胶粘剂在建筑幕墙中的应用及粘接可靠性分析

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　　摘要：对胶粘剂在建筑幕墙中粘接可靠性进行的测试包括变量，如诺顿胶带的使用、端部密封剂的应用（或遗漏）、应用于结构密封剂顸部的加劲密封剂的厚度以及玻璃板的跨度长度。试验结果表明，Norton胶带的使用直接影响SSG连接的初始刚度和强度值，封端剂的应用提高了SSG连接的强度和延性。然而，发现在现有结构密封胶上使用加劲密封胶所引起的单位长度最大荷载的变化是微不足道的。
　　关键词：结构胶;强度;延展性;加劲密封胶;结构硅酮玻璃（SSG）粘接
　　中图分类号：TQ437
　　文献标识码：A
　　文章编号：1001-5922（2020）08-0001-05
　　Application of Adhesive in Building Curtain Wall and Analysis of Bonding Reliability
　　XIA Hong
　　（Huizhou Branch of Hubei Construction International Engineering Co.，Ltd.，Huizhou Cuangdong 516002，China）
　　Abstract ： Tests for adhesive bonding reliadility in building curtain walls include variahles such as the use of Nor-ton tape，the application （ or omission） of end sealant.the thickness of the stiffening sealant applied on top of thestructural sealant，and the span length of the glass paneI.The test results indicate that the use of Norton tape direct-ly affects the initial stiffness and strength values of the SSCJ connection and that the application of end sealant im-proves the strength and ductility of the SSCJ connection.However.the change in the maximum load per unit lengthcaused hy the application of stiffening sealant on the existing structural sealant was found to be. insignificant.
　　Key words ： structural sealant;strength;ductility;stiffening sealant;structural silicone glazing （SSG） bonding
　　0 引言
　　由于在高層建筑中使用自由形式立面的趋势越来越大，以及需要获得光照，幕墙系统在建筑围护结构中的使用有所增加[1-2]。在众多类型的幕墙系统中，层压玻璃板和铝框幕墙系统被用于高层建筑，因为它们的玻璃板保证了阳光的照射，并且其结构构件重量轻。尽管已经进行了许多研究工作来研究幕墙系统的结构性能，但并未从结构性能的角度考虑幕墙系统中使用的结构连接的影响[3-4]。结构硅酮玻璃（SSG）粘接方法，使用结构密封胶粘贴用于给幕墙框架上光的夹层玻璃板。因此，结构密封胶必须防水、气密，并具有良好的粘合性。
　　有研究报道了将玻璃板粘接用于普通幕墙系统的SSG连接件的抗震性能。研究结果表明，双面SSG幕墙系统可能比使用橡胶垫圈将玻璃板边缘粘附到支撑框架上的干式玻璃幕墙系统具有更高的漂移能力。对中高层幕墙体系中建筑玻璃的抗震性能研究结果表明，玻璃与铝的边缘间隙和玻璃与框架玻璃的细部构造对幕墙系统的抗震性能有显著影响。有的研究针对传统腻子和聚合物密封胶的压缩和搭接剪切性能[5-6]。与传统的油基腻子相比，聚合物密封剂具有更高的剪切刚度值，进一步研究表明研究表明，置换聚合物密封胶改善了幕墙连接的结构性能[7-8]。
