紫外与热耦合环境下的隐框玻璃幕墙结构胶加速老化设备*

2022-10-25郝梦瑶何京波余忠辉谢宇芳张道修

合成材料老化与应用 2022年5期

郝梦瑶，何京波，余忠辉，谢宇芳，张道修

(1 深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心，广东深圳 518051；2 广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)

1 引言

隐框玻璃幕墙是建筑幕墙的一种，其面板材料为钢化玻璃，横向和竖向框架构件不显露于面板室外侧，在高层和超高层结构中广泛使用［1］。隐框玻璃幕墙的面板通过硅酮结构胶与副框连接，硅酮结构胶承担幕墙面板的自重荷载以及面板受风压、温度等因素影响产生的荷载，随着玻璃幕墙使用年限的增长，幕墙的整体性能劣化，隐框玻璃幕墙安全事故时有发生。以实际工程应用的隐框玻璃幕墙为对象，研究隐框玻璃幕墙的玻璃面板与副框之间硅酮结构胶的性能，己成为隐框玻璃幕墙安全性评价的聚焦点。

针对硅酮结构胶老化性能研究的常用做法是将硅酮结构胶制成工字件或哑铃型试件，试件的尺寸和形状符合JG/T 475-2015《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》的要求，并将养护完成的试件置于标准的老化箱中进行人工加速老化或者室外自然曝晒［2-3］，老化后将试件取出，在常温条件下放置特定时间后，按GB 16776-2005进行相关参数测定［4］。己有研究表明，通过人工加速老化试验，紫外老化和高温老化均会对硅酮结构胶的性能产生不同程度的影响［5-6］。

现有的研究设备难以用于足尺幕墙单元的研究，主要原因为：一是研究对象不同，将硅酮结构胶作为幕墙面板边界约束研究面板的振动特性时，需将足尺的幕墙单元作为整体为对象进行研究；二是现有的老化设备功能具有单一性，用于工字件和哑铃型试件的标准老化箱不能满足幕墙单元的老化需求。为了研究整体幕墙单元性能随老化时间的变化规律，本文设计了一种紫外与热耦合的隐框玻璃幕墙结构胶加速老化设备。

2 设备构成与技术参数

2.1 设备系统构成

紫外与热耦合的隐框玻璃幕墙结构胶加速老化设备，包括试验测试工作箱、紫外控制系统、温度控制系统以及主控系统。紫外控制系统、温度控制系统和主控系统布置于试验测试工作箱的侧面，试验测试工作箱用于放置隐框玻璃幕墙单元，紫外控制系统、温度控制系统受控于主控系统；紫外控制系统和温度控制系统产生紫外线和温度以用于加速试验测试工作箱中玻璃幕墙的老化，并将试验测试工作箱中的辐照度和温度信息反馈至主控系统。设备还包括报警保护系统和加载系统，报警保护系统实时监控试验测试工作箱、紫外控制系统和温度控制系统，同时将试验测试工作箱内的辐照度和温度状态反馈至主控系统。老化装置的结构框图如图1所示。

图1 老化装置的结构框图Fig.1 The structure diagram of the aging equipment

2.2 设备模块功能

2.2.1 试验测试工作箱

试验测试工作箱包括顶板、底板以及中间层。中间层焊接于顶板和底板之间；中间层包括角钢形立柱以及承托架；角钢形立柱沿其长度方向间隔焊接有钢片，承托架与钢片焊接，隐框玻璃幕墙单元水平放置于承托架上。顶板和底板内置有保温材料，保温材料为硬质阻燃聚氨酯发泡材质制成，顶板的下表面和底板的上表面均设置反射镜，承托架设有用于将隐框玻璃幕墙单元吊起的挂钩。图2为试验测试工作箱的内部构造图。

