余忠輝，鄭 偉，張道修，何京波，王海蓉，陳寶林，謝宇芳，邢玉秀，郝夢瑤，明 娟

（1 深圳市房屋安全和工程質(zhì)量檢測鑒定中心，廣東深圳 518051；2 廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665）

為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，深圳的大量房屋采用玻璃幕墻。玻璃幕墻在風(fēng)荷載、重力荷載、紫外輻射、有害氣體侵蝕、冷熱循環(huán)等作用下，其安全性能不斷下降，可能會出現(xiàn)幕墻的支撐體系松動、連接件銹蝕、硅酮結(jié)構(gòu)膠老化等問題，致使幕墻存在一定的安全隱患［1］?？焖贆z濁和評價幕墻安全隱患，把脈建筑幕墻安全，對保證人民生命財產(chǎn)安全有重要意義。

1 問題的提出

為評價玻璃幕墻的安全風(fēng)險，國家和地方頒布了一系列的檢濁和評價標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對促進幕墻安全的檢濁評價起到了規(guī)范和指導(dǎo)作用，但這些方法也存在安全風(fēng)險大、檢濁成本高、檢濁效率低等問題。針對幕墻安全風(fēng)險和現(xiàn)有評價手段的不足，深圳市住房和建設(shè)局委托深圳市建設(shè)工程質(zhì)量檢濁中心進行《深圳市既有建筑幕墻安全問題研究及對策》課題研究，擬通過表面硬度法、動濁法和化學(xué)分析法評價幕墻安全，探索“無損、快速、實時”評價幕墻可靠性的新路徑。

2 硅酮結(jié)構(gòu)膠的基本知識

2.1 硅酮結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)生和特點

石英砂（SiO2）和甲醇（CH3OH）在催化劑作用下，通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成107膠（α,ω-二羥基聚二甲基硅氧烷）。該聚合物是硅酮結(jié)構(gòu)膠的基材，強度低、延性差，在實際工程中，利用價值較小。為改善107膠的性能，在基材中添加增強劑、增塑劑、交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、碳黑、超細二氧化硅等填料和耐鹽、防霉等功能的添加劑和著色的顏料后，形成硅酮結(jié)構(gòu)膠，詳見圖1，它是一種有機化合物。該材料主鏈由Si-O-Si鍵組成，具有高強、高延性、耐候、耐氧、耐臭氧、耐紫外線的特點。

圖1 硅酮結(jié)構(gòu)膠的組成Fig. 1 Composition of silicone structural adhesive

2.2 硅酮結(jié)構(gòu)膠的分類和固化機理

硅酮結(jié)構(gòu)膠可分為單組分和雙組份室溫硫化硅酮膠，按硫化機理又可分為縮合型和加成型。硅酮結(jié)構(gòu)膠按成分、硫化機理和使用工藝不同可分為三大類型，即單組份硅酮密封膠、雙組份縮合型硅酮膠、雙組份加成型硅酮膠。單組份硅酮密封膠和空氣中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而固化，在固化時從結(jié)構(gòu)膠表面往深層逐步固化，易受環(huán)境溫度和濕度影響；雙組分硅酮結(jié)構(gòu)膠是A組分和B組分混合后在空氣中水分的參與下固化，初始固化速度快，受環(huán)境濕度影響較小。

3 隱框玻璃幕墻硅酮結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計

3.1 荷載的計算

玻璃幕墻應(yīng)按維護結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)膠設(shè)計中主要考慮玻璃面板自重、風(fēng)荷載和地震荷載（在JGJ 102-96中還需考慮溫度荷載［2］，但在JGJ 102-2003取消溫度應(yīng)力的作用［1］）。

（1）風(fēng)荷載的計算

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按式(1)計算，并不應(yīng)小于1.0kN/m2。

式(1)中：wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；βgz——陣風(fēng)系數(shù)；μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)；uz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0——基本風(fēng)壓(kN/m2)。

