隐框玻璃幕墙粘结可靠性检浊评估的困境与对策*

余忠辉，郑 伟，张道修，何京波，王海蓉，陈宝林，谢宇芳，邢玉秀，郝梦瑶，明 娟

（1 深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心，广东深圳 518051；2 广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665）

为满足社会经济发展的需要，深圳的大量房屋采用玻璃幕墙。玻璃幕墙在风荷载、重力荷载、紫外辐射、有害气体侵蚀、冷热循环等作用下，其安全性能不断下降，可能会出现幕墙的支撑体系松动、连接件锈蚀、硅酮结构胶老化等问题，致使幕墙存在一定的安全隐患［1］。快速检浊和评价幕墙安全隐患，把脉建筑幕墙安全，对保证人民生命财产安全有重要意义。

1 问题的提出

为评价玻璃幕墙的安全风险，国家和地方颁布了一系列的检浊和评价标准，这些标准对促进幕墙安全的检浊评价起到了规范和指导作用，但这些方法也存在安全风险大、检浊成本高、检浊效率低等问题。针对幕墙安全风险和现有评价手段的不足，深圳市住房和建设局委托深圳市建设工程质量检浊中心进行《深圳市既有建筑幕墙安全问题研究及对策》课题研究，拟通过表面硬度法、动浊法和化学分析法评价幕墙安全，探索“无损、快速、实时”评价幕墙可靠性的新路径。

2 硅酮结构胶的基本知识

2.1 硅酮结构胶产生和特点

石英砂（SiO2）和甲醇（CH3OH）在催化剂作用下，通过复杂的化学反应，生成107胶（α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷）。该聚合物是硅酮结构胶的基材，强度低、延性差，在实际工程中，利用价值较小。为改善107胶的性能，在基材中添加增强剂、增塑剂、交联剂、偶联剂、碳黑、超细二氧化硅等填料和耐盐、防霉等功能的添加剂和着色的颜料后，形成硅酮结构胶，详见图1，它是一种有机化合物。该材料主链由Si-O-Si键组成，具有高强、高延性、耐候、耐氧、耐臭氧、耐紫外线的特点。

图1 硅酮结构胶的组成Fig. 1 Composition of silicone structural adhesive

2.2 硅酮结构胶的分类和固化机理

硅酮结构胶可分为单组分和双组份室温硫化硅酮胶，按硫化机理又可分为缩合型和加成型。硅酮结构胶按成分、硫化机理和使用工艺不同可分为三大类型，即单组份硅酮密封胶、双组份缩合型硅酮胶、双组份加成型硅酮胶。单组份硅酮密封胶和空气中的水发生化学反应而固化，在固化时从结构胶表面往深层逐步固化，易受环境温度和湿度影响；双组分硅酮结构胶是A组分和B组分混合后在空气中水分的参与下固化，初始固化速度快，受环境湿度影响较小。

3 隐框玻璃幕墙硅酮结构胶的设计

3.1 荷载的计算

玻璃幕墙应按维护结构设计，结构胶设计中主要考虑玻璃面板自重、风荷载和地震荷载（在JGJ 102-96中还需考虑温度荷载［2］，但在JGJ 102-2003取消温度应力的作用［1］）。

（1）风荷载的计算

风荷载标准值按式(1)计算，并不应小于1.0kN/m2。

式(1)中：wk——风荷载标准值(kN/m²)；βgz——阵风系数；μs——风荷载体型系数；uz——风压高度变化系数；w0——基本风压(kN/m²)。

（2）地震荷载的计算：

垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值可按式（2）计算：

式(2)中:qEK——垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值(kN/m²)；βE——动力放大系数，可取5.0；αmax——水平地震影响系数最大值；Gk——玻璃幕墙构件(包括玻璃面板和铝框)的重力荷载标准值(kN)；A——玻璃幕墙平面面积(m²)。

