我国既有建筑玻璃幕墙结构粘接可靠性分析

马启元（北京粘接学会，北京 100084）



应用技术

我国既有建筑玻璃幕墙结构粘接可靠性分析

马启元
（北京粘接学会，北京 100084）

摘要：建筑设计冗余、硅酮结构密封胶高标准要求及应用质量控制为我国幕墙粘接结构经受强地震、强台风考验提供了坚实基础。粘接失效是影响幕墙安全的不确定因素，应通过现场原位加载检测统计粘接体系承载力的试验研究，建立检出脱胶异常和失效程度判定的试验方法，为建筑幕墙可靠性鉴定提供试验依据。

关键词：玻璃幕墙；结构粘接；可靠性

20多年来我国建筑幕墙迅速发展，竣工面积已超过世界总量（近 10亿平米）的一半，在这一进程中业界始终关注玻璃结构的粘接可靠性，早期担心胶粘玻璃坠落伤人，称为“城市空中定时炸弹”，近年忧虑结构胶已超过 10年质量保证期的幕墙安全性。对安全可靠性的关注强化了幕墙结构粘接材料市场管理，促进相关规范标准的发展和应用技术的提高，推进建筑结构粘接可靠性深入研究。本文拟对我国幕墙玻璃结构粘接状况、结构胶粘接材料特性及粘接结构的可靠性检验进行初步分析，供业界同仁参考。

1 硅酮结构密封胶质量保证基本状况

我国建筑玻璃幕墙工程始于 20 世纪 80年代，设计施工技术及结构粘接材料均由国外引进，国家七五科技攻关项目“建筑用室温硫化硅酮密封胶研究” 90年代初通过化工部技术鉴定［1］， 1996年合资企业的硅酮结构胶在个别工程应用。国家关注建筑幕墙用硅酮结构胶， 1996年国务院领导批复国家经贸委等六部委发布专项通知，清理整顿玻璃幕墙用胶市场，对该材料的生产、使用、销售和进口实施行政许可审批制度［2］，同期相继发布实施 JGJ102—1996《玻璃幕墙工程技术规范》、GB16776—1997《建筑用硅酮结构密封胶》国家标准，为玻璃幕墙工程质量监管提供技术依据。至2003年 仅国家批准硅酮结构胶生产企业 5家和3个外企进口产品，认定条款要求企业建立完善的质量保证体系，承担幕墙粘接结构设计和计算审核责任，承担指导粘接施工技术的责任，企业对接受技术指导的工程承担为期10年的质量担保，这些做法对保证结构胶产品和粘接应用质量具有重要作用。 2002年国务院取消了建筑用硅酮结构密封胶的行政审批后生产企业迅速增多，但这种做法在业内已成为常态。目前我国近百家企业建筑密封胶产能超过百万吨，其中硅酮型密封胶用量约 70万吨，成为生产和应用量最大的国家［3］，其中不少规模在 5万吨以上的科技型企业实现连续自动化生产，接受国家认监委批准的认证机构担保产品质量一致性，个别产品已通过欧洲 CE认证，成为幕墙工程建设的主要供应商，为工程粘接结构质量提供有效的保障。

2 地震台风灾害考验玻璃幕墙粘接结构可靠性

我国既有建筑玻璃幕墙经受了强地震和强台风灾害的多次袭击，粘接结构经受了考验。 2008年汶川地震调查表明玻璃幕墙抗震位移耐受性能远大于固定窗， 2010年玉树地震灾害中建筑砖墙、固定窗、面砖发生明显震害而同一建筑的幕墙却完好无损。地震中的表现充分反映了这一规律：只要主体结构不倒塌，按照规范设计施工的幕墙在地震中将保持完好［4，5］。玻璃幕墙粘接结构还经受了超强台风灾害考验，狂风袭击下玻璃面板全部破裂但边部仍粘接在框架上［6］。这种情况在幕墙钢化玻璃自爆碎裂病害中也常见到。 20多年来未见规范设计施工的幕墙由于结构粘接引起玻璃坠落的报道。结构胶的良好表现基础是硅橡胶聚合物独特化学结构、优异性能和建筑玻璃幕墙规范规定的设计冗余。

3 硅酮密封胶特性和设计冗余是结构粘接可靠性基础

3.1硅酮密封胶的耐老化特性

硅酮密封胶的基础聚合物主链由氧硅键（Si- O） 构 成 ， Si- O 键 能 （443.5 kJ/mol） 高于C- C 键（355kJ/mol），分子构型螺旋形和较小分子间力以及螺旋外的甲基可自由旋转，使硅橡胶表面具有独特的憎水性、表面防粘性、良好回弹性和优于其他橡胶的耐热性、耐寒性、耐候性和化学稳定性，如表 1所示。