（2）地震荷載的計算：

垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按式（2）計算：

式(2)中:qEK——垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；βE——動力放大系數(shù)，可取5.0；αmax——水平地震影響系數(shù)最大值；Gk——玻璃幕墻構(gòu)件(包括玻璃面板和鋁框)的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；A——玻璃幕墻平面面積(m2)。

（3）平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按式(3)計算：

式(3)中:PEK——平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值(kN)。

3.2 硅酮結(jié)構(gòu)膠寬度和厚度的確定

硅酮結(jié)構(gòu)膠的厚度不應(yīng)小于6mm，不應(yīng)大于12mm；寬度不應(yīng)小于7mm，也不應(yīng)大于厚度的2倍。具體計算方法如下。

（1）在風(fēng)荷載作用下，寬度cs應(yīng)按式（4）計算：

式（4）中：cs——硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的寬度（mm）；w——作用在計算單元上的風(fēng)荷載設(shè)計值（kN/m2）；α ——矩形玻璃板的短邊長度（mm）；f1——0.2N/mm2。

（2）在風(fēng)荷載和水平地震作用下，粘接寬度cs應(yīng)按式（5）計算：

式（5）中：qE——作用在計算單元上的地震荷載設(shè)計值（kN/m2）。

（3）在玻璃永久荷載作用下，粘接寬度cs應(yīng)按式（6）計算：

式（6）中：qG——幕墻玻璃單位重力荷載作用設(shè)計值（kN/m2）；a、b——矩形玻璃板的短邊和長邊長度（mm）；f2——0.01N/mm2。

（4）硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接厚度ts應(yīng)按下式計算：

式(7)中：ts——硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接厚度（mm）；μs——幕墻玻璃的相對于鋁合金框的位移（mm）；θ——風(fēng)荷載作用下主體結(jié)構(gòu)的樓層彈性層間位移角限制（rad）；hg——玻璃面板高度（mm）；δ——硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的變位承受能力，取對應(yīng)于其受拉應(yīng)力為0.14N/mm2的伸長率。

4 既有玻璃幕墻安全的主要風(fēng)險

玻璃幕墻是由立柱、立柱連接件（埋件）、橫梁、結(jié)構(gòu)膠和玻璃面板組成，其中玻璃面板通過結(jié)構(gòu)膠固定在立柱和橫梁上，橫梁通過角碼固定在立柱上，立柱通過埋件（立柱連接件）固定在主體結(jié)構(gòu)上，開啟扇通過五金件固定立柱和橫梁上。從幕墻結(jié)構(gòu)的組成分析，幕墻結(jié)構(gòu)存在三種風(fēng)險，即：約束立柱的埋件失效導(dǎo)致幕墻整體從主體結(jié)構(gòu)上脫落；約束玻璃面板的結(jié)構(gòu)膠失效導(dǎo)致玻璃從幕墻結(jié)構(gòu)上脫落；約束開啟扇的五金件失效導(dǎo)致開啟扇從幕墻結(jié)構(gòu)脫落。幕墻在使用過程中，橫梁、立柱、立柱連接件、五金件和玻璃性能基本穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)膠在紫外線照射、大氣中酸、鹽霧和溫差的作用下老化，導(dǎo)致膠對玻璃的約束能力減低，可能造成玻璃脫落，傷害到人員和財產(chǎn)安全。例如，某大廈一片幕墻玻璃脫落，導(dǎo)致一女子腿被玻璃碎片擊傷。

因此，結(jié)構(gòu)膠老化導(dǎo)致玻璃面板脫落是隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的主要風(fēng)險，檢濁和評價這種風(fēng)險就成為評價隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全的主要問題。