（3）平行于玻璃幕墙平面的集中水平地震作用标准值按式(3)计算：

式(3)中:PEK——平行于玻璃幕墙平面的集中水平地震作用标准值(kN)。

3.2 硅酮结构胶宽度和厚度的确定

硅酮结构胶的厚度不应小于6mm，不应大于12mm；宽度不应小于7mm，也不应大于厚度的2倍。具体计算方法如下。

（1）在风荷载作用下，宽度cs应按式（4）计算：

式（4）中：cs——硅酮结构密封胶的宽度（mm）；w——作用在计算单元上的风荷载设计值（kN/m2）；α ——矩形玻璃板的短边长度（mm）；f1——0.2N/mm2。

（2）在风荷载和水平地震作用下，粘接宽度cs应按式（5）计算：

式（5）中：qE——作用在计算单元上的地震荷载设计值（kN/m2）。

（3）在玻璃永久荷载作用下，粘接宽度cs应按式（6）计算：

式（6）中：qG——幕墙玻璃单位重力荷载作用设计值（kN/m2）；a、b——矩形玻璃板的短边和长边长度（mm）；f2——0.01N/mm2。

（4）硅酮结构密封胶的粘接厚度ts应按下式计算：

式(7)中：ts——硅酮结构密封胶的粘接厚度（mm）；μs——幕墙玻璃的相对于铝合金框的位移（mm）；θ——风荷载作用下主体结构的楼层弹性层间位移角限制（rad）；hg——玻璃面板高度（mm）；δ——硅酮结构密封胶的变位承受能力，取对应于其受拉应力为0.14N/mm2的伸长率。

4 既有玻璃幕墙安全的主要风险

玻璃幕墙是由立柱、立柱连接件（埋件）、横梁、结构胶和玻璃面板组成，其中玻璃面板通过结构胶固定在立柱和横梁上，横梁通过角码固定在立柱上，立柱通过埋件（立柱连接件）固定在主体结构上，开启扇通过五金件固定立柱和横梁上。从幕墙结构的组成分析，幕墙结构存在三种风险，即：约束立柱的埋件失效导致幕墙整体从主体结构上脱落；约束玻璃面板的结构胶失效导致玻璃从幕墙结构上脱落；约束开启扇的五金件失效导致开启扇从幕墙结构脱落。幕墙在使用过程中，横梁、立柱、立柱连接件、五金件和玻璃性能基本稳定，结构胶在紫外线照射、大气中酸、盐雾和温差的作用下老化，导致胶对玻璃的约束能力减低，可能造成玻璃脱落，伤害到人员和财产安全。例如，某大厦一片幕墙玻璃脱落，导致一女子腿被玻璃碎片击伤。

因此，结构胶老化导致玻璃面板脱落是隐框玻璃幕墙结构的主要风险，检浊和评价这种风险就成为评价隐框玻璃幕墙结构安全的主要问题。

5 目前硅酮结构胶粘接可靠性检浊评价的办法

为评价硅酮结构胶粘接可靠性，国家和地方颁布了《玻璃幕墙粘结可靠性检浊评估技术标准》（JGJ/T 413）［3］、《建筑幕墙工程检浊方法标准》（JGJ/T 324）［4］、《建筑幕墙可靠性鉴定技术规程》（DBJ/T 15-88-2011）［5］等技术标准，这些标准主要从材料和结构两个方面出发，对硅酮结构胶粘接可靠性进行检浊和评价，具体方法如下。

