受力角度对硅酮结构密封胶剪切性能的影响

2023-05-23周平蒋金博张冠琦

中国建筑金属结构 2023年4期

周平，蒋金博，张冠琦

(广州市白云化工实业有限公司，广东广州 510540)

0 引言

近年来，随着国家经济水平的提高，现代建筑的快速发展，设计理念和设计方法的持续革新，施工技术的不断进步，玻璃幕墙逐渐由“单一化、规整化”转向“多元化、复杂化”[1-2]。倾斜、曲面、双曲面、扭曲等新型玻璃幕墙因其能满足建筑独特造型的需求、给人们带来良好的视觉体验而受到设计师的青睐[3-4]。与此同时，不断涌现的造型独特、复杂多变的玻璃幕墙建筑，也给幕墙的发展带来新的技术要求和挑战，对于与建筑幕墙相关的设计、生产、安装施工等方面均提出了更高的要求；与此同时，对于相关的材料、配套产品的质量也提出了更高的要求[5]。

以结构密封胶为例，在隐框玻璃或半隐框玻璃幕墙中，玻璃面板主要通过硅酮结构密封胶与铝合金副框粘结在一起。所谓的结构密封胶，是用于建筑结构中，能够传递结构构件间的静态荷载或动态荷载的密封胶[9]。在实际的应用过程中，结构密封胶除了需要长期承受紫外线、湿气、热、臭氧等的气候老化，还需要长期承受风荷载、重力荷载以及温差变形引起的内应力等力的作用。硅酮结构密封胶对于幕墙发挥防水、密封性能起着至关重要的作用，一旦结构密封胶质量出现问题，不仅会影响幕墙结构的粘结性能，而且会导致幕墙脱落等安全事故发生[10]。

传统玻璃幕墙设计中多为平面形式与线型构造设计，玻璃面板也以平板结构居多。根据《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102-2003）中5.6.6 中的规定：隐框或横向半隐框玻璃幕墙，每块玻璃的下端宜设置两个铝合金或不锈钢托条，托条应能承受该分格玻璃的重力荷载作用[11]。因此，在传统玻璃幕墙设计一般主要考虑结构密封胶所承受的水平风荷载和水平地震作用荷载；对于结构密封胶，现行的国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》（GB 16776-2005）也主要关注其拉伸强度[12]。这一点，在传统的玻璃幕墙设计中是基本适用的。在一项针对国内部分代表性城市服役20 年左右的幕墙工程粘结及密封材料状况调查的结果表明：质量好的硅酮结构密封胶在实际工程中使用20 年甚至超过20 年仍然能保持良好的性能[13]。

但在倾斜、曲面、双曲面、扭曲等新型玻璃幕墙中，结构密封胶和中空玻璃结构密封胶的受力情况与传统幕墙中的情况并不完全一致，需要考虑的因素大大增加[14]。结构密封胶除了受到水平方向的拉伸应力，还可能会受到剪切应力。另外，对于一些转角位置或者一些角度特殊的位置，可能也会对于结构密封胶的抗剪切性能提出要求。除此之外，在具体安装和使用过程中，有可能会由于安装的误差和材料的老化变形，导致原本是受拉伸应力的位置出现部分受剪切应力的情况。

2015 年出台的行业标准《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》（JG/T 475-2015）中，在考察结构密封胶拉伸强度的基础上，增加了对于结构密封胶剪切强度的要求[15]。在实际的应用过程中，结构密封胶所受的剪切应力，与受力角度存在一定的关系。而实际的受力角度可能会随着设计和实际情况的不同而改变。不同的受力角度，不仅会影响结构密封胶的受力状况，同时也会影响结构密封胶的耐久性能，进而影响到幕墙的使用寿命和整体安全性。因此，有必要对于受力角度对硅酮结构密封胶剪切性能的影响进行研究。

目前对于不同受力角度下结构密封胶的剪切性能，尚未见相关的研究。本文将针对这一课题，设计试验方案，研究了受力角度对结构密封胶剪切性能的影响。

1 实验

1.1 试验材料

单组分硅酮结构密封胶，市售，符合国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》GB 16776 和行业标准《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》JG/T 475 的性能要求。

基材：阳极氧化铝片，尺寸 50mm× 50mm × 3mm，市售。

1.2 仪器设备

拉力机：微机控制电子万能试验机（深圳市新三思材料检测有限公司），型号DXLL-3000。

不同角度剪切测试夹具：7 个角度分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。其中0°角为按照行业标准《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》JG/T 475 中规定的剪切强度测试夹具；90°角为按照国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》GB 16776 规定的拉伸强度测试夹具，如图1 所示。

