硅酮结构密封胶的设计要求及相关标准对比分析

郭月萍，程 鹏，金燕鸿

（郑州中原思蓝德高科股份有限公司，河南 郑州 450001）

硅酮结构密封胶的设计和选择涉及建筑幕墙安全，选用合理的标准以便做出规范的设计对幕墙安全有着至关重要的作用。目前国内外有关建筑用硅酮结构胶的标准主要有我国国家标准GB 16776—2005《建筑用硅酮结构密封胶》、建工行业标准JG/T 475—2015《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》、美国材料协会标准ASTM C1184—2005《硅酮结构密封胶》和欧洲标准ETAG 002—2012《结构密封胶装配套件（SSGK）欧洲技术认证指南》、EN 15434—2010《建筑用玻璃－结构用或抗紫外线密封胶产品标准（用于结构密封装配或外露密封中空玻璃单元）》等。我国现行标准JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》[1]对建筑幕墙用硅酮结构密封胶的设计和选用做出了相应规定，同时美国、欧洲对结构密封的设计和选用也提出了要求，本研究通过分析国内外相关标准及规范要求，对硅酮结构密封胶设计采用标准的合理性进行探讨。

1　 产品标准与设计相关的要求

1.1　ASTM C1184—2005

美国材料协会标准ASTM C1184—2005中对结构胶粘接强度的试样方法为取5个试样进行拉伸试验，记录5个试样的最大拉伸强度并计算其平均值，要求在23 ℃下的强度平均值≥0.345 MPa[2]。按照强度设计值0.14 MPa计算，其最小设计安全系数约为2.5。虽然最小设计安全系数不大，但是标准ASTM C1184—2005中要求结构胶在高温88 ℃、低温-29 ℃、浸水和水紫外光照老化后的强度平均值均≥0.345 MPa，即结构胶老化后的拉伸粘接强度性能和初始的要求一致，且经过老化后设计安全系数仍保持在2.5以上，意在保证结构胶的耐久稳定性。但实际上，有些结构胶产品为通过该标准要求，将初始强度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰减，但仍能满足标准要求。例如：产品初始强度为1.5 MPa，经老化试验后强度衰减70%，仅仅保留30%，则老化后强度值为0.45 MPa，仍然满足标准中≥0.345 MPa的要求。

1.2　GB 16776—2005

GB 16776—2005主要参照美国标准ASTM C1184编制，23 ℃拉伸粘接性的考查也是取5个试样进行拉伸试验，要求5个试样的拉伸粘接强度平均值≥0.60 MPa[3]。按照强度设计值0.14 MPa计算，其最小设计安全系数约为4。GB 16776—2005标准对结构胶的耐老化性能要求结构胶在高温90 ℃、低温-30 ℃、浸水和水紫外光照老化后的强度平均值均≥0.45 MPa，较初始强度的要求有所降低，但老化后的设计安全系数仍保持在3以上，意在控制结构胶产品具有一定的耐久性。但该要求与美国标准ASTM C1184—2005有同样的弊端，一些结构胶产品将初始强度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰减，但仍然能够满足标准要求。但这类产品老化后性能衰减明显，易出现过早失效现象，使用寿命较短。

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

1.3.1拉伸粘接强度标准值

JG/T 475—2015适用于设计使用年限不低于25年的建筑幕墙工程使用的硅酮结构密封胶，其相关指标参考了欧洲ETAG 002—2012、EN 15434—2010标准[4～6]。关于硅酮结构胶23 ℃拉伸粘接的强度，JG/T 475—2015要 求 强 度 标 准 值Ru，5≥0.50 MPa，标准取值方法参照欧洲标准ETAG 002—2012、 EN 15434—2010，与 我 国 GB 50068—2017《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定是一致的，即材料强度的概率分布宜采用正态分布或对数正态分布，材料强度标准值取其概率分布的0.05分位值确定[7]。强度标准值计算方法为10个平行试样的强度平均值扣除其标准偏差影响后得出的数值，计算公式如式（1）、式（2）所示。

式中，Ru,5为75%置信度时给定的典型强度值，95%试验结果将高于该值；Xmean，23℃为23℃平均拉伸、剪切强度；ταβ为具有75%的置信度，是5%偏差时的因子，该取值与试件数量有关，10个试件时取值2.1（见表1）；S为试验结果的标准偏差；n为每组试件数量。

表1　不同试件数量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，“标准值”和“平均值”这2者概念不同，不宜将JG/T 475—2015和GB 16776—2005标准中强度值技术指标的大小进行直接比较。JG/T 475—2015标准规定拉伸粘接强度标准值≥0.5 MPa，一般是要高于GB 16776中强度平均值≥0.6 MPa要求的。

