硅酮結構密封膠的設計要求及相關標準對比分析

郭月萍，程 鵬，金燕鴻

（鄭州中原思藍德高科股份有限公司，河南 鄭州 450001）

硅酮結構密封膠的設計和選擇涉及建筑幕墻安全，選用合理的標準以便做出規范的設計對幕墻安全有著至關重要的作用。目前國內外有關建筑用硅酮結構膠的標準主要有我國國家標準GB 16776—2005《建筑用硅酮結構密封膠》、建工行業標準JG/T 475—2015《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》、美國材料協會標準ASTM C1184—2005《硅酮結構密封膠》和歐洲標準ETAG 002—2012《結構密封膠裝配套件（SSGK）歐洲技術認證指南》、EN 15434—2010《建筑用玻璃－結構用或抗紫外線密封膠產品標準（用于結構密封裝配或外露密封中空玻璃單元）》等。我國現行標準JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》[1]對建筑幕墻用硅酮結構密封膠的設計和選用做出了相應規定，同時美國、歐洲對結構密封的設計和選用也提出了要求，本研究通過分析國內外相關標準及規范要求，對硅酮結構密封膠設計采用標準的合理性進行探討。

1　 產品標準與設計相關的要求

1.1　ASTM C1184—2005

美國材料協會標準ASTM C1184—2005中對結構膠粘接強度的試樣方法為取5個試樣進行拉伸試驗，記錄5個試樣的最大拉伸強度并計算其平均值，要求在23 ℃下的強度平均值≥0.345 MPa[2]。按照強度設計值0.14 MPa計算，其最小設計安全系數約為2.5。雖然最小設計安全系數不大，但是標準ASTM C1184—2005中要求結構膠在高溫88 ℃、低溫-29 ℃、浸水和水紫外光照老化后的強度平均值均≥0.345 MPa，即結構膠老化后的拉伸粘接強度性能和初始的要求一致，且經過老化后設計安全系數仍保持在2.5以上，意在保證結構膠的耐久穩定性。但實際上，有些結構膠產品為通過該標準要求，將初始強度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰減，但仍能滿足標準要求。例如：產品初始強度為1.5 MPa，經老化試驗后強度衰減70%，僅僅保留30%，則老化后強度值為0.45 MPa，仍然滿足標準中≥0.345 MPa的要求。

1.2　GB 16776—2005

GB 16776—2005主要參照美國標準ASTM C1184編制，23 ℃拉伸粘接性的考查也是取5個試樣進行拉伸試驗，要求5個試樣的拉伸粘接強度平均值≥0.60 MPa[3]。按照強度設計值0.14 MPa計算，其最小設計安全系數約為4。GB 16776—2005標準對結構膠的耐老化性能要求結構膠在高溫90 ℃、低溫-30 ℃、浸水和水紫外光照老化后的強度平均值均≥0.45 MPa，較初始強度的要求有所降低，但老化后的設計安全系數仍保持在3以上，意在控制結構膠產品具有一定的耐久性。但該要求與美國標準ASTM C1184—2005有同樣的弊端，一些結構膠產品將初始強度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰減，但仍然能夠滿足標準要求。但這類產品老化后性能衰減明顯，易出現過早失效現象，使用壽命較短。

1.3　JG/T 475—2015（ETAG 002—2012、EN 15434—2010）

1.3.1拉伸粘接強度標準值

JG/T 475—2015適用于設計使用年限不低于25年的建筑幕墻工程使用的硅酮結構密封膠，其相關指標參考了歐洲ETAG 002—2012、EN 15434—2010標準[4～6]。關于硅酮結構膠23 ℃拉伸粘接的強度，JG/T 475—2015要 求 強 度 標 準 值Ru，5≥0.50 MPa，標準取值方法參照歐洲標準ETAG 002—2012、 EN 15434—2010，與 我 國 GB 50068—2017《建筑結構可靠度設計統一標準》的規定是一致的，即材料強度的概率分布宜采用正態分布或對數正態分布，材料強度標準值取其概率分布的0.05分位值確定[7]。強度標準值計算方法為10個平行試樣的強度平均值扣除其標準偏差影響后得出的數值，計算公式如式（1）、式（2）所示。

式中，Ru,5為75%置信度時給定的典型強度值，95%試驗結果將高于該值；Xmean，23℃為23℃平均拉伸、剪切強度；ταβ為具有75%的置信度，是5%偏差時的因子，該取值與試件數量有關，10個試件時取值2.1（見表1）；S為試驗結果的標準偏差；n為每組試件數量。

表1　不同試件數量τα β因子的取值Tab.1　Parameterτα βas a function of test pieces number

由上述公式可以看出，“標準值”和“平均值”這2者概念不同，不宜將JG/T 475—2015和GB 16776—2005標準中強度值技術指標的大小進行直接比較。JG/T 475—2015標準規定拉伸粘接強度標準值≥0.5 MPa，一般是要高于GB 16776中強度平均值≥0.6 MPa要求的。

