基于FTIR的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度測試研究

戴姝 胡卓爾 張偉強(qiáng)

摘 要：為了提升變電站建筑玻璃磚粘接的可靠性，研究基于FTIR分析的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度預(yù)測方法。選取改性硅烷聚氨酯粘接材料ISR70-08作為變電站建筑玻璃磚粘接材料，利用VERTEX70型的顯微紅外光譜儀采集變電站建筑玻璃磚中的粘接材料的FTIR光譜，利用WDW-E型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試變電站建筑玻璃磚的粘接剩余強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法依據(jù)所采集的變電站建筑玻璃磚粘接材料的FTIR光譜，預(yù)測變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度，剩余強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果與實(shí)際剩余強(qiáng)度相差極小。

關(guān)鍵詞：FTIR分析；變電站；建筑玻璃磚；粘接；剩余強(qiáng)度；預(yù)測方法

中圖分類號：TU767.6;TG494.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0057-04

Prediction method of residual bonding strength of glass brick in substation building based on FTIR analysis

DAI Shu，HU Zhuoer，ZHANG Weiqiang

（Foshan Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528000，Guangdang China

）

Abstract：In order to improve the reliability of substation building glass brick bonding，the prediction method of residual strength of substation building glass brick bonding based on FTIR analysis is studied.The modified silane polyurethane bonding material ISR70-08 was selected as the bonding material of substation building glass brick.The FTIR spectra of the bonding material in substation building glass brick were collected by VERTEX70 microinfrared spectrometer，and the bonding residual strength of substation building glass brick was tested by WDW-E electronic universal testing machine.The experimental results showed that by using this method to predict the residual strength of substation building glass brick bonding based on FTIR spectra of the collected bonding materials，and the predicted residual strength had little difference with the actual residual strength.

Key words：FTIR analysis;substation;building glass brick;bonding;residual strength;prediction method

變電站建筑玻璃磚結(jié)構(gòu)可以用于目前變電站主控樓計(jì)算機(jī)室或者通信室的部分平開窗、推拉窗和上懸窗，可減少窗簾的使用，從而進(jìn)一步降低灰塵的聚集［8-9］，而且可以一定程度上解決溫度變化對電氣設(shè)備的影響，同時(shí)玻璃磚結(jié)構(gòu)也可適用于其它建筑及裝飾類材料。

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）是目前常應(yīng)用于材料分析中的重要技術(shù)。為了提升變電站建筑玻璃磚的應(yīng)用性能，研究基于FTIR分析的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)粘接材料剩余強(qiáng)度的預(yù)測，利用預(yù)測結(jié)果確定粘接材料的應(yīng)用性能。

1 基于FTIR的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度分析

1.1 變電站建筑玻璃磚材料制備

玻璃磚結(jié)構(gòu)的制備方法，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中常用玻璃磚制備工藝，目前通常包括熔接法和膠接法。本文采用的方法：

（1）將上述原料玻璃砂、石英砂、氫氧化鋁、碳酸鈉按照1∶??? 0.5∶??????? 0.1∶??????? 0.03的質(zhì)量比例進(jìn)行混合研磨［10］；

（2）將上述混合研磨后的混合料送入焙燒爐中高溫熔融，溫度控制在1 350 ℃，保持2～3 h；

（3）將上述熔融的混合物澆注到玻璃磚主體結(jié)構(gòu)的模具中，采用具有吸熱結(jié)構(gòu)形狀的壓制模具對主體結(jié)構(gòu)的玻璃磚壓制出吸熱結(jié)構(gòu)腔體［11］，然后以45 ℃/s的速率降溫至400 ℃，然后在400 ℃退火即可得到包括吸熱結(jié)構(gòu)的玻璃磚主體結(jié)構(gòu)；

（4）將吸熱材料裝填到吸熱結(jié)構(gòu)的腔體中；

（5）重復(fù)步驟（1）與步驟（2），將熔融的混合物澆注到玻璃磚底層結(jié)構(gòu)的模具中。然后以45 ℃/s的速率降溫至400 ℃，在400 ℃退火即可得到玻璃磚底層結(jié)構(gòu)；

（6）加熱玻璃磚底層結(jié)構(gòu)模具和玻璃磚主體結(jié)構(gòu)模具內(nèi)玻璃磚的表面至軟化狀態(tài)［12］，將玻璃磚主體結(jié)構(gòu)與玻璃磚底層結(jié)構(gòu)連接在一起。

1.2 變電站建筑玻璃磚粘接材料制備

選取改性硅烷聚氨酯粘接材料ISR70-08作為變電站建筑玻璃磚粘接材料，粘接材料與空氣中的水反應(yīng)，形成永久性彈體，利用形成的永久性彈體［13］，粘接變電站建筑玻璃磚。采用該粘接材料粘接變電站建筑玻璃磚，適用于-40～90 ℃，在該溫度范圍內(nèi)，其具有穩(wěn)定的應(yīng)用性能。該粘接材料的粘接基材為變電站建筑玻璃磚，所采用粘接材料的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1.3 材料試件制備

