低模量硅酮耐候密封胶应用优势

庞达诚 蒋金博

硅酮耐候密封胶（下称耐候胶）因其特有的耐紫外线老化、耐气候老化性能，广泛应用于玻璃幕墙、铝板幕墙、石材幕墙等幕墙接缝的密封。在进行幕墙接缝设计时，硅酮耐候密封胶的位移等级和耐久性是目前考虑得比较多的性能，良好的抗位移能力可以保证耐候胶处于拉伸或压缩状态时依然能够维持良好的粘结性能，保持良好的密封状态。而耐久性能方面，除了硅酮胶良好的抗紫外线老化和耐气候老化的特性外，还有不可忽略的一点：密封胶的模量。模量可分为高模量和低模量，低模量耐候胶具有内应力小的特点，在广泛的基材粘结应用中，低模量耐候胶可抵抗接缝长久反复地拉伸压缩而不易破坏基材的粘接界面，可适用基材更广泛，同时具有更好的耐疲劳性能，能够提供长久的接缝密封效果。

国内外建筑用硅酮密封胶标准也有关于低模量密封胶相应的应用要求，如《结构密封胶欧洲标准ETAG002 指南》[1]提到的，幕墙接缝用耐候密封胶建议采用满足标准EN ISO 11600-2002[2]中G-LM类的低模量密封胶产品。

1.硅酮耐候密封胶的模量

1.1 模量的定义

从材料的力学性能来说，模量是指材料在受力状态下应力与应变之比。而密封胶所说的模量，通常是指其正割拉伸模量。按照《建筑密封材料试验方法第8 部分：拉伸粘结性的测定》（GB/T 13477.8-2017）[3]中的规定：将密封胶粘接在两个平行基材的表面之间、制成试件；将试件拉伸至破坏，绘制力值－伸长率曲线，可计算密封胶的正割拉伸模量。

模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定变形的应力也越大，即材料刚度越大；反之模量值越小，使其发生一定变形的应力也随之越小。因此对于不同的用胶部位，硅酮密封胶的性能有所区分，如硅酮结构密封胶用于把玻璃安全、牢固地粘接在铝型材上，需要一定的强度而不希望有大的位移发生，其模量会高一点；而硅酮耐候密封胶用于幕墙嵌缝，需要具有良好的弹性来承受幕墙接缝较大幅度的位移变形，其模量通常会低一些。

1.2 高模量、低模量的划分

建筑用密封胶国际标准《房屋建筑 连接件 密封胶的分类和要求》（ISO 11600-2002）对20%和25%位移等级的密封胶产品做出了高模量（high modulus）和低模量（low modulus）的划分，划分要求为：当密封胶拉伸至相应伸长率时，其在23℃的正割拉伸模量小于等于0.4MPa 且在-20℃的模量小于等于0.6MPa 时，此密封胶分类为低模量；有任何一个条件不满足时，则分类为高模量。国际标准中对模量的划分要求与中国标准《硅酮和改性硅酮建筑密封胶》（GB/T 14683-2017 ）[4]一致，而中国标准涵盖更多的位移等级范围，对20%、25%、35%和50%位移等级的硅酮建筑密封胶进行了高模量和低模量的分类（见表1）。不同的位移等级，其测试时所要求的伸长率有所不同。20 级密封胶产品，测定其伸长率为60%的拉伸模量，而对于25 级及以上的密封胶产品，测定伸长率为100%的拉伸模量。对于符合中国标准《硅酮和改性硅酮建筑密封胶》（GB/T 14683-2017）或国际标准《房屋建筑 连接件 密封胶的分类和要求》（ISO 11600-2002）的耐候胶产品，都会对其模量进行划分。

表1 GB/T 14683-2017 中关于硅酮建筑密封胶（SR）拉伸模量和伸长率的规定

2.国内外标准对密封胶模量的要求

前面提到的国际标准《房屋建筑连接件 密封胶的分类和要求》（ISO 11600-2002“Building construction -Jointing products -Classification and requirements for sealants”）是对房屋建筑接缝密封用密封胶分类、分级的要求，其中就有低模量和高模量的划分，许多建筑密封胶标准的制定都有参考其内容，如美国的《弹性密封胶标准规范》（ASTM C920-14a ）“Standard Specification for Elastomeric Joint Sealants”[5]。而作为全球建筑幕墙体系中对硅酮结构密封胶性能指标、选用设计和应用施工都比较全面的欧洲技术指南《结构密封胶装配体系欧洲技术认证指南》[ETAG002“GUIDELINE FOR EUROPEAN TECHNICAL APPROVAL FOR STRUCTURAL SEALANT GLAZING KITS（SSGK）”]，其对幕墙接缝用耐候密封胶是推荐采用满足标准EN ISO 11600-2002 中G-LM 类低模量密封胶产品的。

美国材料试验协会制定的密封胶应用标准《接缝密封剂使用标准指南》（ASTM C1193-16 ）“Standard Guide for Use of Joint Sealants”[6]涵盖了建筑、车辆或人行道路、机场道路和桥梁等方面的密封胶产品，其结合接缝基材类型和密封胶的应用场景给出了非常详细的说明及选用要求。标准中提到，模量可以作为一个定性密封胶相对刚度的方法，而且这与密封胶受拉伸时对粘结界面产生的应力大小是有间接关系的；对于建筑接缝用密封胶，也提出了相应的低模量密封胶的选用要求。首先，对于密封胶长时间处于拉伸状态的应用状况，用户需要着重考虑密封胶的拉伸模量。特别是一些疏松多孔基材如混凝土基材在使用耐候胶填缝时，需要选择抗拉强度比混凝土抗拉强度低的密封胶（即拉伸模量较低的密封胶），避免在接缝变形时（特别是接缝变宽对密封胶造成拉伸时）由于密封胶抗拉强度过高而导致的基材破裂或脱落。而在国内，用于规范要求装配式建筑接缝用非结构密封胶应用的团体标准《装配式建筑密封胶应用技 术规程》（T/CECS 655-2019）[7]第4.2.3 条中也有相关的规定：当接缝处水泥基材强度较低时，不宜选择高模量建筑密封胶。其次，对密封胶处于压缩状态时，需要考虑密封胶的压缩模量。由于密封胶在承受接缝收缩挤压的时候，同样会对接缝两端的基材表面造成反向的应力，如果密封胶的硬度或刚度过高，一些易碎的基材便会被撑破导致剥落，造成密封失效。

