中空玻璃密封間隔材料剪切模量測試方法

2022-09-13 07:32:54張喜德蒙芷萩應敬偉

中國測試 2022年8期

張喜德，蒙芷萩，應敬偉

(1. 廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧 530004; 2. 工程防災與結構安全教育部重點實驗室，廣西南寧 530004;3. 廣西工程防災與結構安全重點實驗室，廣西南寧 530004)

0 引言

中空玻璃是典型的節能玻璃，由兩片玻璃和周邊密封間隔材料組成，密封間隔材料使兩塊玻璃之間形成空腔，內充氣體，通過氣體達到隔熱節能的目的，在綠色節能建筑中被廣泛使用。

中空玻璃的密封間隔材料除了起到密封作用外，還能保持中空玻璃板結構的整體穩定性，并參與中空玻璃板的結構受力，是保證中空玻璃完成預定功能的關鍵部件，密封間隔材料的失效可視為中空玻璃使用功能的失效[1]。常用的密封間隔材料由多種材料組合而成，包括間隔條、硅酮結構密封膠及丁基膠等，各種材料所起的作用各不相同，整體上是一種構成復雜的復合材料。鐘志紅等[2]對影響中空玻璃壽命的因素進行的分析表明，丁基膠對壽命影響占比較重，外道密封膠起輔助密封的作用；張曉通等[3]對硅酮結構膠在隱框玻璃幕墻中的變形進行過研究，結果顯示硅酮結構膠會承擔部分主體結構的側向變形；王龍梅等[4]測試了幾種常用中空玻璃密封膠的拉伸黏結性能；丁蘇華等[5]對不同廠家生產的硅酮結構密封膠進行了測試，對比其拉伸性能及耐久性能；Bert Van Lancker等[6]對硅酮結構膠與玻璃-金屬之間的粘結性能進行了研究；Adam D Lee等[7]對硅酮結構膠的楊氏模量進行了測量；P.L. Rosendahl等[8]對硅酮結構膠的斷裂性能進行了試驗研究。從上述研究中可看出，基本是針對單一材料的研究，由于參與受力的是密封間隔材料的整體結構，僅有單一材料性能并不能反映復合材料的整體性能，尚未發現對密封間隔材料整體性能的研究，我國現行標準及美國ASTM E1300-2016等國外標準中均沒有相關的試驗方法和試驗裝置。

近年來，在大型復雜曲面玻璃幕墻的施工中出現了一種新型方法，稱為冷彎成型法[9]，如南寧吳圩機場新建航站樓，這種方法會使中空玻璃上下兩片發生相對錯動，從而使密封間隔材料整體產生剪切變形，其剪切模量是影響冷彎玻璃設計與施工的關鍵參數[10]，由于我國現行規范沒有相關的試驗設備和方法，張喜德等[11]近期發明了一種新型的密封間隔材料試驗裝置，為推進科技成果轉化[12]，進一步檢驗這一裝置的實用性，本文利用這一裝置進行試驗，以便得出更具體的試驗方法。

1 試驗裝置與測試方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置[11]主要由三塊帶凹槽的金屬板組成，其組裝完成后如圖1所示，為減輕自重的影響，中間的金屬板采用材質較輕的鋁合金材料，試驗前，首先將玻璃切割成合適尺寸嵌入金屬板凹槽中，用環氧樹脂將玻璃與金屬板塊粘結牢固，然后按密封間隔材料施工工藝在兩側的兩片玻璃之間分別安裝好密封間隔材料，兩側對稱布置，使用底部螺栓調整板塊之間的距離，用游標卡尺測量玻璃上下兩端間隙，相差不能大于±0.1 mm，同時左右兩側的間隙平均值相差不能大于±0.1 mm，安裝完成后固定底部螺母，為保證質量，安裝密封間隔材料時應在平整的平臺上進行，并應由有經驗的人員安裝。在運輸過程中應保持裝置的整體穩定性，安裝完成后停放至膠體材料凝固達到強度要求后進行試驗，具體放置時間對不同廠家生產的材料的要求有所不同。

圖1 試驗裝置示意圖

該試驗裝置可進行沿密封間隔材料橫向和縱向兩個方向的剪切試驗，如圖2所示，當進行橫向剪切試驗時，按圖2(a)安裝密封間隔材料，當進行縱向剪切試驗時，按圖2(b)安裝密封間隔材料，圖中同時展示了密封間隔材料在試驗過程中的受力變形情況。

圖2 剪切變形示意圖

1.2 測試方法

待膠體材料強度達到要求后，將試驗裝置移到微機控制電子萬能試驗機進行試驗，現行規程一般規定試驗最大值應在試驗機量程范圍的20%～80%，根據密封間隔材料剪切力的大小，試驗機最大量程不應大于500 N，相對誤差不大于0.5%，分辨率1 N，試驗機應具有同時記錄荷載和位移的功能，能繪制兩者關系曲線并實時顯示。試驗裝置應準確安裝于試驗機的壓板中心位置，并使裝置頂部承壓柱準確對準試驗機上壓板中心。采取連續加載方式，由于試驗加載速度對試驗結果有明顯影響，為保證試驗結果的一致性，應統一加載速度，建議加載速度50～60 N/min。試驗時通過試驗機電腦自動記錄剪切荷載與位移的關系曲線，當曲線發生明顯拐點時即停止試驗。

