玻璃幕墻結構膠脫膠的檢測方法

高崇亮 程 超 蔡 饒 曹亞軍 王 波

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

目前業(yè)內認定玻璃幕墻的設計使用年限為25年，其中硅酮結構膠作為黏結材料，質保年限僅為10～15年[1]。我國已有大批玻璃幕墻進入老化期，尤其是由于結構膠老化而產(chǎn)生密封不嚴、漏氣滲水等問題日益嚴重，玻璃脫落造成人員受傷和財產(chǎn)損失的事件頻發(fā)。因此，對結構膠運行狀況進行檢測是評判隱框型玻璃幕墻安全性能的關鍵環(huán)節(jié)。目前，常用的結構膠檢測方法有：直接觀察檢查法、破壞性檢查法和無損檢測法。觀察檢查是最簡單的一種玻璃幕墻結構膠狀態(tài)檢測方法，具體可分為目視法和敲擊法[2]，這2種方法是最直接簡單的結構膠狀態(tài)檢測方法，也是最原始的無損檢測方法，其最大的優(yōu)點是方便快捷。但是這2種方法的準確性及精確性都比較差，十分考驗工作人員的細心程度和經(jīng)驗情況，人為因素嚴重影響檢測結果，只能大致判斷缺陷位置及缺陷程度，無法察覺結構膠內部連接和老化情況，僅為詳細檢測提供一個初步參考。破壞性檢查法，具體而言有邵氏硬度檢測法、重新制樣法和紅外光譜分析法等[3]。硬度即描述材料抗刺穿能力或者受壓變形程度的物理量，玻璃幕墻中的硅酮結構膠受環(huán)境因素影響，其硬度會發(fā)生改變，根據(jù)GB 16776—2005《建筑用硅酮結構密封膠》相關規(guī)定，硅酮結構膠的硬度指標為20～60[4]。對結構膠的邵氏硬度進行檢測，并參照相關標準可以定性判斷出結構膠的老化情況。上海市建筑科學研究院的張元發(fā)與陸津龍曾做過相關研究[5]，他們對云南昆明一使用期滿8年的玻璃幕墻進行了邵氏硬度檢測，結果顯示多個取樣位置的邵氏硬度值達到58甚至60，近乎為允許值上限，表明該結構膠效果已經(jīng)較差，應考慮更換。重新制樣法源于美國GE公司提出的一種取樣測試法[6]，即將被測玻璃切割，取樣進行拉拔試驗測試拉伸強度等物理量。廣州建筑科學研究院有限公司的邢宇帆[7]采用此種方法對某玻璃幕墻工程進行了檢測，分不同樓層一共取樣9組，修整試樣后制備成后黏結“H”型試樣4組進行拉伸測試。測試試件的最大強度平均值為1.29 MPa，高于規(guī)范中的要求值0.6 MPa，且最大強度伸長率平均值為88%，彈性一般，定性分析該結構膠強度指標較好。紅外光譜分析法是利用物質對不同波長的紅外輻射的吸收性，進行化學組成和分子結構分析的方法。上海建科檢驗有限公司的徐勤等[8]采用紅外光譜法和熱失重分析法對某幕墻工程進行了檢測，將脫落的玻璃外片進行取樣，對其中的結構膠進行傅里葉變換紅外光譜分析，結果圖譜中742.09 cm－1處出現(xiàn)波峰，這是聚硫膠分子結構中典型的C-S鍵吸收峰，由此判定該結構膠采用的是聚硫膠而非硅酮膠，不符合相關標準。