　　因此，在SSG连接系统中使用的结构密封胶的力学性能是决定幕墙系统结构性能的关键因素，对将风荷载从玻璃板传递到框架和防止大风条件下玻璃板的脱落起着重要作用。日本建筑学会出版的《玻璃竖框系统技术建议》提供了玻璃竖框的许用强度和许用位移水平，并提供了通过结构密封胶的抗拉强度和强度折减系数计算许用设计应力的说明。如图1（a）所示，如果在铝框架和玻璃面板之间适当地应用足够的结构硅酮密封剂，则可以成功地应用该公式。然而，与本标准图纸的细节相比，实际现有SSG连接的细节差别很大。如图1（a）和（b）所示，如果铝框和玻璃面板之间的间隙很窄，则使用诺顿胶带。但是，结构密封胶不能填充到标准详图（图1（a））所示的间隙中;因此，必须以458的角度将结构密封胶涂抹到玻璃板和铝框架之间的连接处，以密封间隙（图1（b））。也就是说，很难使用现有推荐的标准强度公式来计算此类连接件，因此，这种情况需要对实际连接件的结构性能和强度进行评估。
　　结构密封胶的施工过程是一个完整的过程，在幕墙施工中误差相对较小。然而，在施工过程中，由于各种原因，现场施工可能会降低连接的性能。在结构密封胶的应用方面，大多数施工错误都是由工人造成的。具体来说，在大多数情况下，在检查连接后，结构密封胶所需的连接区域没有正确固定的情况下，应移除现有密封胶进行重建。然而，由于涉及额外的工艺，移除现有的密封剂可能会导致增加施工成本和时间的不利因素，并可能导致暂时损害整个结构的完整性。因此，本研究的目的是提供在使用新密封剂之前，在不移除现有密封剂的情况下，提高玻璃板与铝框架之间连接强度的方法。 　　1 实验方案
　　1.1材料及试件制作
　　本研究采用韩国KCC公司在韩国生产的液体1型中性硬化硅酮密封胶。根据制造商提供的材料试验结果，该结构密封胶的体积密度为138kg/m3，抗拉强度为2.5-3.5MPa。表1显示了这种结构密封胶的机械性能。上胶采用灰色密封胶，端胶采用耐沾污性强的黑色密封胶。两种颜色的密封胶具有相同的力学性能。根据KSL2004，采用12.76mm厚的夹层玻璃板模拟实际结构条件。铝框采用与实际幕墙系统相同的材料制造。在涂抹硬化密封剂之前，用刷子将底漆涂在先前构造的密封剂上，以确保现有密封剂和硬化密封剂之间的正确粘合。本试验所用底漆为聚氨酯，粘度为14Pa·s，比重为0.98。试件制作步骤如下：首先将诺顿胶带贴在铝框上固定其位置，然后在初次涂封胶后将上封胶固化10d。其次，在将补强胶涂在现有密封胶上之前，先涂底漆以提高补强胶与现有结构密封胶之间的粘合性。最后，使用端部密封剂。固化后，认为该过程已完成。
　　1.2试验装置和试验程序
　　每个试样在模拟室外条件下进行空气固化，以接近实际现场条件。养护期平均湿度49.6%，平均温度11.2℃。根据玻璃竖框系统的技术建议，固化周期计算为每天0.5mm的硬化，并应用于每种厚度。图2显示了安装在试验装置中的试样。实验是在一台200kN/min的万能试验机上进行的。安装一个300ininx 300mm的空加载垫架，然后用沙子填充，以防止UTM的钢加载板损坏玻璃板，并模拟风荷载在夹层玻璃板上的均匀分布。测量时忽略了沙子的重量。加载速率设置为3mm/min。安装了一个线性可变差动变压器（LVDT）来测量层压面板的中心挠度。
　　2 结果与讨论
　　2.1 SSG系统粘接的结构性能
　　图3显示了使用端部密封剂和诺顿胶带对使用400mm玻璃板跨度的SSG系统连接的结构性能的影响。图中给出了各试样单位长度荷载与位移的平均图。单位长度的荷载是通过将密封剂附着长度除以试样上的荷载来计算的。根据D1详图构造的400-D1（5+0）试样的单位长度最大荷载为9.59kN/mm。最大荷载下的位移约为4mm，表明应力随着诺顿胶带的剥离而减小。对于400-D2（5+0）无端部密封剂试样，单位长度的最大载荷和最大载荷下的位移分别为7.80（±0.10）kN/inm和3.4mm。结果表明，端部密封胶对SSG幕墙连接强度有显著影响。400-D1（5+0）和400-D2（5+0）试样的强度随着诺顿胶带在单位长度最大荷载位移处的分离而降低。800mm玻璃板跨度的试样显示出相同的趋势。图3还表明，端部密封剂对初始刚度值的影响不显著。未使用端部密封剂的400-D2（5+0）试样在承受极限荷载后，承载能力突然下降，但图3也显示，使用端部密封剂的400-D1（5+0）试样保持其延展性，直到發生上部密封剂剥离破坏时的位移6mm。不带诺顿胶带的400-D3（5+0）试样单位长度的最大载荷为6.22kN/mm，与400-D1（5+0）试样相比，相对较大的载荷有所降低。此外，初始刚度值显示退化，最大荷载下的位移为10.95mm，表明在端部密封剂失效后，荷载有下降趋势。简言之，当幕墙系统中的夹层玻璃板发生上部结构密封胶的附着故障时，使用端部密封胶可以防止突然脱落，从而有助于预测整体故障。结果表明，诺顿带对提高SSG系统连接的强度和刚度起着关键作用。
　　2.2加强密封胶和端部密封胶的效果
　　图4（a）显示了加劲密封剂和端部密封剂对层压玻璃板跨度为400mm的试样结构性能的影响。图4还表明，在现有上部密封胶上涂抹5mm厚的加劲密封胶，可提高连接件的初始刚度和强度值。对于具有D1型连接详图的试件，400-D1（5+5）试件单位长度的最大荷载为11.17kN/mm，与400-D1（5+0）试件相比增加了1.58kN/mm。对于带有D2型连接详图的试样，400-D2（5+5）单位长度的最大荷载试样为9.02kN/min，比400-D2（5+0）试样增加1.22kN/mm。如前所述，端部密封剂的应用也增加了连接件的延展性。具体地说，端部密封剂和加强密封剂的组合应用导致承载能力的增加，即使在诺顿胶带分离之后，如图4（a）所示。
