馬啟元（北京粘接學(xué)會(huì)，北京 100084）

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應(yīng)用技術(shù)

我國(guó)既有建筑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)粘接可靠性分析

馬啟元
（北京粘接學(xué)會(huì)，北京 100084）

摘要：建筑設(shè)計(jì)冗余、硅酮結(jié)構(gòu)密封膠高標(biāo)準(zhǔn)要求及應(yīng)用質(zhì)量控制為我國(guó)幕墻粘接結(jié)構(gòu)經(jīng)受強(qiáng)地震、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。粘接失效是影響幕墻安全的不確定因素，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位加載檢測(cè)統(tǒng)計(jì)粘接體系承載力的試驗(yàn)研究，建立檢出脫膠異常和失效程度判定的試驗(yàn)方法，為建筑幕墻可靠性鑒定提供試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻；結(jié)構(gòu)粘接；可靠性

20多年來(lái)我國(guó)建筑幕墻迅速發(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) 10年質(zhì)量保證期的幕墻安全性。對(duì)安全可靠性的關(guān)注強(qiáng)化了幕墻結(jié)構(gòu)粘接材料市場(chǎng)管理，促進(jìn)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和應(yīng)用技術(shù)的提高，推進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)粘接可靠性深入研究。本文擬對(duì)我國(guó)幕墻玻璃結(jié)構(gòu)粘接狀況、結(jié)構(gòu)膠粘接材料特性及粘接結(jié)構(gòu)的可靠性檢驗(yàn)進(jìn)行初步分析，供業(yè)界同仁參考。

1 硅酮結(jié)構(gòu)密封膠質(zhì)量保證基本狀況

我國(guó)建筑玻璃幕墻工程始于 20 世紀(jì) 80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“建筑用室溫硫化硅酮密封膠研究” 90年代初通過(guò)化工部技術(shù)鑒定［1］， 1996年合資企業(yè)的硅酮結(jié)構(gòu)膠在個(gè)別工程應(yīng)用。國(guó)家關(guān)注建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)膠， 1996年國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)批復(fù)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委等六部委發(fā)布專(zhuān)項(xiàng)通知，清理整頓玻璃幕墻用膠市場(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［2］，同期相繼發(fā)布實(shí)施 JGJ102—1996《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》、GB16776—1997《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為玻璃幕墻工程質(zhì)量監(jiān)管提供技術(shù)依據(jù)。至2003年 僅國(guó)家批準(zhǔn)硅酮結(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)幕墻粘接結(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10年的質(zhì)量擔(dān)保，這些做法對(duì)保證結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品和粘接應(yīng)用質(zhì)量具有重要作用。 2002年國(guó)務(wù)院取消了建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的行政審批后生產(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)建筑密封膠產(chǎn)能超過(guò)百萬(wàn)噸，其中硅酮型密封膠用量約 70萬(wàn)噸，成為生產(chǎn)和應(yīng)用量最大的國(guó)家［3］，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?chē)?guó)家認(rèn)監(jiān)委批準(zhǔn)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，成為幕墻工程建設(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 地震臺(tái)風(fēng)災(zāi)害考驗(yàn)玻璃幕墻粘接結(jié)構(gòu)可靠性

我國(guó)既有建筑玻璃幕墻經(jīng)受了強(qiáng)地震和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)災(zāi)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)查表明玻璃幕墻抗震位移耐受性能遠(yuǎn)大于固定窗， 2010年玉樹(shù)地震災(zāi)害中建筑磚墻、固定窗、面磚發(fā)生明顯震害而同一建筑的幕墻卻完好無(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)范設(shè)計(jì)施工的幕墻在地震中將保持完好［4，5］。玻璃幕墻粘接結(jié)構(gòu)還經(jīng)受了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害考驗(yàn)，狂風(fēng)襲擊下玻璃面板全部破裂但邊部仍粘接在框架上［6］。這種情況在幕墻鋼化玻璃自爆碎裂病害中也常見(jiàn)到。 20多年來(lái)未見(jiàn)規(guī)范設(shè)計(jì)施工的幕墻由于結(jié)構(gòu)粘接引起玻璃墜落的報(bào)道。結(jié)構(gòu)膠的良好表現(xiàn)基礎(chǔ)是硅橡膠聚合物獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)、優(yōu)異性能和建筑玻璃幕墻規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)冗余。

3 硅酮密封膠特性和設(shè)計(jì)冗余是結(jié)構(gòu)粘接可靠性基礎(chǔ)

3.1硅酮密封膠的耐老化特性

硅酮密封膠的基礎(chǔ)聚合物主鏈由氧硅鍵（Si- O） 構(gòu) 成 ， Si- O 鍵 能 （443.5 kJ/mol） 高于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)，使硅橡膠表面具有獨(dú)特的憎水性、表面防粘性、良好回彈性和優(yōu)于其他橡膠的耐熱性、耐寒性、耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性，如表 1所示。

