幕墻玻璃兩種粘接方式力學性能測試及分析

何丹丹

(中鐵十四局集團建筑工程有限公司,山東 濟南 250000)

1 幕墻密封膠常見病害

中空玻璃外立面美觀,具有隔音、隔熱、防結霜、防潮、抗風壓等優點,使用中空玻璃幕墻的房間可以做到冬暖夏涼,極大地改善生活環境。但幕墻密封膠在使用一段時間后會出現各種問題,如開膠、起鼓、龜裂、粉化等,降低其功能效果和使用年限,影響建筑安全,密封膠常見病害如圖1所示。造成這些病害的原因有:

圖1 密封膠常見病害

(1)密封膠自身性質差[1]。為了降低成本,劣質密封膠在制作過程中會添加大量廉價未處理填料或增塑劑,使得密封膠使用過程中極易開裂。

(2)外力影響[2]。高層建筑在風荷載或地震作用下會出現搖擺震動,幕墻板塊移動擠壓膠縫接口,若接口處密封膠與板塊粘接不牢,膠體就會隨板塊擠壓而凹凸不平呈規則性起鼓。

(3)選型不對。接縫用硅酮密封膠分12.5、20、25、50、100多種等級,每級又有HM和LM兩種次級。不同型號的密封膠在相同工況下有不同的位移量,設計時應根據位移量選用模量、彈性相匹配的耐候密封膠。

(4)基材清潔度不夠。表面清潔度不足,密封膠硫化后粘接強度低,位移形變時因粘接強度差而從表面脫落開裂。

2 幕墻板片常用粘接形式

中空玻璃幕墻施工時,需要將玻璃板片之間、板片與金屬框架之間用玻璃膠粘接在一起,為增強密封效果,需要在玻璃板片接縫處填塞背襯材料,如圖2所示。

圖2 中空玻璃粘接結構

幕墻板片一般設置為移動性接口[3],這就對膠體自身的位移及變形能力提出了一定要求,隱框幕墻板片粘接方式一般有雙面粘接和三面粘接兩種,如圖3所示。

圖3 幕墻板片粘接方式

雙面粘接:玻璃板片左右或上下之間僅涂抹一道密封膠粘在一起,板片與背襯材料之間無粘接,背襯材料一般選用聚乙烯泡沫板,用于控制密封材料的嵌縫深度,防止異物進入。

三面粘接:在玻璃板片之間、板片與背襯材料之間涂抹一層密封膠,形成一個密封隔離層,該粘接形式能夠提供更好的防水、防塵和密封效果,同時還能防止出現過大位移。但此種粘接方式有很大弊端:一是增加膠體用量,二是密封膠處板片無法自由變形,三是粘接處應力分布變得復雜。

選用雙面粘接方式,幕墻中空玻璃結構粘接寬度按照承載能力極限狀態確定,需要盡可能選擇變位能力強的結構膠,確保結構的安全性和可靠性[4]。在往復作用下膠體處受力較好,始終處于彈性工作狀態,耐久性較好。

三面粘接時,由于受到第三面的橫向約束,密封膠無法自由變形,會反復出現撕裂應力和拉伸應力,最終使膠體失去作用,導致中空玻璃喪失功能,嚴重時會直接解體。不同粘接方式時膠體受力狀態如圖4所示。

圖4 不同粘接形態時受力狀態

3 工程案例

濟南睿城項目建筑設計使用年限50 a,外墻均為中空玻璃幕墻。為防止幕墻玻璃出現上述病害,保證結構密封效果及圍護功能正常發揮,提前對玻璃粘接形式進行研究。擬采用硅酮耐候密封膠,其具有良好的耐候性,可以有效地保護玻璃免受外界環境的侵蝕。

密封膠必須粘接牢固、強度達標、變形合理,硅酮耐候密封膠級別通常是指位移能力要達到的等級,常規有12.5級、20級、25級、50級等,即固化后的密封膠可以承受長期反復拉伸和壓縮的能力。選取四種具有不同位移能力的密封膠,基本信息見表1。通過AGS-J電子萬能材料試驗機,研究硅酮耐候密封膠在不同粘接條件下的力學性能。每個測試項目制作2組標準試件,雙面粘接和三面粘接形式各一組,每組4個。密封膠粘接寬度6 mm、厚度9 mm。