無損檢測是建筑結構安全檢測的最佳方法，對于結構膠脫膠狀態(tài)的無損檢測方法主要可分為4種：紅外線檢測法、機器視覺檢測法、振動檢測法和聲波檢測法。紅外線檢測主要依靠待測幕墻的溫度狀況實現(xiàn)無損檢測。通過紅外線檢測儀器測量此種溫度差異，便可得知幕墻結構膠狀態(tài)，紅外線檢測法可以實現(xiàn)遠距離、大面積的非接觸式無損檢測，測量結果精確直觀，但是由于設備價格高昂，目前應用較少。機器視覺檢測是一種基于圖像處理的檢測方法，通過將采集的待測幕墻圖像轉換為灰度圖，檢測圖像灰度值與無異常的幕墻灰度圖的區(qū)別，實現(xiàn)結構膠缺陷檢測。江蘇大學的李雷[9]基于航拍無人機及機器視覺技術構建了一種幕墻缺陷檢測系統(tǒng)，可快速安全地進行幕墻缺陷檢測，但是其測量精度受圖像獲取設備及圖像采集方式等條件的制約，檢測結果并不是太好。振動檢測通過對幕墻面板進行激振，測量其輸出振動并進行信號處理分析，進而實現(xiàn)對結構膠狀態(tài)的檢測。中國建筑材料科學研究總院的劉小根等人[10]通過模態(tài)試驗測量玻璃模態(tài)頻率及振型變化，實現(xiàn)了幕墻結構膠損傷老化情況的測量。試驗結果表明，結構膠脫落導致對幕墻玻璃的黏結力下降，脫膠處模態(tài)位移振幅增大，玻璃固有頻率隨之減小，進而通過模態(tài)振型中玻璃四邊振幅及模態(tài)頻率的變化，識別結構膠是否出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象。江蘇大學的陳振宇等人[11]針對結構膠脫膠長度檢測問題，提出了基于瞬態(tài)脈沖動力響應信號的FFT功率譜進行脫黏長度檢測的方法。對4個測試點進行動力響應信號采集，利用FFT功率譜進行信號分析，并完成試驗數(shù)據(jù)的擬合，同時建立相應函數(shù)關系，實現(xiàn)了對結構膠脫膠情況的識別，為幕墻安全性能的評價提供了有效的判據(jù)。聲波檢測法主要利用了聲波信號的相關物理特性來完成測量。聲波檢測法多采用超聲波作為聲源，中國航天空氣動力技術研究院的徐浪等人[12]利用寬帶窄脈沖超聲換能器對結構膠缺陷進行了測量，基于脈沖反射的超聲檢測法，分析回波信號的頻率組成、各成分幅值和相位關系，進而得知脫膠位置，并以6 dB法確定脫膠的邊界情況。聲波檢測法的顯著優(yōu)點是缺陷識別快、定位準，但是測定強度難以明確且數(shù)據(jù)處理較為復雜。

目前，在幕墻結構安全檢測上的應用與研究越發(fā)多樣，但在結構脫膠狀態(tài)無損檢測方面，試驗中邊界條件較簡單，而實際測量中邊界條件復雜，可能與試驗結果有一定差距。基于前期的試驗結果，本文提出了針對全隱框型玻璃幕墻結構膠脫膠檢測的2種方法，分別是基于超聲相控檢測技術和聲刷檢測技術，均可以進行現(xiàn)場實時檢測，并對檢測方法的優(yōu)缺點進行分析，對玻璃幕墻結構膠脫膠檢測發(fā)展提出意見。

1 基于超聲相控技術進行脫膠檢測

超聲波在介質中傳播，經(jīng)過不同材料形成的界面時，會發(fā)生反射和折射。利用這一原理使超聲波入射膠接結構，當結構膠存在脫膠時，這些反射波和折射波會反映脫膠情況的信息。對這些信息進行處理，就可以檢測到結構膠的脫膠情況。超聲相控陣通過多個超聲探頭晶片按一定的規(guī)律分布排列，檢測分辨率更高，并可以直接對缺陷部位進行成像，可直觀查看缺陷外觀及分布，也便于進行缺陷尺寸測量。

1.1 基于超聲相控技術的結構膠脫膠檢測系統(tǒng)

制作了不同脫膠面積、脫膠深度的幕墻試件，玻璃尺寸為300 mm×300 mm，規(guī)格為6 mm＋12A＋6 mm。使用多浦樂研制的Phascan Ⅱ-64超聲相控陣檢測儀搭配5 MHz相控陣探頭進行掃描測試，超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 試驗測量結果