表1　硅橡膠與有機(jī)橡膠性能比較［7］Tab.1　Performance comparison of silicone rubber and organic rubbers

道康寧公司在熱帶氣候標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)站將硅橡膠試片南向仰角 45°拉伸狀態(tài)曝曬，最初年份測(cè)試表明性能處于提升完善過(guò)程，經(jīng)歷 20 年總體樣本硬度提高 7%，強(qiáng)度下降31%，膠片微觀表面未見(jiàn)龜裂跡象［8］；白云公司對(duì)既有幕墻上硅酮結(jié)構(gòu)密封膠取樣，測(cè)定拉伸性能，并與同牌號(hào)產(chǎn)品相比較，結(jié)果強(qiáng)度升高 6.1 %，伸長(zhǎng)率僅下降 5.4%，表明結(jié)構(gòu)膠并未進(jìn)入性能衰變的老化過(guò)程，而是繼續(xù)交聯(lián)固化及模量提高的過(guò)程［9］，見(jiàn)表2。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠優(yōu)異的耐老化特性正是優(yōu)選用于建筑玻璃粘接結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

表2　既有幕墻硅酮結(jié)構(gòu)膠10年老化后與同牌號(hào)新膠性能對(duì)比Tab.2　Performance comparison before and after 10 years ageing for existing silicone sealant of glass curtain

3.2幕墻玻璃結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計(jì)冗余度

隱框幕墻玻璃面板同金屬框架連接完全依靠結(jié)構(gòu)膠粘接，交聯(lián)固化的彈性粘接體如同連續(xù)彈簧將玻璃“懸掛”成建筑外立面，見(jiàn)圖1，這種應(yīng)用起始于 1978年，美國(guó)首先用聚硫密封膠粘接幕墻玻璃，相繼發(fā)展了硅酮結(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。建筑規(guī)范考慮業(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(yù)見(jiàn)及未控制的因素和幕墻玻璃墜落的危險(xiǎn)，要求工程設(shè)計(jì)必須采用高冗余系數(shù)［10］。

圖1　幕墻玻璃粘接構(gòu)造示意圖Fig.1　Bonding structure of glass curtain

我國(guó)硅酮結(jié)構(gòu)密封膠國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品強(qiáng)度≥0.6MPa 、伸長(zhǎng)率≥ 100%，而建筑規(guī)范要求荷載作用下結(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)力不大于 0.14 MPa ，限定結(jié)構(gòu)膠的位移不大于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)系數(shù)大于 4.3。目前企業(yè)產(chǎn)品性能均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖 2典型產(chǎn)品試驗(yàn)曲線，保證荷載下結(jié)構(gòu)膠受力變形始終處于初始彈性階段。

圖2　硅酮結(jié)構(gòu)密封膠典型應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線Fig.2　Typical stress-strain curve of silicone structural sealant

幕墻工程設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)力水平更低，如某建筑幕墻玻璃按規(guī)范驗(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，這種處理方式在我國(guó)幕墻設(shè)計(jì)中常見(jiàn)，為結(jié)構(gòu)粘接承載能力提供更高的冗余。

4　粘接失效是玻璃幕墻結(jié)構(gòu)粘接不確定因素

粘接依賴(lài)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［11］（圖 3），被粘材料表面性質(zhì)及狀態(tài)、涂膠缺陷、氣泡、裂隙、使用形式和應(yīng)力水平、低溫、高溫、紫外線輻照、鹽霧、濕熱、熱沖擊、介質(zhì)腐蝕等因素，均會(huì)影響粘接界面穩(wěn)定性。試驗(yàn)表明幾種高性能硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接穩(wěn)定，但在水-紫外線及鹽霧加速老化條件下仍有脫膠［12］（表3）；在陽(yáng)極氧化、氟碳噴涂、無(wú)底漆粉末噴涂和有底漆粉末涂層 4種表面上粘接，多種品牌結(jié)構(gòu)膠剝離試件經(jīng) 55 ℃濕熱2000h 加速老化后，A膠 、C膠在氟碳涂層表面脫膠，B膠僅在陽(yáng)極化表面脫膠，D膠僅對(duì)氟碳涂層粘接穩(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［13］，見(jiàn)表4。

圖3　粘接界面多層結(jié)構(gòu)模型Fig.3　Multilayer structure model of bonding interface

表3　實(shí)驗(yàn)室老化試驗(yàn)中硅酮結(jié)構(gòu)膠的粘接脫膠Tab.3　Degumming of silicone sealant bonding in laboratory ageing test