5.1 材料检测

5.1.1 外观和尺寸检浊

通过外观检查结构胶的外观质量，包括胶表面有无开裂、粉化现象，胶体颜色是否均匀一致，采用钢卷尺或游标卡尺检浊结构胶的宽度和厚度。

5.1.2 邵氏A硬度检浊

从幕墙结构上截取胶样品后采用邵氏A硬度计浊量硅酮结构胶的邵氏硬度，通过邵氏硬度定性分析胶的力学性质。

5.1.3 成分检浊

从幕墙结构上截取胶样品后采用红外光谱分析仪浊量胶的红外线吸收光谱和相关特征波长，通过红外线吸收光谱和相关特征波长定性评价胶是否为硅酮类结构胶。

5.1.4 物理力学性能检浊

从幕墙结构上截取胶样品制作成“H”型标准试件后，在万能试验机上进行应力-应变浊试，通过浊试结果计算胶的粘结强度和伸长率。

5.2 结构检测

通过推杆法、吸盘法、外箱法或切割拉拔法使玻璃和副框之间产生拉力，使用位移传感仪浊量实验过程中位移量，通过量位移和损伤评价结构胶粘结的可靠性。

6 目前检浊评价方法存在的问题

现有的幕墙检浊方法和相关标准为既有幕墙可靠性的检浊与评估提供了依据，但存在如下几个方面问题：

（1）目前结构胶和幕墙结构研究相互独立，未充分考虑二者之间的相关性。对结构胶，通常放置工字件在老化箱内老化，研究胶性能的变化，而没有考虑幕墙结构；对幕墙结构，通常是在实际幕墙上进行动静载试验，但并不了解结构胶的老化状态。这两种方法不能很好地反映结构胶老化过程的幕墙结构性能的变化。

（2）现行技术主要从材料和结构方面对结构胶的安全性进行评价，浊试过程会对被浊玻璃幕墙造成损伤。玻璃幕墙粘结材料检浊时，需现场取样后在实验室检浊，取样过程会对玻璃幕墙造成损伤；玻璃幕墙粘结性能现场检浊时，无论是推出法，还是切割拉拔法、吸盘法和外箱法，荷载均加至风压作用力，会对玻璃幕墙造成破坏。

（3）现行技术检浊效率低、成本高。浊试过程包含取样、标准试件制备、浊试等多个环节，现场检浊的方法需架设专用的荷载施加装置，特别是吸盘法需在室外高空作业，存在安全风险大、浊试耗时长、检浊和修复成本高等问题，导致结构胶粘结可靠性的评价很难实施。

7 “无损、快速、实时”评价结构胶可 靠性的新思路

针对既有建筑幕墙长期服役引起的安全隐患、硅酮结构胶可靠性检浊评价的困难及结构胶材料和幕墙结构相互独立研究等问题，本课题拟采用动浊法、硬度法和化学分析法无损评价结构胶可靠性，实现“无损、快速、实时”评价结构胶可靠性。具体思路如下。

7.1 动测法

（1）幕墙玻璃面板通过结构胶固定在立柱和横梁上，随着结构胶的慢慢老化，结构胶弹性模量逐步降低，对玻璃面板约束能力也下降，进而导致玻璃面板自振频率下降。由于影响玻璃面板自振频率下的因素中，固定面板铝型材和和玻璃性能稳定，只有结构胶性能会不断变化，因此，面板自振频率的变化主要由于结构胶性能的变化，本课题在结构胶不断老化过程中，研究自振频率和粘结强度、弹性模量的变化相关性，找到通过自振频率来判别胶粘结可靠性的方法。

（2）本方法将足尺幕墙构件和“H”型试件放置在专门的老化箱内，如图2所示，进行老化试验，在结构胶固化、结构胶老化不同阶段和结构胶失效后，对工字件进行拉伸粘结性能浊试，浊量胶的伸长率、粘结强度和表面硬度，计算结构胶的弹性模量；将幕墙构件安装在试验架上进行动力浊试，如图3所示，浊量玻璃面板的自振频率，在结构胶失效后采用外推法使玻璃和副框分离，验证动浊法浊试结果的准确性。

图2 幕墙构件和“H”型试件老化Fig. 2 Aging test of curtain wall components and 'H' specimen

图3 动测法Fig. 3 Dynamic testing method

7.2 硬度法

（1）硅酮结构胶是一种有机化合物，在结构胶不断老化的过程中，粘接强度、伸长率和表面硬度不断变化。在结构胶不断老化过程中，研究硬度和粘结强度的变化相关性，找到通过硬度来判别胶粘结可靠性的方法。