通常来说，模量越低的耐候胶，其变形能力越高，而且低模量密封胶在受到拉伸时对基材表面的应力会更小，在疏松材料或材料表面有涂层等应用中选择模量更低的密封胶可以有效减少脱粘、基材剥落等密封失效的问题发生[6]。尤其是当下外墙建筑新兴的外墙保温及饰面幕墙系统（EIFS），有很多外墙保温及饰面系统材料的厂家是建议耐候胶与材料的底层或底漆层直接进行粘接，而避免耐候胶与饰面层的粘结。其主要原因是饰面层在长久暴露于水汽的过程中，会逐渐出现软化现象，所以当耐候胶受到两端基材的拉伸时，其对饰面层产生的作用力容易引起粘结失效问题。因此外墙保温及饰面幕墙系统应选用低模量的耐候胶产品，以减小耐候胶在随接缝变形时对粘结界面产生的应力[8]，从而起到保持良好粘结密封的作用，保障幕墙系统的长久密封。

此外，密封胶接缝变形不只是单一水平方向的拉伸或压缩，在受到温差、潮湿膨胀、荷载运动（包括风荷载运动、地震运动、活动荷载运动等）、框架弹性变形等各种因素的作用下，密封胶接缝还会同时经历纵向或横向延伸的组合位移[9]。在多种因素且复杂的接缝变形情况下，密封胶会出现局部应力集中，尤其是在粘结界面的位置，形成局部应力过大时容易造成局部的粘结破坏，导致密封失效。

国际常用硅酮密封胶标准规范《弹性接缝密封胶的标准规范》（ASTM C920）的制定也有参考《接缝密封剂使用的标准指南》（ASTM C1193）的相关内容，由此可见幕墙耐候密封胶在设计选用时仍需通过其粘结基材的类型来选择合适模量的耐候胶产品。

3.低模量硅酮耐候密封胶应用优势

3.1 减少耐候胶粘结失效情况

引起耐候胶粘结破坏的原因通常有基材表面有影响粘结的物质、劣质密封胶变硬、密封胶强度高、环境因素（如潮湿、浸水）对粘结力的削弱等。从密封胶自身角度出发，使用高模量耐候胶在遇到接缝变形时，由于其内应力大，比较容易出现粘结破坏的情况（如图1）。从施工角度出发，在接缝清洁不到位的情况下使用高模量耐候胶也会因其自身较大的内应力而容易出现不粘现象。对于以上情况，采用低模量耐候胶时，可以避免因内应力大引起密封胶开裂的情况，也可以降低变形时作用在粘结界面上的内应力，由不粘引起的漏水情况发生概率会降低。

图1 密封胶粘结破坏

3.2 减少基材破坏情况

接缝基材破坏也同样会导致密封失效的不良后果，尤其是当高模量耐候胶应用于表面强度低、表面涂层附着力差或表面强度老化快的材料时，基材被破坏的情况比较常见（见图2）。因此对于疏松的水泥砂浆、蒸压加气混凝土板、饰面涂层保温一体板等材料，使用低模量耐候胶进行接缝密封的话，可以有效降低材料表面被剥离的概率。

图2 基材破坏

3.3 提高耐候胶接缝密封耐久性

减少粘结失效情况，减少基材破坏情况，可以有效地提高耐候胶接缝的密封寿命。除此之外，模量对于密封胶本身的疲劳寿命也有着很大的影响。相关研究测试了硅酮结构密封胶的模量对其耐疲劳性能的影响，测试发现当密封胶模量降低25%，其疲劳循环寿命从14 万次提高到25 万次，寿命提升了78%[10]。因此，低模量耐候胶疲劳寿命的提升等同于提升了接缝的密封耐久性。

总的来说，低模量硅酮密封胶在承受接缝变形时，内应力更小，可以极大降低接缝发生基材破坏、粘结破坏、内聚破坏的概率，极大增加密封胶的疲劳循环次数，提高接缝的密封寿命，保证幕墙接缝持久密封，是未来幕墙、门窗接缝密封胶的发展趋势。

4.小结

模量对密封胶材料的内应力及其作用于粘结界面上的应力有着非常大的关系，因此对于受到温差、潮湿膨胀、荷载运动（包括风荷载运动、地震运动、活动荷载运动等）、框架弹性变形等各种因素而引起的多种且复杂的接缝位移情况，低模量耐候密封胶可以凭借其内应力小的优势，降低接缝发生基材破坏、粘结破坏、内聚破坏的概率。国际上的美国标准、欧洲标准、国际标准和中国标准中都提及低模量密封胶的优势，对其应用也作出了相应的推荐。同时，低模量密封胶更多的疲劳循环次数能够提高接缝的密封寿命，保证幕墙接缝的持久密封。低模量耐候密封胶在幕墙接缝密封应用中具有非常突出的优势，建议用户在接缝设计和产品选用时结合应用情况优先考虑低模量耐候密封胶。