表1 密封膠樣品基本信息

4 粘接形式對密封性能的影響

4.1 對剝離粘接性的影響

幕墻板片間使用硅酮耐候密封膠主要是為了防水密封,密封膠的自身粘接性是首要測試項目[5]。根據《建筑用硅酮結構密封膠》(GB16776-2005)附錄D:施工裝配中結構密封膠的試驗方法,在標準條件下養護7 d后,從膠條的一端以垂直90°的角度輕輕撕開,以檢查結構密封膠是否出現內聚破壞或粘接脫落情況。若膠體與板片脫開,說明粘合強度大于其內聚強度;若膠體自身分層剝離,說明內聚強度大于粘合強度,粘接破壞形態如圖5所示。用粘接破壞面積表征內聚破壞強度,試驗過程如圖6所示,粘接破壞形態試驗結果如表2所示。

圖5 粘接性破壞形態

圖6 剝離粘接試驗

表2 剝離試驗測試結果

由此可知,兩種粘接形式的破壞面積幾乎沒有差別。

4.2 對基材拉伸粘接強度的影響

密封膠與基材粘接牢靠,是膠體發揮防水密封功能的基礎[6]。在幕墻中,由于采用了陽極氧化鋁、噴涂粉末等多種技術,可以顯著改善板材的表面質量,但也會導致密封膠的粘合力受到一定程度的損害,因此,在施工之前,必須要做好嚴格的粘合力檢驗,以確保其具備足夠的耐腐蝕性以及耐久性。為確保建筑物的安全可靠,應嚴格遵守《建筑用硅酮結構密封膠》(GB16776-2005)的規范,并開展硅酮密封膠和相應的接觸物質的粘合力檢驗,具體檢驗結果可參見表3。

表3 與基材拉伸粘接強度測試結果

與雙面粘合相比,三面粘合的硅酮密封膠的抗拉力顯著下降,其下降率超過27%,說明當幕墻板材經歷拉力作用時,采用三面粘合的硅酮密封膠更有可能出現破損。

4.3 對拉伸模量的影響

研究發現,當給定伸長率時,密封膠的拉伸模量可以通過應力和伸長率的比值來劃分[7],其中包括較大的模量(HM)和較小的模量(LM)。拉伸模量測試結果如表4所示,可以更好地反映粘合力的變化情況。

表4 拉伸模量的測試結果

根據表4可知,無論是雙面還是單面粘接,當材料經過100%拉伸后,高模量的硅酮耐候密封膠(樣品1、樣品2)的模量變化不大;而三面粘接試件拉伸后,低模量硅酮耐候密封膠的拉伸模量將大幅度增加,增幅達到34%以上。

4.4 對最大拉伸時伸長率的影響

通過測試發現,當拉伸應力達到最大值時,密封膠的伸長率會顯著增加,從而導致密封膠的破壞[8]。為更好指導硅酮耐候密封膠的選型,研究了不同拉伸強度下的伸長率,并將測試結果和統計數據進行了對比,結果見表5。

根據表5,與雙面粘合相比,三面粘合顯著減少了硅酮耐候密封膠的最大拉伸伸長率,其減少量超過16%,說明當采用三面粘合方式施工時,其位移性能下降較顯著。

表5 最大拉伸時伸長率測試結果

5 結束語

在同等作用力下中空玻璃兩面粘接時變位較小,但是會出現較高的應力;三面粘接時,第三面會使膠體性能產生極大不利影響,其中,拉伸粘接的強度可以顯著降低27%,而且當達到最高拉伸強度時其伸長率也可以顯著降低16%,相對于低模量的密封膠拉伸模量可以顯著增加34%。

以上結果表明,采用三面粘接,硅酮耐候密封膠的性能會受嚴重損害,導致膠體無法承受較高變位,極可能產生開裂,進而降低其密封性及防水功能。為確保安全,本項目幕墻板塊之間接合處處理時,采用了PE發泡棒和防粘膠帶來阻止三個方向的粘合。具體實施時,在接縫超過30 mm接頭處,采用PE發泡棒來填補,并要注意控制密封劑的厚薄,以保證其不會滲透到底部;而在接縫小于30 mm接頭處,采用了防粘膠將密封劑和底部分開。實踐表明,這樣處理后,幕墻板片工作正常,1 a后檢查表明接縫處膠體未出現病害,表明兩面粘接具有較好工作性能。