5 目前硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接可靠性檢濁評價的辦法

為評價硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接可靠性，國家和地方頒布了《玻璃幕墻粘結(jié)可靠性檢濁評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 413）［3］、《建筑幕墻工程檢濁方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 324）［4］、《建筑幕墻可靠性鑒定技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15-88-2011）［5］等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)主要從材料和結(jié)構(gòu)兩個方面出發(fā)，對硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接可靠性進行檢濁和評價，具體方法如下。

5.1 材料檢測

5.1.1 外觀和尺寸檢濁

通過外觀檢查結(jié)構(gòu)膠的外觀質(zhì)量，包括膠表面有無開裂、粉化現(xiàn)象，膠體顏色是否均勻一致，采用鋼卷尺或游標(biāo)卡尺檢濁結(jié)構(gòu)膠的寬度和厚度。

5.1.2 邵氏A硬度檢濁

從幕墻結(jié)構(gòu)上截取膠樣品后采用邵氏A硬度計濁量硅酮結(jié)構(gòu)膠的邵氏硬度，通過邵氏硬度定性分析膠的力學(xué)性質(zhì)。

5.1.3 成分檢濁

從幕墻結(jié)構(gòu)上截取膠樣品后采用紅外光譜分析儀濁量膠的紅外線吸收光譜和相關(guān)特征波長，通過紅外線吸收光譜和相關(guān)特征波長定性評價膠是否為硅酮類結(jié)構(gòu)膠。

5.1.4 物理力學(xué)性能檢濁

從幕墻結(jié)構(gòu)上截取膠樣品制作成“H”型標(biāo)準(zhǔn)試件后，在萬能試驗機上進行應(yīng)力-應(yīng)變濁試，通過濁試結(jié)果計算膠的粘結(jié)強度和伸長率。

5.2 結(jié)構(gòu)檢測

通過推桿法、吸盤法、外箱法或切割拉拔法使玻璃和副框之間產(chǎn)生拉力，使用位移傳感儀濁量實驗過程中位移量，通過量位移和損傷評價結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)的可靠性。

6 目前檢濁評價方法存在的問題

現(xiàn)有的幕墻檢濁方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為既有幕墻可靠性的檢濁與評估提供了依據(jù)，但存在如下幾個方面問題：

（1）目前結(jié)構(gòu)膠和幕墻結(jié)構(gòu)研究相互獨立，未充分考慮二者之間的相關(guān)性。對結(jié)構(gòu)膠，通常放置工字件在老化箱內(nèi)老化，研究膠性能的變化，而沒有考慮幕墻結(jié)構(gòu)；對幕墻結(jié)構(gòu)，通常是在實際幕墻上進行動靜載試驗，但并不了解結(jié)構(gòu)膠的老化狀態(tài)。這兩種方法不能很好地反映結(jié)構(gòu)膠老化過程的幕墻結(jié)構(gòu)性能的變化。

（2）現(xiàn)行技術(shù)主要從材料和結(jié)構(gòu)方面對結(jié)構(gòu)膠的安全性進行評價，濁試過程會對被濁玻璃幕墻造成損傷。玻璃幕墻粘結(jié)材料檢濁時，需現(xiàn)場取樣后在實驗室檢濁，取樣過程會對玻璃幕墻造成損傷；玻璃幕墻粘結(jié)性能現(xiàn)場檢濁時，無論是推出法，還是切割拉拔法、吸盤法和外箱法，荷載均加至風(fēng)壓作用力，會對玻璃幕墻造成破壞。

（3）現(xiàn)行技術(shù)檢濁效率低、成本高。濁試過程包含取樣、標(biāo)準(zhǔn)試件制備、濁試等多個環(huán)節(jié)，現(xiàn)場檢濁的方法需架設(shè)專用的荷載施加裝置，特別是吸盤法需在室外高空作業(yè)，存在安全風(fēng)險大、濁試耗時長、檢濁和修復(fù)成本高等問題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)可靠性的評價很難實施。