图2 老化装置内部构造图Fig.2 The internal structure drawing of the aging equipment

2.2.2 紫外控制系统

紫外控制系统包括辐照度探测器、镇流器以及紫外光源。辐照度探测器用于采集紫外光源信号，镇流器对紫外光源进行功率调节。辐照度探测器用于采集紫外光源信号，并传递至可编程逻辑控制器（PLC）处理，再利用镇流器对紫外光源进行功率调节，使紫外光源的辐照度达到设定值。图3为隐框玻璃幕墙的老化装置中紫外控制系统的结构框图。

图3 老化装置中紫外控制系统的结构框图Fig.3 The UV control system structure diagram of the aging equipment

2.2.3 温度控制系统

温度控制系统包括温度传感器、加热器、抽风机以及循环风道。抽风机的进风口与加热器连接，抽风机的出风口与循环风道连接，循环风道的通风口位于试验测试工作箱内；加热器产生的热量后，通过抽风机将加热空气输送至循环风道，温度传感器监测试验测试工作箱内温度并将温度数据发送至主控系统，主控系统分析温度数据后反馈调节加热器的加热功率。图4为隐框玻璃幕墙的老化装置中温度控制系统的结构框图。

图4 老化装置中温度控制系统的结构框图Fig.4 The temperature control system structure diagram of the aging equipment

2.3 设备技术参数

设备的工作箱承托架的尺寸为1200mm×1200mm，试验工作室设置10层，每层净空100mm。紫外光源采用T12型UVB 313紫外光源，单只功率40W，每个工作箱采用80根紫外灯源。镇流器采用德国HEP可调节镇流器，最大可调节功率为55W，能够驱动40W紫外光源，实现辐照度强度0.95W/m2UVB。加热器采用750W的鼓风风机，由循环风道产生空气流动将加热器产生的热量均匀分布在试验测试工作箱。试验测试工作箱的温度设定为80℃。

（1）试验测定工作箱

① 以高层和超高层常用的中空玻璃幕墙为研究对象，中空玻璃的规格选用常见的“6+12A+6”，即：内层玻璃和外层玻璃的厚度为12mm，中空玻璃中间的间隔层（空气层）厚度为9mm。本文中隐框玻璃幕墙单元的尺寸设定为1200mm×1200mm。根据待测隐框玻璃幕墙单元的尺寸，实验测试工作箱承托架的尺寸为1200mm×1200mm。为了放置更多数量的幕墙单元，试验工作室设置10层，每层净空100mm。

② 为满足隐框玻璃幕墙单元S和试验测试工作箱的尺寸，选择尺寸偏小的传感器和千斤顶。千斤顶一端顶于试验测试工作箱的立柱，另一端与测力传感器相连，测力传感器的另一端顶于隐框玻璃幕墙单元S侧面，其中试验测试工作箱的立柱、千斤顶、力传感器和隐框玻璃幕墙单元S侧面之间均放置垫片。其中一个千斤顶布置在隐框玻璃幕墙单元S的一侧，另一个千斤顶布置在隐框玻璃幕墙单元S的面板上，能够模拟硅酮结构胶受剪切力的情况。

（2）紫外控制系统

紫外灯源的放置如图5所示。紫外系统中的辐照度探测器的作用是监测辐照度光信号强度，优选用光谱响应区间在200～400 nm的光敏二级管作为辐照度探头，可以有效覆盖UVA（315～400 nm）和UVB（285～390nm）两种紫外光源的发光光谱范围，且具有良好的温度稳定性。UVB313所采用的短波长比目前地球表面上通常找到的UV光波波长更短，破坏性更强，可模拟波长为285～390 nm的太阳光紫外线光谱，因此选用UVB313型灯作为待测隐框玻璃幕墙单元S人工加速老化的光源，UVB313型灯采用德国HEP可调节镇流器驱动，实现0.95W/m2UVB辐照度强度。