　　图4（b）显示了夹层玻璃板跨度为800mm的试样的结构响应。如图所示，这些连接的结构性能与400mm玻璃板跨度的连接类似。无论是否使用端部密封剂，5mm加劲密封剂的应用都会增加初始刚度值。仅使用上部密封胶的800-D1（5+0）试样单位长度的最大荷载为9.42kN/mm，同时使用现有上部密封胶和加劲密封胶的800-D1（5+5）试样单位长度的最大荷载为13.10kN/mm。因此，5mm厚的加劲密封胶使单位长度的荷载增加了3.68kN/mm。800-D2（5+0）和800-D2（5+5）试件单位长度最大荷载分别为7.80kN/mm和6.62kN/mm。出乎意料的是，具有800mm玻璃板跨度且没有端部密封剂的试样显示连接强度降低。然而，在跨度为400mm的试件上同时使用端部密封胶和加劲密封胶会增加荷载水平以及诺顿胶带失效后的位移。
　　这些结果表明，在幕墙系统中，在连接件的上部密封胶上涂抹加劲密封胶，而不是在连接件的强度上涂抹加劲密封胶，是提高SSG连接件刚度和延性的主要机制。此外，如第2.2节所述，端部密封剂的使用增加了连接件的延展性。
　　2.3补强胶厚度和夹层玻璃板跨度长度的影响
　　图5示出了加劲密封剂厚度和夹层玻璃板跨度对单位长度荷载一位移关系的影响。所有试件均采用D2型连接详图制作，以评估仅使用加劲密封剂而不使用端部密封剂的效果。图5（a）显示了层压玻璃板跨度为400mm的试样的结构性能。图5（b）显示玻璃板跨度为800mm的试样具有相似的试验结果。图5表明，在两种类型（跨度长度）的幕墙系统中，加劲密封胶厚度的增加对SSG连接件的初始刚度没有显著影响。厚度为5mm、10mm和15mm的400mm跨试件单位长度的最大荷载分别为7.14kN/mm、7.42kN/mm和7.53kN/mm，这表明加劲密封剂的厚度仅对连接强度有轻微影响。然而，使用厚度为20mm的加劲密封剂的400mm跨度试样的单位长度最大荷载将强度增加到8.98kN/mm。厚度为5mm、10mm和15mm的800mm跨试件单位长度的最大荷载分别为6.62kN/mm、6.55kN/mm和6.79kN/mm。厚度为20mm的加劲密封剂的800mm跨度试样的单位长度最大荷载为8.63kN/mm。 　　图6根据加劲密封剂厚度的变化提供了400mm和800mm玻璃板跨度的试样单位长度的荷载。该图表明，在厚度为15mm的情况下，硬化密封剂的加固效果微不足道。然而，SSG连接的强度通过加固厚度超过20mm的加劲密封剂而提高。如第2.1节所述，随着玻璃板跨度的增加，可以观察到夹层玻璃板的弯曲行为。这种现象也反映了SSG连接强度的下降趋势。如图6所示，SSG连接的初始刚度值随着玻璃板跨度的增加而减小。
　　3 结语
　　本研究旨在评估幕墙系统中SSG连接件的结构性能。为此，试验研究包括主要变量：诺顿胶带和端部密封胶的应用、加劲密封胶的厚度和夹层玻璃板的跨度（长度）。从本研究有限数量的样本中获得的结果摘要如下：
　　1）在幕墙系统中，SSG连接件的强度随着诺顿胶带的剥离而降低。由于加劲密封剂和端部密封剂持续抵抗外部荷载，因此保持了延展性。人们认为，这种延展性可防止夹层玻璃板突然从幕墙系统的窗框上脱落，从而有效地减少和/或预测在极端天气和地质（沉降和地震）事件中造成的人员和材料损失等损害。夹层玻璃板的中心部分的挠度与连接件的端部位移相比，随着玻璃板跨度的增加而增加。因此，与跨度较短的幕墙相比，跨度较大的幕墙更好地考虑了由于其弯曲行为而可能出现的连接分离以及玻璃板损坏。
　　2）本研究中测试的SSG连接件的强度由于在端部以及作为玻璃板和窗框之间的粘合剂的上部密封剂上应用了结构密封胶而得到提高。结果表明，与端部密封剂相比，在现有上部密封剂顶部使用的加劲密封剂所提供的钢筋在提高SSG连接强度方面的效果较差，并且端部密封剂钢筋在提高SSG系统的强度和延性方面比上部密封剂更有效连接。长（800mm）玻璃板跨度的SSG连接件的强度略小于短（400mm）玻璃板跨度的连接件的强度，因为与长跨度连接件一起使用的连接件承受拉伸和弯曲应力，而与短跨度玻璃连接件面板拉伸应力占主导地位。
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　　收稿日期：2020-03-11
　　作者简介：夏洪（1979-），男，土家族，湖南石门人，大学本科，高级工程师，研究方向：交通土建。
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