制備變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度預(yù)測的材料試件，通過所制備試件在剪切應(yīng)力狀態(tài)和拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，確定變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度。設(shè)置變電站建筑玻璃磚的對接接頭尺寸為150 mm×150 mm×30 mm，玻璃磚的粘接面積為30 mm×30 mm，變電站建筑玻璃磚搭接接頭的整體尺寸為150 mm×100 mm×10 mm，粘接面積為30 mm×30 mm。所制備試件的兩端均為變電站建筑玻璃磚［14］，中間利用2 mm厚度的粘接材料粘接。

1.4 變電站建筑玻璃磚粘接膠層應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步研究變電站建筑玻璃磚的粘接剩余強(qiáng)度，設(shè)置不同的變電站建筑玻璃磚粘接時(shí)間的粘接角度。假設(shè)膠粘劑的應(yīng)力為均勻分布，與粘接基材的平均應(yīng)力值相同。用Fsinα與Fcosα分別表示變電站建筑玻璃磚粘接膠層粘接面上的正應(yīng)力分量與剪切應(yīng)力分量；F表示變電站建筑粘接試件兩側(cè)的拉力。變電站建筑玻璃磚粘接試件的正應(yīng)力分量表達(dá)式：

σ=Fsinα/S（1）

變電站建筑玻璃磚粘接試件的剪應(yīng)力分量表達(dá)式：

τ=Fcosα/S（2）

式中：F與S分別表示軸向失效載荷和粘接面積。將變電站建筑玻璃磚粘接試件的正應(yīng)力與剪應(yīng)力分量相減，獲取變電站建筑玻璃磚粘接的剩余強(qiáng)度。

1.5 測試指標(biāo)

1.5.1 剩余強(qiáng)度測試

為玻璃磚粘接試件設(shè)置80 ℃溫度、95%相對濕度的濕熱老化環(huán)境，將試件放置于高低溫濕熱環(huán)境箱中，設(shè)置不同的老化試件［15］。完成老化環(huán)境設(shè)置后，將試件放置24 h后，進(jìn)行試件的靜態(tài)拉伸以及剪切試驗(yàn)。為了提升試件的剩余強(qiáng)度檢測可靠性，試件的力學(xué)性能測試每次重復(fù)測試10次。選取濟(jì)南廣成試驗(yàn)儀器有限公司的WDW-E型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，作為變電站建筑玻璃磚粘接試件剩余強(qiáng)度的測試儀器。設(shè)置萬能試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度為1.2 mm/min。

1.5.2 FTIR光譜采集

在長期使用過程中，膠粘劑容易出現(xiàn)老化情況，利用FTIR技術(shù)，分析膠粘劑的剩余強(qiáng)度。采集FTIR光譜時(shí)，采用干凈的刀片，從變電站建筑玻璃接頭的粘接部分，刮下膠粘劑的粉末3 mg，將所采集的膠粘劑粉末，作為FTIR的光譜測試試樣。選取德國Bruker公司的VERTEX70型的顯微紅外光譜儀，采集變電站建筑玻璃磚中的粘接材料的FTIR光譜。利用衰減全反射方式獲取變電站建筑玻璃磚中的粘接材料的FTIR波譜圖，所獲取的波譜范圍為500～4 000 cm-1，光譜的分辨率為5 cm-1。

2 試驗(yàn)分析

2.1 變電站建筑玻璃磚材料強(qiáng)度

分別考察了玻璃磚主體結(jié)構(gòu)體積和吸熱結(jié)構(gòu)體積之間的關(guān)系，其對玻璃磚抗壓強(qiáng)度的影響見表2。

從表2中可以看出，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)體積和吸熱結(jié)構(gòu)體積之比逐漸降低至1∶? 0.08時(shí)，變電站建筑玻璃磚的抗壓強(qiáng)度下降較為明顯。優(yōu)選主體結(jié)構(gòu)體積和吸熱結(jié)構(gòu)體積之比范圍為1∶????? 0.02～1∶ 0.08，更優(yōu)選的范圍為1∶ 0.02～1∶ 0.05。所制備的用于變電站建筑的玻璃磚結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)體積和吸熱結(jié)構(gòu)體積為1∶????? 0.02～1∶ 0.15。

2.2 FTIR光譜測試結(jié)果

為便于定量分析變電站建筑玻璃磚粘接試件在經(jīng)過不同程度的老化后，分析試件粘接材料不同官能團(tuán)的吸光度變化情況。其中的苯環(huán)的含量并不發(fā)生變化。設(shè)置苯環(huán)1 519 cm-1的吸光度作為變電站建筑玻璃磚粘接試件的內(nèi)標(biāo)，完成變電站建筑玻璃磚粘接試件光譜圖的標(biāo)準(zhǔn)化處理。完成標(biāo)準(zhǔn)化處理后的變電站建筑玻璃磚粘接試件的光譜圖如圖1所示。

由圖1可以看出，試件FTIR光譜圖中的吸收峰位置與其官能團(tuán)相對應(yīng)。試件濕熱老化處理前后，試件FTIR光譜的吸收峰位置未存在遷移情況，但是試件FTIR光譜中的部分波數(shù)，與相應(yīng)的吸光強(qiáng)度存在一定的變化。變電站建筑玻璃磚的膠粘劑中的環(huán)氧樹脂的典型官能團(tuán)以及官能團(tuán)對應(yīng)的吸收峰位置如表3所示。