图5 紫外灯源的布置Fig.5 Arrangement of UV lamp source

（3）温度控制系统

采用加热器对整个实验测试工作箱进行加热，加热器采用750W的鼓风机，加热器产生热量后，通过抽风机将加热空气输送至循环风道，循环风道产生空气流动使热量均匀分布在试验测试工作箱内，使得工作箱内的所有试件受热均匀。试验测试工作箱内温度设定为80℃且可控，温度传感器监测试验测试工作箱内温度并将温度数据发送至主控系统，主控系统分析温度数据后反馈调节加热器的加热功率；采用PT100温度单元芯片作为温度传感器，用来实时检测试验工作室内的温度。循环风道产生空气流动的示意图如图6所示。

（4）其他

主控制系统由主控程序和人机界面组成。人机界面采用昆仑通态触摸屏中文彩色液晶触摸式人机界面，主控程序使用可编程控制器（PLC）编译控制程序。主控程序包含紫外控制、温度控制、预警保护控制等子系统程序，通过可编程控制器（PLC）编译的控制逻辑程序，可直接输入、显示、控制试验工作室的温度和辐照度强度，并通过人机界面显示试验测试工作箱内的温度、湿度和系统的安装状态。当系统产生故障时，显示报警信息，并自动启动停机状态，确保无人监控时的安全性。

预警保护系统是针对试验过程中的温度、辐照度和系统故障进行报警和停机保护。其中，温度、辐照度和系统故障预警分别独立。若试验工作箱内温度超过阈值，温度预警保护系统启动报警，同时切断电源；若辐照度超过阈值或强度过低时，辐照度预警保护系统启动报警，同时切断电源；当出现接地保护装置失效、漏电/断电保护失效、鼓风电机过载等故障时，系统故障预警保护系统启动报警，同时切断电源。

2.4 设备特征

隐框玻璃幕墙结构胶加速老化设备可以同时放置特定尺寸的工字件和哑铃型试件和足尺的隐框玻璃幕墙单元，对玻璃幕墙单元和标准试件进行同条件的老化试验；设备内辐照度强度能达到0.95W/m2UVB，温度稳定在80℃且可控；老化设备的试验测试工作箱、紫外控制系统、温度控制系统、报警保护系统以及主控系统是5个相互独立的模块，具有易装配性，便于测试过程中隐框玻璃幕墙单元的搬运。

（1）易装配

老化设备的试验测试工作箱、紫外控制系统、温度控制系统、报警保护系统以及主控系统是5个相互独立的模块。试验测试工作箱和紫外控制系统、温度控制系统、报警保护系统和主控系统可依靠下方锁死的滚轮与地面的摩擦力保持一个整体，也可采用角钢与螺栓相互连接。当试验测试工作箱中放置或者移动隐框玻璃幕墙单元S时，紫外控制系统、温度控制系统、报警保护系统和主控系统这几个模块可以移动至其它位置，从而方便工作人员的操作。

（2）试件布置

试验测试工作箱承托架的尺寸为1200mm×1200mm。试验工作室设置10层，每层放置一块1200mm×1200mm的隐框玻璃幕墙单元，一个工作箱可放置10块隐框幕墙单元。由于隐框玻璃幕墙单元水平放置于承托架上，因此隐框玻璃幕墙单元侧边的玻璃、硅酮结构胶、副框不会被遮挡，老化效果也不会受到影响。同时在每层隐框玻璃幕墙单元的面板上均匀放置一定数量的标准试件，与玻璃幕墙单元同时进行老化试验。隐框幕墙玻璃与标准试件的放置如图7所示。

图7 隐框幕墙玻璃与标准试件的放置图Fig.7 Exhibition of concealed frame glass and standard specimen

（3）辐照度及温度

辐照度探测器用于采集紫外光源信号，并传递至可编程逻辑控制器（PLC）处理后，利用镇流器对紫外光源进行功率调节，使紫外光源的辐照度达到设定值。镇流器最大调节功率55W，可以驱动紫外光源40W至最大输出效率，实现辐照度强度0.95W/m2UVB。采用加热器对整个试验测试工作箱进行加热，通过抽风机将加热空气输送至循环风道，循环风道产生空气流动使热量均匀分布在试验测试工作箱内，使得工作箱内的所有试件受热均匀。试验测试工作箱内温度设定为80℃且可控。