(duì)幕牆現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu )膠可靠性測(cè)試方法研究，包括對(duì)結(jié)構(gòu )膠物理力學(xué)性能關(guān)鍵技術(shù)研究，振動(dòng)頻率變化識別結(jié)構(gòu )膠老化程度檢測(cè)方法研究，現(xiàn)場(chǎng)切割拉拔檢測(cè)結(jié)構(gòu )膠粘結(jié)強(qiáng)度的方法研究，超聲波檢測(cè)法、X-射線(xiàn )檢測(cè)法和紅外線(xiàn )檢測(cè)法等無(wú)損檢測(cè)的探討等，這些研究為既有幕牆結(jié)構(gòu )膠老化進(jìn)程提供了重要信息。建築可靠性規(guī)範要求可靠性試驗(yàn)應(yīng)直接測(cè)定構(gòu )件粘接的承載能力，在該能力衰變趨近極限狀態(tài)前提出預警，這就要求可靠性試驗(yàn)只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用試驗(yàn)的效果數(shù)據(jù)綜合分析，提供可靠的有說(shuō)服力的技術(shù)依據(jù)，這也是公認(rèn)的檢驗(yàn)結(jié)構(gòu )粘接接頭可靠性的最好方法，這種方法顯然是既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)。
　　
　　目前可操作的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)方法主要有氣囊法、推桿法、多吸盤(pán)法等，原理是對(duì)幕牆施加模擬風(fēng)荷載的均勻壓力，測(cè)定設(shè)計(jì)風(fēng)壓下玻璃-框架間結(jié)構(gòu )膠的應(yīng)力和位移，判定其粘結(jié)承載能力水平，試驗(yàn)需要設(shè)立包括防護(hù)網(wǎng)在內(nèi)的安全防護(hù)措施，防止可能的玻璃破裂。目前研究更具操作性的方法是在幕牆粘接邊玻璃最大承載位置施加等效點(diǎn)荷載，將結(jié)構(gòu )膠承載能力與設(shè)計(jì)荷載視為粘結(jié)失效概率分布的隨機(jī)變量，通過(guò)有限元分析設(shè)定施加的等同於均勻設(shè)計(jì)荷載的點(diǎn)荷載，採用簡(jiǎn)單的試驗(yàn)程序和點(diǎn)載荷裝置，測(cè)定設(shè)計(jì)荷載下結(jié)構(gòu )膠的應(yīng)力、位移及粘接失效頻度，統(tǒng)計(jì)粘結(jié)失效概率分布，將組件粘接失效概率≤0.8%作為玻璃幕牆可靠性標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估粘接可靠性。ASTMC1392《密封膠粘接裝配結(jié)構(gòu )失效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)指南》採用同樣的加載裝置，由資深專(zhuān)家規(guī)定荷載值、加載位置、數(shù)量和人為切割結(jié)構(gòu )密封膠模擬粘接失效的長(zhǎng)度，通過(guò)試驗(yàn)建立完好的及失效的結(jié)構(gòu )密封膠加載時(shí)位移量值間關(guān)係，利用荷載下結(jié)構(gòu )膠位移量和位置對(duì)結(jié)構(gòu )粘結(jié)失效做出評(píng)估。

　　儘管我國(guó)建築玻璃幕牆結(jié)構(gòu )粘接技術(shù)基礎(chǔ)良好，但服役時(shí)間畢竟多有超過(guò)二十年，迫切期望通過(guò)試驗(yàn)檢結(jié)膠承載能力並判定粘接失效，為幕牆可靠性鑑定提供依據(jù)。研究表明在幕牆使用中矽酮結(jié)構(gòu )密封膠呈現(xiàn)虎克彈性固體特性，可用表面錨固的連續(xù)線(xiàn )性彈性彈簧模擬，如同彈簧脫錨改變規(guī)格彈簧荷載-位移特性一樣，脫膠可通過(guò)幕牆粘接構(gòu )件結(jié)構(gòu )膠承載特性檢驗(yàn)並通過(guò)可參比的人為割膠(脫膠)長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果判定失效程度。建議參考ASTMC1392指南研製局部加載精密測(cè)量試驗(yàn)裝置，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大樣本試驗(yàn)探明結(jié)構(gòu )膠粘接承載特性規(guī)律，通過(guò)位移特性細(xì)微變化研究脫膠及粘接失效程度的關(guān)係，為建立幕牆玻璃結(jié)構(gòu )粘接可靠性試驗(yàn)方法提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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