表1　硅橡胶与有机橡胶性能比较［7］Tab.1　Performance comparison of silicone rubber and organic rubbers

道康宁公司在热带气候标准实验站将硅橡胶试片南向仰角 45°拉伸状态曝晒，最初年份测试表明性能处于提升完善过程，经历 20 年总体样本硬度提高 7%，强度下降31%，胶片微观表面未见龟裂迹象［8］；白云公司对既有幕墙上硅酮结构密封胶取样，测定拉伸性能，并与同牌号产品相比较，结果强度升高 6.1 %，伸长率仅下降 5.4%，表明结构胶并未进入性能衰变的老化过程，而是继续交联固化及模量提高的过程［9］，见表2。硅酮结构密封胶优异的耐老化特性正是优选用于建筑玻璃粘接结构的依据。

表2　既有幕墙硅酮结构胶10年老化后与同牌号新胶性能对比Tab.2　Performance comparison before and after 10 years ageing for existing silicone sealant of glass curtain

3.2幕墙玻璃结构粘接设计冗余度

隐框幕墙玻璃面板同金属框架连接完全依靠结构胶粘接，交联固化的弹性粘接体如同连续弹簧将玻璃“悬挂”成建筑外立面，见图1，这种应用起始于 1978年，美国首先用聚硫密封胶粘接幕墙玻璃，相继发展了硅酮结构密封胶粘接。这种技术的应用远不及传统机械连接成熟。建筑规范考虑业主及行人的风险、系统老化及粘接性衰减、工程中未预见及未控制的因素和幕墙玻璃坠落的危险，要求工程设计必须采用高冗余系数［10］。

图1　幕墙玻璃粘接构造示意图Fig.1　Bonding structure of glass curtain

我国硅酮结构密封胶国家标准要求产品强度≥0.6MPa 、伸长率≥ 100%，而建筑规范要求荷载作用下结构粘接和材料模量参数选择，必须保证结构胶应力不大于 0.14 MPa ，限定结构胶的位移不大于0.14MPa对应的伸长率，保证极限承载力状态的设计系数大于 4.3。目前企业产品性能均高于标准要求，如图 2典型产品试验曲线，保证荷载下结构胶受力变形始终处于初始弹性阶段。

图2　硅酮结构密封胶典型应力-应变试验曲线Fig.2　Typical stress-strain curve of silicone structural sealant

幕墙工程设计中采用结构胶的应力水平更低，如某建筑幕墙玻璃按规范验算粘接宽度 Cs1，≥ 10.7mm ，而设计取值为 12mm，工程结构胶在设计风荷载下最大应力值实际为0.125MPa，这种处理方式在我国幕墙设计中常见，为结构粘接承载能力提供更高的冗余。

4　粘接失效是玻璃幕墙结构粘接不确定因素

粘接依赖界面物理吸附、化学键生成及机械咬合实现连接，粘接界面力学特性不连续，被粘玻璃、金属为理想弹性体，密封胶为粘弹性体，接头受拉位移伸长时粘接体界面被约束不变形，界面层外缘受拉伸同时受剪切，集中应力作用首先局部界面层剥离。破坏面可能看不到胶层痕迹，但显微镜下可见残胶，有时在电子能谱仪下检查可见残留的粘接材料分子层，表明破坏实际发生在界面层。界面层由被粘表面层、粘接咬合面、受影响粘接层和粘接材料多层结构组成［11］（图 3），被粘材料表面性质及状态、涂胶缺陷、气泡、裂隙、使用形式和应力水平、低温、高温、紫外线辐照、盐雾、湿热、热冲击、介质腐蚀等因素，均会影响粘接界面稳定性。试验表明几种高性能硅酮结构胶粘接稳定，但在水-紫外线及盐雾加速老化条件下仍有脱胶［12］（表3）；在阳极氧化、氟碳喷涂、无底漆粉末喷涂和有底漆粉末涂层 4种表面上粘接，多种品牌结构胶剥离试件经 55 ℃湿热2000h 加速老化后，A胶 、C胶在氟碳涂层表面脱胶，B胶仅在阳极化表面脱胶，D胶仅对氟碳涂层粘接稳定，对其他表面均产生脱胶，可见脱胶的离散性和随机性［13］，见表4。

图3　粘接界面多层结构模型Fig.3　Multilayer structure model of bonding interface

表3　实验室老化试验中硅酮结构胶的粘接脱胶Tab.3　Degumming of silicone sealant bonding in laboratory ageing test