1.3.2初始刚度及刚度模量

JG/T 475—2015标准要求报告结构胶的初始刚度及拉伸模量（刚度模量），GB 16776—2005标准对该项没有提出要求。初始刚度表征粘接材料及粘接件抵抗弹性变形的能力，以某一特定应变时的应力表示（K12.5即表示应变12.5%时的应力）；刚度模量是密封胶粘接构件变形时拉应力与对应变形量的比值，是表征粘接材料及粘接构件抵抗弹性变形的能力。密封胶拉伸变形受粘接面的约束呈几何非线性，在初始变形阶段（法向应变25%为边界）法线应力与切线应力基本相等，近似于弹性体，应力应变曲线近似一条直线，见图1（a）。通过标准条件下拉伸试验测得5%、10%、15%、20%和25%应变的应力值，通过线性拟合绘制穿过原点的应力-应变曲线，如图2（b）所示，比例系数即为 初 始 刚 度 模 量K0，初 始 刚 度K12.5= 0.125×K0。

初始刚度及模量是结构按承载能力极限状态设计的重要参数，幕墙用结构胶的尺寸设计与刚度模量有着密切关系。如一种结构胶初始刚度模量为2.0，则0.14 MPa对应的伸长率δ值为0.14/2.0=0.07，即此结构胶的变位承受能力为7%，进而可以计算结构胶的设计尺寸。

图1　初始刚度及刚度模量计算示意图Fig.1　Calculation of initial rigidity and initia1 rigidity modulus

1.3.3强度保持率

对结构胶的耐老化性能要求方面，JG/T 475—2015规定了80 ℃、-20 ℃、水紫外光照、高温100 ℃、盐雾、酸雾、清洁剂和机械疲劳等老化试验处理后拉伸粘接强度保持率≥75%，是一动态指标，并非一定值。旨在控制结构胶产品的耐久性，即要求结构胶在长期使用过程中经受各种老化因素的影响，依然能够保持较稳定的性能，具有较长的使用寿命。这也是满足JG/T 475—2015标准的结构胶之所以具有预期25年使用寿命的关键要求。相比ASTM C1184和GB 16776—2005标准中的静态指标，其要求更合理，避免了一些产品为了满足标准要求，大幅度提高23 ℃条件下拉伸粘接强度，以达到老化处理后拉伸粘接强度大量衰减后仍然满足ASTM C1184和GB 16776—2005标准的要求。例如前述示例：结构胶初始23 ℃条件下拉伸强度1.5 MPa，老化后为0.45 MPa，是符合ASTM C1184和GB 16776—2005标准的，但是保持率只有30%（＜75%），不符合JG/T 475—2015标准的要求。

2　 幕墙设计规范要求

2.1　美国相关要求

设计强度相对最大取值为0.14 MPa是缘于许多验证试验及实践得出的结果，已得到验证和业界广泛认可。美国ASTM C 1401—2014《结构密封胶装配标准指南》标准中第27.4、27.5条规定，结构密封胶的最大拉伸强度应符合ASTM C1184标准中规定的≥0.345 MPa的要求，最大设计强度为0.14 MPa，最小设计安全系数为2.5，根据特定结构密封胶的最大拉伸强度和所确定设计安全系数，设计强度可小于0.14 MPa[8]。ASTM C1401中第24.3.1条指出，虽然结构密封胶的最大拉伸强度一般是高于0.345 MPa的，但不能因此就将设计强度提高到0.14 MPa以上，延长结构胶使用寿命的关键在于经过环境老化后还能保持良好的粘接性能。ASTM C1401中第30.3.5条指出，结构胶承受反复拉伸疲劳的次数随着应力幅度的增大而剧减，即提高设计强度会导致疲劳寿命明显降低。因此，为保证幕墙安全，应该主要关注结构密封胶的耐老化性能以延长使用寿命；为降低设计风险，可提高设计安全系数，而不是提高强度设计值，设计强度值不应超过0.14 MPa，否则会造成安全风险。

2.2　国内相关要求

关于硅酮结构密封胶粘接强度设计值取值，我国参照美国相关规范，已将强度设计值0.14 MPa纳入到相应的规范要求中，用于结构胶的粘接尺寸设计。

2.2.1幕墙用硅酮结构密封胶粘接宽度设计

JGJ 102—2003标准第5.6章节规定，在风荷载作用下，硅酮结构密封胶的粘接宽度按式（3）计算。

式中，cs为 硅酮结构密封胶的粘接宽（mm）；为作用在计算单元上的风荷载设计值（kN/m2）；为四边打胶时，指矩形玻璃板的短边长度（仅2对边打胶时，指2对边胶的胶体相对距离）（mm）；f1为硅酮结构密封胶在风荷载或地震作用下的强度设计值，取值为0.2 N/mm2。

