建筑幕墙密封胶在设计和检测中常见的问题

田颖

摘 要：界面粘接强度的降低是目前广泛应用于建筑领域的隐框支玻璃幕墙破坏的主要原因。针对隐框支玻璃幕墙，提出了一种非线性超声兰姆波检测方法。通过理论和实验研究，验证了该方法的可行性。首先，利用压电陶瓷换能器产生汉宁窗调制的激励信号。采用人工热老化的方法加速界面结合强度的退化，得到不同老化周期的反射信号。然后，分别采用离散傅立叶变换（DFT）和小波包分解两种方法进行特征提取，并采用归一化和回归分析对两种方法进行比较。实验结果表明，采用二阶相对非线性系数的振幅积分法能灵敏地反映界面结合强度，而三阶相对非线性系数的变化曲线不明显。小波包能量法的计算结果与振幅积分法接近，与实际情况相符。二阶相对非线性系数先在小范围内波动，然后下降，最后随着热老化时间的延长而增大。但小波能量法的均方误差较小。小波包能量法具有更高的精度，对趋势的描述具有更高的允许误差能力。

关键词：隐框支玻璃幕墙;结构硅酮密封胶;界面粘接强度;非线性超声兰姆波;小波包分解

中图分类号：TQ437+.6;TU58                    文献标识码：A                文章编号：1001-5922（2021）04-0106-05

Abstract：The main reason for the failure of the glass curtain wall with concealed frame support， which is widely used in the field of architecture， is the decrease of the bonding strength of the interface. A non-linear ultrasonic Lamb wave detection method is proposed for glass curtain wall with concealed frame. The feasibility of this method is verified by theoretical and experimental research. Firstly， the excitation signal modulated by Hanning window is generated by piezoelectric ceramic transducer. The method of artificial thermal aging is used to accelerate the degradation of interface bonding strength， and the reflection signals of different aging periods are obtained. Then， Discrete Fourier Transform （DFT） and wavelet packet decomposition are used for feature extraction， and normalization and regression analysis are used to compare the two methods. The experimental results show that the amplitude integral method with the second-order relative nonlinear coefficient can sensitively reflect the interface bonding strength， while the change curve of the third-order relative nonlinear coefficient is not obvious. The result of wavelet packet energy method is close to that of amplitude integral method， which is consistent with the actual situation. The second-order relative nonlinear coefficient first fluctuates in a small range， then decreases， and finally increases with the increase of thermal aging time. But the mean square error of wavelet energy method is small. Wavelet packet energy method has a higher accuracy and a higher tolerance for trend description.

Key words：concealed frame supported glass curtain wall; structural silicone sealant; interface bond strength; nonlinear ultrasonic Lamb wave; wavelet packet decomposition

0 引言

玻璃幕墻作为一种外围护和装饰结构，以其灵巧、轻盈、透明、结构美观等优点在建筑领域得到了广泛的应用。玻璃幕墙主要由玻璃板和胶粘接构组成。玻璃幕墙分为框架式、半露式和隐式框架支撑玻璃幕墙。隐藏式框架支撑玻璃幕墙由于其整体美观而更受欢迎，因为它将金属框架隐藏在玻璃背面。在使用过程中，隐框支撑玻璃幕墙的可靠性与界面粘接性能有着直接的关系。然而，当受到风、雨、阳光等自然侵蚀时，隐框支撑玻璃幕墙，特别是玻璃板与结构硅酮密封胶之间的粘接界面出现老化问题。界面结合强度的降低是一个严重的潜在安全隐患，可能导致重大的财产损失。因此，开发有效的检测隐框支玻璃幕墙结构硅酮密封胶界面粘接强度的方法具有重要意义。

1 实验装置

在理论研究的基础上，建立了基于非线性检测技术的实验系统。实验框图如图1所示，实验装置由安捷伦33522B波形发生器、TREK2100HF电压放大器、PCI-20614数据采集卡和高性能PC机组成 。在实验过程中，高性能PC机将产生的激励信号发送到波形发生器。然后，通过电压放大器放大信号，驱动换能器产生足够强的超声波。入射角由可变角度传感器实现。利用传感器和数据采集卡接收在介质中传播的信号，并将其传输到高性能PC机进行处理。

在相同尺寸的物体上进行了界面结合强度检测实验。试验所用玻璃板的材料性能符合《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102-2013（中华人民共和国行业标准2013）的要求。所用板材为钢化超净浮法玻璃（中国广东省红星玻璃），尺寸为600mm×300mm×5mm。所用结构硅酮密封胶（中国广东省佛山市南海金叶硅胶）符合《建筑结构硅酮密封胶》 GB 16776-2005（中华人民共和国国家标准2005） 的要求。本品为单组分，常温中性固化，强度高，固化后弹性高。与结构硅酮密封胶结合使用时，泡沫间隔较低的双面胶条具有透气性。双面胶条的厚度为5mm。共制备了两组界面结合强度的试样。

2 实验与分析

2.1 实验过程

在自然条件下，很难在短时间内测试界面结合强度。采用人工干预的方法加速结构硅酮密封胶的老化。Meng等人（2015）研究了不同老化条件下结构硅酮密封胶的粘接强度。热老化是结构胶人工老化的主要方法，研究结果表明，随着热老化时间的延长，结构胶的拉伸和剪切强度先增大后减小。

本实验采用热老化法进行加速老化，同时对两组样品进行加热。通过红外加热使温度保持在120±4℃以内。加热周期为4h，加热时间为0;4;8;……;60h，共进行16组界面结合强度试验。其中，未加热时效0h为玻璃板的初始界面结合状态。