由于密封間隔材料采用的膠體材料是一種溫度依賴型材料，其剪切模量與溫度相關，在試驗時應在一定溫度環境下進行，應與硅酮結構膠或丁基膠單一材料試驗溫度一致，但對于中空玻璃來說，其工作環境變化較大，必要時應進行不同溫度環境的試驗。

2 試驗數據處理

通過試驗機的試驗直接得到的是密封間隔材料剪切荷載與位移的關系曲線，要得到剪切模量，還需要進行數據處理，密封間隔材料單位面積上的剪應力可用下式表示：

式中：P——試驗機對試件施加的壓力，N；

A——密封間隔材料與玻璃的粘貼面積，簡稱粘貼面積，即為剪切受力面積， mm2。

密封間隔材料剪應變可用下式表示：

式中：s——P作用下產生的剪切位移，mm；

c——密封間隔材料的厚度，即中空玻璃空腔厚度，取試驗裝置兩側玻璃間隙的平均值，mm。

密封間隔材料的剪切模量為剪應力與剪應變比值，可按下式進行計算：

其中G為密封間隔材料剪切模量，N/ mm2。

式(3)得到的是任意荷載下的剪切模量，密封間隔材料是多種材料復合而成，不是線性材料，用系數k表示試驗所得剪切荷載-位移曲線的割線斜率，則由式(3)可得：

式中：k——剪切荷載與位移曲線的割線斜率， N/mm；

Pa——剪切荷載與位移的關系曲線拐點對應的剪切荷載， N；

sa——剪切荷載與位移的關系曲線拐點對應的剪切位移， mm；

a——剪切荷載與位移的關系曲線拐點。

當非線性程度不大時，可用式(4)近似得到密封間隔材料剪切模量。

3 密封間隔材料的剪切模量測試

3.1 試驗設計與試驗過程

為探討中空玻璃板密封間隔材料的剪切模量特性，利用前面的試驗裝置和方法進行試驗，分別設計縱向、橫向的密封間隔材料剪切試件各3組，厚度c值取為9，12，15 mm，前3組為橫向，后3組為縱向，橫向間隔材料的粘貼面積為140 mm×10 mm；縱向間隔材料的粘貼面積為70 mm×10 mm。每組試件3個，取3個試件平均值計算剪切模量，各組試件參數如表1所示。試驗使用的間隔條為中空玻璃常用的鋁隔條，膠體材料為硅酮結構密封膠及丁基膠，由專業廠家按國家生產標準提供，考慮到試驗主要是驗證試驗方法，不再對各組合材料單獨進行材性試驗。

表1 試件參數

試驗在WDW3100微機控制電子萬能試驗機上進行，相對誤差不大于0.5%，分辨率1 N，試驗時設定量程為 500 N，試驗室溫度（25±2） ℃，加載速度50 N/min，試驗過程照片如圖3所示，其中圖3(b)為橫向間隔材料剪切過程，圖3(c)為縱向間隔材料剪切過程。

圖3 試驗過程

3.2 試驗結果與分析

每個試件試驗完成后可得到相應的剪切荷載與位移的關系曲線及其數據文件，取同組3個試件數據平均后可繪制該組的剪切荷載與位移的關系曲線，如圖4為c=9 mm的關系曲線，圖4(a)為橫向，圖4(b)為縱向，其余各組曲線形態基本相同。

圖4 c=9 mm橫向與縱向間隔材料P-s曲線

從圖中可看到，隨著荷載的增加，荷載與剪切位移曲線的非線性程度不大，加載到一定程度時荷載-位移曲線開始出現拐點，在圖中標為a點，將該點設為密封間隔材料剪切受力的極限狀態，每個試件由a點可以得到對應的剪切荷載與位移，列于表2和表3。

表2 Pa試驗結果

表3 sa試驗結果

表中Pai和sai為對應組各試件的試驗值，i=1，2，3，Pa和sa為平均值。各組的Pa值與同組各試件實測值相對差值δ為0.47%～1.73%，sa的是0.26%～3.29%，均不大于5%，試驗數據比較穩定，說明采用該試驗裝置和試驗方法可以得到比較穩定可靠的結果，在減少離散性方面，采用3個試件的平均值作為代表值也合適，為避免不同技術人員在試件制作工藝上的差異和偶然因素對試驗結果的影響，可參考其他材料的測試方法[13]，當一組三個試件中有一個與中值相差達到一定指標時（如15%），可將該試件數據剔除，取其余兩個試件數據平均值作為代表值，當有兩個試件數據與中值相差超過規定指標時，則該組試驗作廢。