1.3.2初始剛度及剛度模量

JG/T 475—2015標準要求報告結構膠的初始剛度及拉伸模量（剛度模量），GB 16776—2005標準對該項沒有提出要求。初始剛度表征粘接材料及粘接件抵抗彈性變形的能力，以某一特定應變時的應力表示（K12.5即表示應變12.5%時的應力）；剛度模量是密封膠粘接構件變形時拉應力與對應變形量的比值，是表征粘接材料及粘接構件抵抗彈性變形的能力。密封膠拉伸變形受粘接面的約束呈幾何非線性，在初始變形階段（法向應變25%為邊界）法線應力與切線應力基本相等，近似于彈性體，應力應變曲線近似一條直線，見圖1（a）。通過標準條件下拉伸試驗測得5%、10%、15%、20%和25%應變的應力值，通過線性擬合繪制穿過原點的應力-應變曲線，如圖2（b）所示，比例系數即為 初 始 剛 度 模 量K0，初 始 剛 度K12.5= 0.125×K0。

初始剛度及模量是結構按承載能力極限狀態設計的重要參數，幕墻用結構膠的尺寸設計與剛度模量有著密切關系。如一種結構膠初始剛度模量為2.0，則0.14 MPa對應的伸長率δ值為0.14/2.0=0.07，即此結構膠的變位承受能力為7%，進而可以計算結構膠的設計尺寸。

圖1　初始剛度及剛度模量計算示意圖Fig.1　Calculation of initial rigidity and initia1 rigidity modulus

1.3.3強度保持率

對結構膠的耐老化性能要求方面，JG/T 475—2015規定了80 ℃、-20 ℃、水紫外光照、高溫100 ℃、鹽霧、酸霧、清潔劑和機械疲勞等老化試驗處理后拉伸粘接強度保持率≥75%，是一動態指標，并非一定值。旨在控制結構膠產品的耐久性，即要求結構膠在長期使用過程中經受各種老化因素的影響，依然能夠保持較穩定的性能，具有較長的使用壽命。這也是滿足JG/T 475—2015標準的結構膠之所以具有預期25年使用壽命的關鍵要求。相比ASTM C1184和GB 16776—2005標準中的靜態指標，其要求更合理，避免了一些產品為了滿足標準要求，大幅度提高23 ℃條件下拉伸粘接強度，以達到老化處理后拉伸粘接強度大量衰減后仍然滿足ASTM C1184和GB 16776—2005標準的要求。例如前述示例：結構膠初始23 ℃條件下拉伸強度1.5 MPa，老化后為0.45 MPa，是符合ASTM C1184和GB 16776—2005標準的，但是保持率只有30%（＜75%），不符合JG/T 475—2015標準的要求。

2　 幕墻設計規范要求

2.1　美國相關要求

設計強度相對最大取值為0.14 MPa是緣于許多驗證試驗及實踐得出的結果，已得到驗證和業界廣泛認可。美國ASTM C 1401—2014《結構密封膠裝配標準指南》標準中第27.4、27.5條規定，結構密封膠的最大拉伸強度應符合ASTM C1184標準中規定的≥0.345 MPa的要求，最大設計強度為0.14 MPa，最小設計安全系數為2.5，根據特定結構密封膠的最大拉伸強度和所確定設計安全系數，設計強度可小于0.14 MPa[8]。ASTM C1401中第24.3.1條指出，雖然結構密封膠的最大拉伸強度一般是高于0.345 MPa的，但不能因此就將設計強度提高到0.14 MPa以上，延長結構膠使用壽命的關鍵在于經過環境老化后還能保持良好的粘接性能。ASTM C1401中第30.3.5條指出，結構膠承受反復拉伸疲勞的次數隨著應力幅度的增大而劇減，即提高設計強度會導致疲勞壽命明顯降低。因此，為保證幕墻安全，應該主要關注結構密封膠的耐老化性能以延長使用壽命；為降低設計風險，可提高設計安全系數，而不是提高強度設計值，設計強度值不應超過0.14 MPa，否則會造成安全風險。

2.2　國內相關要求

關于硅酮結構密封膠粘接強度設計值取值，我國參照美國相關規范，已將強度設計值0.14 MPa納入到相應的規范要求中，用于結構膠的粘接尺寸設計。

2.2.1幕墻用硅酮結構密封膠粘接寬度設計

JGJ 102—2003標準第5.6章節規定，在風荷載作用下，硅酮結構密封膠的粘接寬度按式（3）計算。

式中，cs為 硅酮結構密封膠的粘接寬（mm）；為作用在計算單元上的風荷載設計值（kN/m2）；為四邊打膠時，指矩形玻璃板的短邊長度（僅2對邊打膠時，指2對邊膠的膠體相對距離）（mm）；f1為硅酮結構密封膠在風荷載或地震作用下的強度設計值，取值為0.2 N/mm2。