在玻璃幕墻試驗板塊上進行缺陷的設定，如圖2（a）所示。使用超聲相控陣檢測儀對其進行掃描測試，結果見圖2（b）。通過對掃描結果進行脫膠缺陷的長寬測量，得到缺陷尺寸信息如表1所示。

圖2 結構膠脫膠的超聲相控檢測

表1 結構膠缺陷尺寸結果

從結果可以看出，使用超聲相控陣檢測儀對玻璃板塊膠接位置進行成像，可直觀查看脫膠缺陷。使用測量工具對脫膠缺陷的長寬進行測量，并生成包含缺陷尺寸的檢測報告。不同脫膠深度的脫膠缺陷均可檢出脫膠面積，但無法檢出深度信息。

2 基于矢量聲刷技術的脫膠檢測

矢量聲刷技術最主要的是聲矢量傳感器，其可以在寬頻帶范圍內同時測量質點振速、聲壓、聲強和聲功率，全面描述聲場特性。其工作原理為：基于熱線原理的矢量傳聲器，利用聲場對熱線構成的溫度場梯度的響應，直接獲得聲場中的質點振速，可在微小結構條件下獲得聲波質點振動速度分量信息，在毫米級尺度上得到精確的聲場完整信息。基于矢量聲刷傳感器特點，搭建脫膠檢測系統(tǒng)，在無損狀態(tài)下進行結構膠脫膠位置和大小檢測。

2.1 基于矢量聲刷技術的結構膠脫膠檢測系統(tǒng)

搭建的檢測系統(tǒng)包括聲矢量傳感器、激勵聲源和處理軟件。激勵聲源由一個振動喇叭構成，輸入一個電信號通過振動喇叭使得玻璃幕墻產(chǎn)生特定頻率、振幅的振動。檢測人員手持聲矢量傳感器滑過玻璃結構膠處，利用聲矢量傳感器平穩(wěn)滑過玻璃表面（無接觸），收集特定參數(shù)，再通過計算機檢測得到不同位置的不同振動頻率。通過觀察與計算質點振速，判斷結構膠完整情況以及缺陷位置，檢測系統(tǒng)進行脫膠檢測原理如圖3所示。

圖3 玻璃幕墻結構膠狀態(tài)的檢測示意

2.2 試驗測量結果

圖4給出了激勵聲源在不同位置處進行激勵得到的缺陷結果。從測試結果可以看出，激勵位置不同，在玻璃幕墻面板表面產(chǎn)生的振動響應效果也不一樣，缺陷在玻璃面板表面產(chǎn)生的振動影響也不相同。從測試結果可以看出，在中間位置進行激勵，缺陷結果顯示更加明顯。

圖4 聲源不同激勵位置測試及結果

圖5給出了不同振源頻率下，缺陷的響應結果。隨著振源頻率從300 Hz增大至1 kHz，缺陷的位置和大小可以在玻璃幕墻面板的質速譜上更好地顯現(xiàn)。

圖5 不同缺陷檢測測試及結果

3 結語

玻璃幕墻的結構膠狀態(tài)檢測已有多種方法，從最簡單的肉眼觀察到破壞性的邵氏硬度測量，再發(fā)展到諸多的無損檢測手段，每一種方法都各有優(yōu)勢，亦各存在不足。目前的諸多方法基本都停留在定性判斷階段，均難以用直觀方式給出結構膠是否脫膠的確切標準。

本文提出的基于超聲相控和矢量聲刷的無損檢測方法均能夠快速完成結構膠的缺陷檢測，方便快捷，可直接用于現(xiàn)場檢測，同時檢測結果以圖像的方式直觀顯示，相對其他方法，此裝置對用戶十分友好。但2種方法均存在著不足，超聲相控檢測方法的檢測設備較為昂貴，掃描速度較慢，現(xiàn)場檢測消耗時間較長。矢量聲刷檢測技術的精度有待提高，且現(xiàn)場檢測中需要排除噪聲對檢測的影響。針對這2種試驗方法，通過將脫膠面積代入結構計算公式，可計算玻璃板塊安全系數(shù)，從而評價隱框型玻璃幕墻的安全性能，實現(xiàn)對異常板塊的及時處理，具有較好的實用價值。