2.2.2幕墙用硅酮结构密封胶厚度设计

JGJ 102—2003标准第5.6.5条规定，硅酮结构密封胶的粘接厚度按照公式（4）、（5）进行计算。

式中，ts为 硅酮结构密封胶的粘接厚度（mm）；us—幕墙玻璃相对于铝合金框的位移（mm），必要时还应考虑温度变化产生的相对位移；θ为风荷载标准值作用下主体结构的楼层弹性层间位移角限值（rad）；hg为 玻璃面板高度（取其边长a或b）（mm）；δ为硅酮结构密封胶的变位承受能力，取对应于其受拉应力为0.14 N/mm2时的伸长率。

JGJ 102—2003标准中结构胶强度设计值取值为0.2 N/mm2，条文说明指出，这是套用概率极限状态的设计方法，风荷载分项系数取值为1.4，将标准值0.14 N/mm2乘以分项系数1.4约等于0.2 N/mm2，即定为风荷载作用下的强度设计值，可见结构胶的粘接强度设计值仍为0.14 N/mm2[1]。硅酮结构密封胶的变位承受能力δ是取极限设计强度0.14 N/mm2对应的应变，通过JG/T 475—2015标准要求报告的初始刚度及模量可以获取δ值的大小。经大量工程的实践证明，采用0.14 N/mm2设计值进行设计选材为建筑幕墙结构安全提供了基本的保证。

2.3　欧洲标准体系相关要求

欧洲标准体系将强度标准值用于设计选材，强度设计值是根据材料的强度标准值按6倍的设计安全系数进行计算的，即强度设计值可以取标准值的1/6。设计方法不同于我国的规范要求——强度设计值取定值0.14 MPa。有观点认为，按照欧洲标准要求结构密封胶的强度标准值应该达到6倍的设计强度、即0.14×6=0.84 MPa以上，其实这种观点是错误的，原因有以下几个方面。

（1）该观点将欧洲体系的设计方式与我国的相关要求断章取义、混为一谈，将我国规范要求的强度设计值0.14 MPa套用欧洲标准要求的安全系数6来确定对标准值的要求。

（2）欧洲在产品标准EN 15434—2010中规定了23 ℃拉伸粘接强度标准值Ru，5≥0.50 MPa，并不是要求结构胶产品的强度值一定要达到0.84 MPa以上。标准ETAG 002—2012附录A2.0中指出，设计安全系数可以选用6倍进行计算，并非是要求必须取定值6作为安全系数。

（3）如果按照该观点片面地将结构胶强度标准值要求由“≥0.50 MPa”提升至“≥0.84 MPa”，引导结构胶产品朝着较高强度方向发展，按照6倍的安全系数进行设计，强度设计值必然远远超过0.14 MPa，如结构胶强度达到1.5 MPa，按照6倍的安全系数计算，设计值高达0.25 MPa，大大超出业界公认的强度设计值限值0.14 MPa，势必增大幕墙 安 全风险[8，9]。

欧洲标准设置强度保持率指标，设计控制结构胶在经过各种环境及复杂受力老化后，力学性能没有大的衰减，始终保持较稳定的性能。JG/T 475—2015标准同样采用了该要求，这也是由于满足欧洲标准ETAG 002—2012及行业标准JG/T 475—2015的结构胶之所以具有预期25年使用寿命的主要原因，而并非是其设计的安全系数取值高于我国的要求。

3　 结论

（1）我国JGJ 102—2003标准中对硅酮结构密封胶的设计，强度设计值取定值为0.14 MPa，是采用结构胶强度“标准值”的缘故，而并非强度“平均值”，“标准值”和“平均值”这2者概念不同，标准JG/T 475—2015规定的“标准值≥0.5 MPa”，一般是高于GB 16776—2005规定的“平均值≥0.6 MPa” 要求 的， 此外 ，JG/T 475—2015标准还要求报告初始刚度及刚度模量，JG/T 475—2015标准与规范JGJ 102—2003、GB 50068—2017标准的要求是协调一致的，更加适合规范要求。

（2）幕墙用结构胶的设计方法，国内外均有相应要求，不能将各国的不同要求混为一谈，从而误导结构胶的正确使用。为降低建筑幕墙设计风险，可提高设计安全系数，而不是提高强度设计值，设计强度值不应超过0.14 MPa，否则会造成安全风险。

（3）JG/T 475—2015标准主要参照欧洲标准ETAG 002—2012要求，符合该标准要求的硅酮结构密封胶产品，按照规范进行设计施工，可达到预期25年的使用寿命，与我国规范JGJ 102—2003规定的“幕墙的结构设计使用年限不应少于25年”相一致。JG/T 475—2015标准科学先进，应得到正确的引导宣传和应用，以促进建筑幕墙工程质量的稳定及安全。