2.2.2幕墻用硅酮結構密封膠厚度設計

JGJ 102—2003標準第5.6.5條規定，硅酮結構密封膠的粘接厚度按照公式（4）、（5）進行計算。

式中，ts為 硅酮結構密封膠的粘接厚度（mm）；us—幕墻玻璃相對于鋁合金框的位移（mm），必要時還應考慮溫度變化產生的相對位移；θ為風荷載標準值作用下主體結構的樓層彈性層間位移角限值（rad）；hg為 玻璃面板高度（取其邊長a或b）（mm）；δ為硅酮結構密封膠的變位承受能力，取對應于其受拉應力為0.14 N/mm2時的伸長率。

JGJ 102—2003標準中結構膠強度設計值取值為0.2 N/mm2，條文說明指出，這是套用概率極限狀態的設計方法，風荷載分項系數取值為1.4，將標準值0.14 N/mm2乘以分項系數1.4約等于0.2 N/mm2，即定為風荷載作用下的強度設計值，可見結構膠的粘接強度設計值仍為0.14 N/mm2[1]。硅酮結構密封膠的變位承受能力δ是取極限設計強度0.14 N/mm2對應的應變，通過JG/T 475—2015標準要求報告的初始剛度及模量可以獲取δ值的大小。經大量工程的實踐證明，采用0.14 N/mm2設計值進行設計選材為建筑幕墻結構安全提供了基本的保證。

2.3　歐洲標準體系相關要求

歐洲標準體系將強度標準值用于設計選材，強度設計值是根據材料的強度標準值按6倍的設計安全系數進行計算的，即強度設計值可以取標準值的1/6。設計方法不同于我國的規范要求——強度設計值取定值0.14 MPa。有觀點認為，按照歐洲標準要求結構密封膠的強度標準值應該達到6倍的設計強度、即0.14×6=0.84 MPa以上，其實這種觀點是錯誤的，原因有以下幾個方面。

（1）該觀點將歐洲體系的設計方式與我國的相關要求斷章取義、混為一談，將我國規范要求的強度設計值0.14 MPa套用歐洲標準要求的安全系數6來確定對標準值的要求。

（2）歐洲在產品標準EN 15434—2010中規定了23 ℃拉伸粘接強度標準值Ru，5≥0.50 MPa，并不是要求結構膠產品的強度值一定要達到0.84 MPa以上。標準ETAG 002—2012附錄A2.0中指出，設計安全系數可以選用6倍進行計算，并非是要求必須取定值6作為安全系數。

（3）如果按照該觀點片面地將結構膠強度標準值要求由“≥0.50 MPa”提升至“≥0.84 MPa”，引導結構膠產品朝著較高強度方向發展，按照6倍的安全系數進行設計，強度設計值必然遠遠超過0.14 MPa，如結構膠強度達到1.5 MPa，按照6倍的安全系數計算，設計值高達0.25 MPa，大大超出業界公認的強度設計值限值0.14 MPa，勢必增大幕墻 安 全風險[8，9]。

歐洲標準設置強度保持率指標，設計控制結構膠在經過各種環境及復雜受力老化后，力學性能沒有大的衰減，始終保持較穩定的性能。JG/T 475—2015標準同樣采用了該要求，這也是由于滿足歐洲標準ETAG 002—2012及行業標準JG/T 475—2015的結構膠之所以具有預期25年使用壽命的主要原因，而并非是其設計的安全系數取值高于我國的要求。

3　 結論

（1）我國JGJ 102—2003標準中對硅酮結構密封膠的設計，強度設計值取定值為0.14 MPa，是采用結構膠強度“標準值”的緣故，而并非強度“平均值”，“標準值”和“平均值”這2者概念不同，標準JG/T 475—2015規定的“標準值≥0.5 MPa”，一般是高于GB 16776—2005規定的“平均值≥0.6 MPa” 要求 的， 此外 ，JG/T 475—2015標準還要求報告初始剛度及剛度模量，JG/T 475—2015標準與規范JGJ 102—2003、GB 50068—2017標準的要求是協調一致的，更加適合規范要求。

（2）幕墻用結構膠的設計方法，國內外均有相應要求，不能將各國的不同要求混為一談，從而誤導結構膠的正確使用。為降低建筑幕墻設計風險，可提高設計安全系數，而不是提高強度設計值，設計強度值不應超過0.14 MPa，否則會造成安全風險。

（3）JG/T 475—2015標準主要參照歐洲標準ETAG 002—2012要求，符合該標準要求的硅酮結構密封膠產品，按照規范進行設計施工，可達到預期25年的使用壽命，與我國規范JGJ 102—2003規定的“幕墻的結構設計使用年限不應少于25年”相一致。JG/T 475—2015標準科學先進，應得到正確的引導宣傳和應用，以促進建筑幕墻工程質量的穩定及安全。