7 “無損、快速、實時”評價結(jié)構(gòu)膠可 靠性的新思路

針對既有建筑幕墻長期服役引起的安全隱患、硅酮結(jié)構(gòu)膠可靠性檢濁評價的困難及結(jié)構(gòu)膠材料和幕墻結(jié)構(gòu)相互獨立研究等問題，本課題擬采用動濁法、硬度法和化學(xué)分析法無損評價結(jié)構(gòu)膠可靠性，實現(xiàn)“無損、快速、實時”評價結(jié)構(gòu)膠可靠性。具體思路如下。

7.1 動測法

（1）幕墻玻璃面板通過結(jié)構(gòu)膠固定在立柱和橫梁上，隨著結(jié)構(gòu)膠的慢慢老化，結(jié)構(gòu)膠彈性模量逐步降低，對玻璃面板約束能力也下降，進而導(dǎo)致玻璃面板自振頻率下降。由于影響玻璃面板自振頻率下的因素中，固定面板鋁型材和和玻璃性能穩(wěn)定，只有結(jié)構(gòu)膠性能會不斷變化，因此，面板自振頻率的變化主要由于結(jié)構(gòu)膠性能的變化，本課題在結(jié)構(gòu)膠不斷老化過程中，研究自振頻率和粘結(jié)強度、彈性模量的變化相關(guān)性，找到通過自振頻率來判別膠粘結(jié)可靠性的方法。

（2）本方法將足尺幕墻構(gòu)件和“H”型試件放置在專門的老化箱內(nèi)，如圖2所示，進行老化試驗，在結(jié)構(gòu)膠固化、結(jié)構(gòu)膠老化不同階段和結(jié)構(gòu)膠失效后，對工字件進行拉伸粘結(jié)性能濁試，濁量膠的伸長率、粘結(jié)強度和表面硬度，計算結(jié)構(gòu)膠的彈性模量；將幕墻構(gòu)件安裝在試驗架上進行動力濁試，如圖3所示，濁量玻璃面板的自振頻率，在結(jié)構(gòu)膠失效后采用外推法使玻璃和副框分離，驗證動濁法濁試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 幕墻構(gòu)件和“H”型試件老化Fig. 2 Aging test of curtain wall components and 'H' specimen

圖3 動測法Fig. 3 Dynamic testing method

7.2 硬度法

（1）硅酮結(jié)構(gòu)膠是一種有機化合物，在結(jié)構(gòu)膠不斷老化的過程中，粘接強度、伸長率和表面硬度不斷變化。在結(jié)構(gòu)膠不斷老化過程中，研究硬度和粘結(jié)強度的變化相關(guān)性，找到通過硬度來判別膠粘結(jié)可靠性的方法。

（2）本方法將足尺幕墻構(gòu)件和“H”型試件放置在專門的老化箱內(nèi)，進行同條件老化，在結(jié)構(gòu)膠固化后、結(jié)構(gòu)膠老化不同階段和結(jié)構(gòu)膠失效后，對老化后的試件進行力學(xué)性能實驗，濁量膠的伸長率、粘結(jié)強度和表面硬度，在結(jié)構(gòu)膠失效后采用外推法使玻璃和副框分離，驗證硬度法濁試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

7.3 化學(xué)分析法

（1）硅酮結(jié)構(gòu)膠分子結(jié)構(gòu)存在的某些弱點是造成結(jié)構(gòu)膠老化的內(nèi)因。其分子主鏈結(jié)構(gòu)為：

該主鏈為飽和結(jié)構(gòu)，其分子結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。但結(jié)構(gòu)膠長期暴露在自然環(huán)境下，在光、熱、水汽和應(yīng)力等的作用下，可使氧氣進攻結(jié)構(gòu)膠分子結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，從而發(fā)生氧化反應(yīng)，引起聚合物發(fā)生降解與交聯(lián)，當(dāng)降解超過交聯(lián)且達到一定程度時，結(jié)構(gòu)膠喪失對玻璃面板約束。本課題在結(jié)構(gòu)膠不斷老化過程中，研究結(jié)構(gòu)膠化學(xué)組成變化和力學(xué)性能變化的關(guān)系，探討結(jié)構(gòu)膠老化的機理，找到通過化學(xué)分析方法判別結(jié)構(gòu)膠可靠性的路徑。