玻璃-金属框架结构变位和温差位移产生对结构胶的拉力，热胀冷缩的位移量每天有峰值，每年有几个极大值，循环应力幅度取决于结构胶刚度模量和胶层厚度，通过 6个模量不同结构胶粘接拉伸疲劳试验，结果表明，应力幅度为 0.14MPa时，粘接失效循环次数平均为 50.2万 次（设为 100%），提高应力水平后粘接失效循环次数迅速下降，依次应力0.19MPa、0.21MPa和 0.28MPa对应的循环次数分别为 7.3 万次（14 %）、6.2万次（12 %）和 3.1万 次（6%）。循环应力作用下的这种应力腐蚀现象在结构粘接中也会发生［14］。

表4　55 ℃/2 000 h湿热试验后剥离试件脱胶面积/%Tab.4　Degumming area of peeled specimens after damp-heat test at 55℃ for 2 000 h

脱胶是粘接界面变化的结果，发生和发展不仅涉及材料性能，还涉及工艺和使用性能，涉及力学、界面学和表面物理化学。研究表明金属、玻璃、陶瓷等极性表面有利于粘接，但水也容易沿亲水界面侵蚀粘接层，试验证明水分子沿玻璃界面渗透的速度要比渗透粘接体快 450倍，常用来处理玻璃或作为被粘表面底胶的硅烷偶联剂是最易渗透水的已知聚合物，有人估算水沿界面通过硅烷偶联剂底胶渗透的速度是通过粘接体渗透的20 000倍［11］。由于多因素影响及作用机理的复杂性，粘接界面脱粘现象具有隐蔽性和偶发性，难以通过表面观测，也难以被局部抽样的粘接剥离或拉脱检验捕捉，成为潜在的影响建筑安全的不确定因素。

5 幕墙粘接可靠性试验方法

目前对幕墙现场结构胶可靠性测试方法研究，包括对结构胶物理力学性能关键技术研究［15， 16］，振动频率变化识别结构胶老化程度检测方法研究［17］，现场切割拉拔检测结构胶粘接强度的方法研究［18， 19］，超声波检测法、X-射线检测法和红外线检测法等无损检测的探讨等［20］，这些研究为既有幕墙结构胶老化进程提供了重要信息。建筑可靠性规范要求可靠性试验应直接测定构件粘接的承载能力，在该能力衰变趋近极限状态前提出预警［21］，这就要求可靠性试验只能通过现场使用试验的效果数据综合分析，提供可靠的技术依据，这也是公认的检验结构粘接接头可靠性的最好方法，这种方法显然是既费力又费时［14］。

目前可操作的现场无损检测方法主要有气囊法、推杆法、多吸盘法等，原理是对幕墙施加模拟风荷载的均匀压力，测定设计风压下玻璃-框架间结构胶的应力和位移，判定其粘接承载能力水平，试验需要设立包括防护网在内的安全防护措施，防止可能的玻璃破裂［22］。利用幕墙结构胶初始受力状态呈现虎克弹性体的力学特性［23］， ASTMC1392《结构密封胶粘接失效评估标准指南》提供一种等效点荷载加载试验法，在既有幕墙面板边缘施加垂直玻璃的点荷载，拉伸结构胶使之位移产生等效于均匀风荷载作用的效应，试验不直接测定加载下的结构胶失效，而是测定并统计结构胶位移量随荷载增加而增大的线性关系，检出位移量异常的粘接构件，同时以人为割胶造成不同长度粘接失效的参比样本，标定点荷载下不同脱胶（切割）长度结构胶的位移量，为位移量异常构件的粘接失效程度提供判据［24］。同均匀加载试验相比较，该试验较为经济安全，但该方法试验参数的选择、试验数据的分析及试验的结果判定等均需交由资深专家决定，增加了试验的不确定性。

6 结语

尽管我国建筑玻璃幕墙结构粘接技术基础良好，但服役时间毕竟多有超过 20年，迫切期望通过实验检测胶承载能力并判定粘接失效的标准出台，为幕墙可靠性鉴定提供依据。研究表明在幕墙使用中硅酮结构密封胶呈现虎克弹性固体特性，可用表面锚固的连续线性弹性弹簧模拟［23］，如同弹簧脱锚改变规格弹簧荷载-位移特性一样，脱胶可通过幕墙粘接构件结构胶承载特性检验并通过可参比的人为割胶（脱胶）长度试验结果判定失效程度。建议参考 ASTMC1392指南研制局部加载精密测量试验装置，进行现场大样本试验探明结构胶粘接承载特性规律，通过位移特性细微变化研究脱胶及粘接失效程度的关系，为建立幕墙玻璃结构粘接可靠性试验方法提供试验基础。

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中图分类号：TQ437+.1

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2016）03-0061-05

收稿日期：2015- 11- 23

作者简介：马启元，男，北京粘接学会顾问，中国建筑装饰协会幕墙工程委员会专家组成员，教授级高级工程师，享受国务院津贴工程技术专家。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