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)力幅度取決于結(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)膠粘接拉伸疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)力幅度為 0.14MPa時(shí)，粘接失效循環(huán)次數(shù)平均為 50.2萬(wàn) 次（設(shè)為 100%），提高應(yīng)力水平后粘接失效循環(huán)次數(shù)迅速下降，依次應(yīng)力0.19MPa、0.21MPa和 0.28MPa對(duì)應(yīng)的循環(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%）。循環(huán)應(yīng)力作用下的這種應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)粘接中也會(huì)發(fā)生［14］。

表4　55 ℃/2 000 h濕熱試驗(yàn)后剝離試件脫膠面積/%Tab.4　Degumming area of peeled specimens after damp-heat test at 55℃ for 2 000 h

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于粘接，但水也容易沿親水界面侵蝕粘接層，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硅烷偶聯(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)硅烷偶聯(lián)劑底膠滲透的速度是通過(guò)粘接體滲透的20 000倍［11］。由于多因素影響及作用機(jī)理的復(fù)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，成為潛在的影響建筑安全的不確定因素。

5 幕墻粘接可靠性試驗(yàn)方法

目前對(duì)幕墻現(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［15， 16］，振動(dòng)頻率變化識(shí)別結(jié)構(gòu)膠老化程度檢測(cè)方法研究［17］，現(xiàn)場(chǎng)切割拉拔檢測(cè)結(jié)構(gòu)膠粘接強(qiáng)度的方法研究［18， 19］，超聲波檢測(cè)法、X-射線檢測(cè)法和紅外線檢測(cè)法等無(wú)損檢測(cè)的探討等［20］，這些研究為既有幕墻結(jié)構(gòu)膠老化進(jìn)程提供了重要信息。建筑可靠性規(guī)范要求可靠性試驗(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(yù)警［21］，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)［14］。

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)幕墻施加模擬風(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，判定其粘接承載能力水平，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［22］。利用幕墻結(jié)構(gòu)膠初始受力狀態(tài)呈現(xiàn)虎克彈性體的力學(xué)特性［23］， ASTMC1392《結(jié)構(gòu)密封膠粘接失效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)指南》提供一種等效點(diǎn)荷載加載試驗(yàn)法，在既有幕墻面板邊緣施加垂直玻璃的點(diǎn)荷載，拉伸結(jié)構(gòu)膠使之位移產(chǎn)生等效于均勻風(fēng)荷載作用的效應(yīng)，試驗(yàn)不直接測(cè)定加載下的結(jié)構(gòu)膠失效，而是測(cè)定并統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)膠位移量隨荷載增加而增大的線性關(guān)系，檢出位移量異常的粘接構(gòu)件，同時(shí)以人為割膠造成不同長(zhǎng)度粘接失效的參比樣本，標(biāo)定點(diǎn)荷載下不同脫膠（切割）長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)膠的位移量，為位移量異常構(gòu)件的粘接失效程度提供判據(jù)［24］。同均勻加載試驗(yàn)相比較，該試驗(yàn)較為經(jīng)濟(jì)安全，但該方法試驗(yàn)參數(shù)的選擇、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及試驗(yàn)的結(jié)果判定等均需交由資深專(zhuān)家決定，增加了試驗(yàn)的不確定性。

6 結(jié)語(yǔ)

盡管我國(guó)建筑玻璃幕墻結(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) 20年，迫切期望通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)膠承載能力并判定粘接失效的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，為幕墻可靠性鑒定提供依據(jù)。研究表明在幕墻使用中硅酮結(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)線性彈性彈簧模擬［23］，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)幕墻粘接構(gòu)件結(jié)構(gòu)膠承載特性檢驗(yàn)并通過(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指南研制局部加載精密測(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)系，為建立幕墻玻璃結(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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中圖分類(lèi)號(hào)：TQ437+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2016）03-0061-05

收稿日期：2015- 11- 23

作者簡(jiǎn)介：馬啟元，男，北京粘接學(xué)會(huì)顧問(wèn)，中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)幕墻工程委員會(huì)專(zhuān)家組成員，教授級(jí)高級(jí)工程師，享受?chē)?guó)務(wù)院津貼工程技術(shù)專(zhuān)家。E-mail：ma_qiy@ s ohu.com。

Reliability analysis of structural bonding of existing building glass curtain walls in our country

MA Qi-yuan
（Beijing adhesion society， Beijing 100084， China）

Abstract：The design redundancy， high standard requirements of the silicone structural sealant and application of the quality control in our curtain wall adhesive structure provide a solid foundation foe the tests subjected to the strong earthquake and powerful typhoon.The adhesive failure is an uncertain factor affecting the safety of curtain walls， the statistical experimental study of in-situ loading test on the bearing capacity of the adhesive system should be carried out and the test methods of degumming anomaly detection and failure degree determination should be established to provide the experimental bases for the reliability appraisal of building curtain wall.

Key words：glass curtain walls； structural bonding； reliability