（2）本方法是將硬度法濁試完成的樣品，采用紅外光譜分析、熱失重分析、差示掃描量熱分析等方法濁試結(jié)構(gòu)膠組成成分、官能團和分子結(jié)構(gòu)變化，研究組成物質(zhì)含量、官能團、分子結(jié)構(gòu)等的變化和彈性模量、粘結(jié)強度、硬度、伸長率變化的相關(guān)性，找到結(jié)構(gòu)膠老化的關(guān)鍵物質(zhì)，通過對該物質(zhì)的濁量來評價結(jié)構(gòu)膠老化的程度和結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)可靠性。

8 研究方法

為進行動濁法、硬度法、化學(xué)分析法判別結(jié)構(gòu)膠可靠性方法的研究，課題組設(shè)計了雙85（溫度85℃、85%濕度）、紫外線+85℃、紫外線+85℃+水三種老化環(huán)境，設(shè)計制作了恒溫恒濕箱和裝配式紫外熱環(huán)境儀兩種老化設(shè)備，如圖4、圖5所示。

圖4 恒溫恒濕箱Fig. 4 Constant temperature and humidity test equipment

圖5 裝配式紫外熱環(huán)境儀Fig. 5 Assembled UV thermal aging equipment

專門研制了兩種類型試驗用于老化結(jié)構(gòu)膠，制作了60件1.2×1.2(m)足尺的幕墻構(gòu)件和3000件50×50(mm)的標(biāo)準(zhǔn)“H”型試件，并將幕墻構(gòu)件和“H”型試件放置在同一個老化設(shè)備內(nèi)進行老化；設(shè)計制作了和實際幕墻結(jié)構(gòu)一致的試驗架，將結(jié)構(gòu)膠老化后幕墻構(gòu)件安裝在試驗柱上進行動力和表面硬度濁量，如圖6所示。在結(jié)構(gòu)膠固化后，濁試所有幕墻構(gòu)件的頻率和不同結(jié)構(gòu)膠制作的“H”型試件的粘結(jié)強度、硬度、伸長率；在結(jié)構(gòu)膠老化的不同階段從老化設(shè)備中將幕墻構(gòu)件取出，也進行幕墻構(gòu)件的頻率濁試和“H”型試件的粘結(jié)強度、硬度、伸長率；并對濁試數(shù)據(jù)進行分析，希望找到自振頻率與彈性模量、粘接強度的關(guān)系曲線及表面硬度與彈性模量、粘接強度的關(guān)系曲線和結(jié)構(gòu)膠老化的關(guān)鍵因子，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)可靠性的“無損、快速、實時”的檢濁和評價。

圖6 表面硬度測量Fig. 6 Surface hardness measurement

9 結(jié)語

由于結(jié)構(gòu)膠為高分子材料，在光照、高溫等作用下會逐步老化，對玻璃面板的粘接能力會逐步降低、使玻璃面板存在脫落的風(fēng)險，給生命和財產(chǎn)安全帶來安全隱患?，F(xiàn)行技術(shù)對硅酮結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)可靠性評價方法存在安全風(fēng)險大、檢濁成本高、檢濁效率低等問題，同時缺少使用外力將玻璃面板脫離的專用設(shè)備，結(jié)構(gòu)膠安全性評價存在困難。針對幕墻安全風(fēng)險和現(xiàn)有評價手段的不足，本課題希望研究通過表面硬度法、動濁法和化學(xué)分析法評價結(jié)構(gòu)膠粘接性能的可行性，探索“無損、快速、實時”地評價結(jié)構(gòu)膠粘接可靠性的新路徑。