在热老化过程中，测量了界面结合强度的非线性参数。激励和接收传感器之间的距离为100mm。对每个试样，采用非线性技术检测界面结合性能。采用汉宁窗调制的50个周期正弦脉冲序列作为激励信号。中心频率分别为2.14MHz和2.45MHz。實验中，对接收到的信号重复采集50次，以减小实验误差。在热老化的最初和40h之后接收到的信号如图2所示。

2.2 振幅积分法检测界面结合强度

对接收到的50个信号进行数字平均，然后通过高通滤波器降低低频干扰。高通滤波器的截止频率和增益分别为500kHz和1。用离散傅立叶变换（DFT）得到一次谐波和二次谐波的幅值。计算了二阶相对非线性系数随热老化时间的变化曲线，如图3所示。可见，二阶相对非线性系数能灵敏地反映界面结合力随热老化时间的变化。对于同一试件，两种激励频率的总趋势是相近的。在热老化早期，二阶相对非线性系数在小范围内波动。但随着热老化时间的延长，二阶相对非线性系数开始减小，界面结合强度开始提高。这是因为有机硅结构密封胶的固化与温度有关，通过加热可以提高界面结合强度。一段时间后，二阶相对非线性系数开始增大，界面结合强度开始下降。换言之，连续加热最终降低了有机硅结构密封胶的粘合性能。总的来说，界面结合强度呈先升高后降低的趋势，这一趋势与已发表的研究结果一致。两个样本都显示出相似的趋势。这也表明非线性Lamb波可以检测结构硅酮密封胶的界面结合强度。

2.3 三阶相对非线性系数的振幅积分

三阶相对非线性系数也能反映非线性行为。因此，本文还研究了三阶相对非线性系数。与二阶谐波一样，通过提取三阶谐波的幅值来计算三阶相对非线性系数。三阶相对非线性系数随热老化时间的变化曲线如图4所示。三阶相对非线性系数呈现先下降后上升的趋势。然而，这种趋势并不明显，特别是在2.45MHz的激励频率下。对于同一试件，两种激励频率的变化趋势不同。激励频率为2.14MHz的曲线呈现出较为明显的下降趋势。另一方面，三阶相对非线性系数的振幅积分小于二阶相对非线性系数。当激励频率为2.14MHz时，接收信号的幅度积分大于2.45MHz时的幅度积分。这与接收换能器的中心频率有关。换能器的激励频率分别为2.14MHz和2.45MHz。二次谐波频率分别为4.28MHz和4.9MHz，三次谐波频率分别为6.42MHz和7.35MHz。然而接收换能器的中心频率为5MHz，对三次谐波的接收有一定的抑制作用，导致能量较弱。综上所述，三阶相对非线性系数可以描述界面结合强度，但效果不如二阶相对非线性系数。

2.4 小波包能量法检测界面结合强度

为了进一步探讨非线性超声兰姆波检测界面结合强度的可行性，采用小波包分解方法。由于三阶相对非线性系数不明显，下面的实验只考虑了二阶相对非线性系数。经过信号预处理后，对信号进行三层小波包分解，计算出包含一次谐波和二次谐波的小波子集的能量。二阶相对非线性系数随热老化时间的变化曲线如图5所示。可见，小波包能量法的相对非线性系数大于幅度积分法，说明小波包能量法具有较高的允许误差能力。二阶相对非线性系数开始时也在一个小范围内波动，然后下降，最后上升，这与振幅积分的趋势相似。

经过归一化和回归分析，进一步比较了小波包能量和振幅积分。归一化的二阶相对非线性系数如图6所示。硅酮结构密封胶的界面结合强度与热老化时间呈非线性关系。因此，为了更接近实际数据，采用三次多项式进行回归分析。回归分析的均方误差（MSE）用于评估结。由图6可以看出，两个试件在不同中心频率下的相对非线性系数的变化趋势非常接近，很难对两种方法进行比较。然而，小波能量法的MSEs比振幅积分法的MSEs小，除了2.14MHz激励频率的试样1，两者相差很小。换言之，小波能量法比振幅积分法更能准确地描述趋势。当然，小波包能量法和振幅积分法都能成功地反映界面结合强度。小波包能量法具有较高的精度和允许误差能力。

4 结论

针对隐框支玻璃幕墙，提出了一種非线性超声兰姆波检测方法。通过一系列实验验证了非线性超声兰姆波检测界面结合强度的可行性。考虑了累积非线性谐波兰姆波的产生条件。从非线性参数的变化曲线来看，采用二阶相对非线性系数的振幅积分法能灵敏地反映界面结合强度，与实际情况相符。但三阶相对非线性系数的变化趋势不如二阶相对非线性系数的变化趋势，且由于中心频率的抑制，三阶相对非线性系数的振幅积分较小。利用二阶相对非线性系数，将小波包能量法与振幅区间法进行了比较。为了更合理地比较这两种方法，采用了归一化和回归分析。结果表明，两种方法的发展趋势非常接近，符合实际。二阶相对非线性系数开始时在小范围内波动，然后下降，最后上升。小波能量法的均方误差小于振幅积分法的均方误差。小波包能量法具有更高的精度，对趋势的描述具有更高的允许误差能力。

综上所述，基于非线性超声兰姆波的检测方法可用于隐框支玻璃幕墙结构硅酮密封胶的界面粘接强度评价。使用这种方法，甚至可以反映界面结合强度的细微下降。该方法为玻璃界面粘接强度的检测奠定了基础。下一步是检测隐藏式框支玻璃幕墙的微小缺陷，提高检测效率。

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