變電站建筑玻璃磚粘接材料中的典型官能團(tuán)的吸光度，伴隨其老化時(shí)間變化的變化結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，伴隨變電站濕熱老化周期的不斷提升，變電站建筑玻璃磚粘接材料中的與—OH相關(guān)的吸收峰3 336 cm-1提升幅度極高，F(xiàn)TIR光譜的試驗(yàn)結(jié)果說明，濕熱的老化環(huán)境下，環(huán)境中的水分將羥基引入至膠粘劑中。羰基與烷基分別位于1 759 cm-1位置和2 960 cm-1位置的光的吸收強(qiáng)度同樣有所提升，圖2中的酯基相關(guān)的吸收峰1 845 cm-1呈現(xiàn)持續(xù)下降的波動幅度。

變電站建筑玻璃磚粘接材料中的官能團(tuán)含量存在改變，因此，利用變電站建筑玻璃磚粘接材料的FTIR光譜，可以有效預(yù)測粘接材料的剩余強(qiáng)度。

2.3 變電站建筑玻璃磚粘接材料剩余強(qiáng)度

對完成濕熱老化后的變電站建筑磚粘接試件，利用電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行拉伸測試。利用變電站建筑磚粘接試件的總應(yīng)力結(jié)果，檢測變電站建筑轉(zhuǎn)粘接材料的剩余強(qiáng)度。變電站建筑玻璃磚粘接試件的剩余強(qiáng)度如表4所示。

對比不同老化日期的變電站建筑玻璃磚粘接材料FTIR光譜圖與剩余強(qiáng)度，將以上數(shù)據(jù)作為支持向量回歸的訓(xùn)練樣本。

3 支持向量回歸的粘接剩余強(qiáng)度預(yù)測方法

將所采集的變電站建筑玻璃磚粘接材料的FTIR光譜，作為支持向量回歸方法的輸入數(shù)據(jù)x。利用非線性映射方法，映射至高維空間中，利用該高維度空間，實(shí)現(xiàn)玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度預(yù)測的線性規(guī)劃。利用支持向量回歸方法預(yù)測變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

fx=∑Di=1wiφix+b（3）

式中：φix與D分別表示非線性映射向量以及輸入的變電站建筑玻璃磚粘接材料的FTIR光譜的組數(shù)；wi與b分別表示權(quán)值以及偏置系數(shù)。利用式（3），將低維度的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度預(yù)測方法轉(zhuǎn)化為高維度問題，將非線性問題轉(zhuǎn)化至線性問題的表達(dá)式如下：

Rw=1D∑Di=1fxi-yiε+λ‖w‖2 （4）

式中：λ與‖w‖分別表示常數(shù)以及權(quán)值結(jié)果的范數(shù)；xi與fxi分別表示輸入的第i個變電站建筑玻璃磚粘接材料FTIR光譜以及輸入數(shù)據(jù)的相應(yīng)剩余強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果；yi與fxi-yi分別表示輸入數(shù)據(jù)的相應(yīng)剩余強(qiáng)度實(shí)際值以及預(yù)測值與實(shí)際值間的最小誤差。最小誤差計(jì)算公式：

fxi-yiε=fxi-yi-ε，fxi-yi≥ε0，other（5）

式中：ε表示設(shè)定的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度閾值。

統(tǒng)計(jì)采用所構(gòu)建的變電站建筑玻璃磚粘接強(qiáng)度預(yù)測模型，預(yù)測不同試件剩余強(qiáng)度的預(yù)測結(jié)果，并將剩余強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果與實(shí)際試件的剩余強(qiáng)度對比，對比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，其可以有效利用輸入的變電站建筑玻璃磚粘接材料的FTIR光譜，預(yù)測變電站建筑玻璃磚粘接的剩余強(qiáng)度。預(yù)測的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度結(jié)果，與實(shí)際的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度結(jié)果吻合度極高。

4 結(jié)語

變電站建筑玻璃磚粘接材料的應(yīng)用可靠性，對于變電站建筑玻璃磚的使用壽命，存在直接關(guān)聯(lián)。將FTIR光譜應(yīng)用于變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度預(yù)測中，通過所采集的變電站建筑玻璃磚粘接材料的FTIR光譜，預(yù)測變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度。利用該預(yù)測方法，可以明確變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度的實(shí)時(shí)變化，在變電站建筑玻璃磚剩余強(qiáng)度較低時(shí)，及時(shí)制定解決策略，提升變電站建筑玻璃磚的應(yīng)用可靠性。

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收稿日期：2023-06-23；修回日期：2023-09-22

作者簡介：戴 姝（1992-），女，設(shè)計(jì)師，研究方向：建筑設(shè)計(jì)與建筑節(jié)能等；E-mail：252915897@qq.com。

引文格式：戴 姝，胡卓爾，張偉強(qiáng).基于FTIR的變電站建筑玻璃磚粘接剩余強(qiáng)度測試研究［J］.粘接，2023，50（11）：57-60.