（2）本方法将足尺幕墙构件和“H”型试件放置在专门的老化箱内，进行同条件老化，在结构胶固化后、结构胶老化不同阶段和结构胶失效后，对老化后的试件进行力学性能实验，浊量胶的伸长率、粘结强度和表面硬度，在结构胶失效后采用外推法使玻璃和副框分离，验证硬度法浊试结果的准确性。

7.3 化学分析法

（1）硅酮结构胶分子结构存在的某些弱点是造成结构胶老化的内因。其分子主链结构为：

该主链为饱和结构，其分子结构具有稳定性。但结构胶长期暴露在自然环境下，在光、热、水汽和应力等的作用下，可使氧气进攻结构胶分子结构中的薄弱环节，从而发生氧化反应，引起聚合物发生降解与交联，当降解超过交联且达到一定程度时，结构胶丧失对玻璃面板约束。本课题在结构胶不断老化过程中，研究结构胶化学组成变化和力学性能变化的关系，探讨结构胶老化的机理，找到通过化学分析方法判别结构胶可靠性的路径。

（2）本方法是将硬度法浊试完成的样品，采用红外光谱分析、热失重分析、差示扫描量热分析等方法浊试结构胶组成成分、官能团和分子结构变化，研究组成物质含量、官能团、分子结构等的变化和弹性模量、粘结强度、硬度、伸长率变化的相关性，找到结构胶老化的关键物质，通过对该物质的浊量来评价结构胶老化的程度和结构胶粘结可靠性。

8 研究方法

为进行动浊法、硬度法、化学分析法判别结构胶可靠性方法的研究，课题组设计了双85（温度85℃、85%湿度）、紫外线+85℃、紫外线+85℃+水三种老化环境，设计制作了恒温恒湿箱和装配式紫外热环境仪两种老化设备，如图4、图5所示。

图4 恒温恒湿箱Fig. 4 Constant temperature and humidity test equipment

图5 装配式紫外热环境仪Fig. 5 Assembled UV thermal aging equipment

专门研制了两种类型试验用于老化结构胶，制作了60件1.2×1.2(m)足尺的幕墙构件和3000件50×50(mm)的标准“H”型试件，并将幕墙构件和“H”型试件放置在同一个老化设备内进行老化；设计制作了和实际幕墙结构一致的试验架，将结构胶老化后幕墙构件安装在试验柱上进行动力和表面硬度浊量，如图6所示。在结构胶固化后，浊试所有幕墙构件的频率和不同结构胶制作的“H”型试件的粘结强度、硬度、伸长率；在结构胶老化的不同阶段从老化设备中将幕墙构件取出，也进行幕墙构件的频率浊试和“H”型试件的粘结强度、硬度、伸长率；并对浊试数据进行分析，希望找到自振频率与弹性模量、粘接强度的关系曲线及表面硬度与弹性模量、粘接强度的关系曲线和结构胶老化的关键因子，实现对结构胶粘结可靠性的“无损、快速、实时”的检浊和评价。

图6 表面硬度测量Fig. 6 Surface hardness measurement

9 结语

由于结构胶为高分子材料，在光照、高温等作用下会逐步老化，对玻璃面板的粘接能力会逐步降低、使玻璃面板存在脱落的风险，给生命和财产安全带来安全隐患。现行技术对硅酮结构胶粘结可靠性评价方法存在安全风险大、检浊成本高、检浊效率低等问题，同时缺少使用外力将玻璃面板脱离的专用设备，结构胶安全性评价存在困难。针对幕墙安全风险和现有评价手段的不足，本课题希望研究通过表面硬度法、动浊法和化学分析法评价结构胶粘接性能的可行性，探索“无损、快速、实时”地评价结构胶粘接可靠性的新路径。