图1 0°角剪切性能测试和90°角剪切性能测试（即拉伸性能测试）示意图

其余各个角度的夹具为采用钢材按照设计的尺寸焊接制成。具体而言，夹具的角度是指对应夹具受力方向与结构密封胶原受剪切应力方向之间的夹角。以30°角为例，夹具受力的方向相对于结构密封胶原受剪切应力的方向，偏移了30°。30°角夹具的具体尺寸及夹具正视图和夹具配合图如图2 所示。

图2 30°角夹具正视图和夹具配合图

1.3 试样的制备与养护

制样：将铝片按照行业标准《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》（JG/T 475-2015）的要求进行清洗处理，将1.1 中的结构密封胶按照标准要求完成制样。每组制取3 个H 型试件，结构密封胶尺寸为12mm×12mm×50mm。考虑到夹具的稳定性和测试的安全性，H 型试件两面的粘结基材均选用阳极氧化铝片。

养护时间：28d。

养护条件：标准条件即温度为（23±2）℃、相对湿度（50±5）%RH。

1.4 性能测试与表征

取上述制取的试件，将试件安装于前述对应夹具中间。将电子万能材料试验机的拉伸变化速率设为5.5mm/min，进行剪切试验。其中，0°角剪切强度值为按照行业标准JG/T 475规定的剪切强度测试方法进行测试；90°角剪切强度值为按照国家标准GB 16776 规定的拉伸测定方法进行测试；其余各角度则是采用对应夹具按照行业标准《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》（JG/T 475-2015）规定的剪切强度测试方法进行测试。需要注意：每组试件应采用对应的夹具进行试验，测试完一组试件应更换夹具。

测试结束后，取每组试样拉伸剪切强度平均值、断裂伸长率平均值和不同伸长率下模量平均值作为结果。

2 结果与讨论

2.1 受力角度对于剪切强度和断裂伸长率的影响

不同受力角度下剪切强度和断裂伸长率的测试结果如图3所示，图中的0°角剪切强度值为按照行业标准JG/T 475 中规定的剪切强度测试方法进行测试的结果，90°角剪切强度值为按照国家标准GB 16776 规定的拉伸强度测试方法进行测试的结果，其余各个角度（15°、30°、45°、60°、75°）为采用对应夹具按照行业标准JG/T 475 中规定的剪切强度测试方法进行测试的结果。

图3 不同受力角度下剪切强度和断裂伸长率的变化情况

从图3 可见，对于本次测试的结构密封胶样品，不同的受力角度与结构密封胶剪切强度、断裂伸长率的关系并非简单的线性关系。具体而言，剪切强度从0°角开始，随着角度的增大而变大，在45°角达到最大值1.64MPa；随后开始缓慢降低，至75°角时重新开始变大；90°角时剪切强度值（即拉伸强度值）大于0°角剪切强度值。最大强度伸长率从0°角开始，随着角度的变大而变小，在45°角达到最小值385%；随后又逐渐增大，90°角时断裂伸长率大于0°角时断裂伸长率。

总体上而言，结构密封胶在0°角时的剪切强度和断裂伸长率的数值均低于90°角时的数值；而在45°角时的剪切强度最大，但断裂伸长率最小。由此可见：同样的结构密封胶，在受力角度不同时表现出的性能也有相当大的差异。

在实际的应用中，一般玻璃幕墙内倾或外斜与竖直方向的夹角为0°～20°[3-5]，此时结构密封胶在玻璃板块自重的影响下很可能受到剪切应力的影响。从上述试验结果可知，本次测试样品的剪切强度数值低于拉伸强度。实际上，不同的结构密封胶的剪切强度与拉伸强度极有可能存在差异。而目前设计取值多数是基于结构密封胶的拉伸强度，现行的国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》（GB 16776-2005）中对剪切强度也没有相关的要求，这导致在实际的结构密封胶应用中，可能忽视对结构密封胶剪切强度的要求。

因此，设计师在进行幕墙设计时，如果采用剪切强度作为设计的关键取值，在选用满足现行国家标准（GB 16776-2005）的密封胶时，如结构密封胶没有提供剪切强度测试值，推荐选用拉伸强度和断裂伸长率较高的产品。如有必要，可以结合项目特点，根据实际的倾斜角度，进行指定角度的剪切性能测试，为结构密封胶的设计、应用提供参考。

在选用满足现行的行业标准JG/T 475-2015 的结构密封胶时，推荐选用拉伸强度、剪切强度及断裂伸长率较高的产品。行业标准JG/T 475-2015 中对结构密封胶的剪切强度，与拉伸强度一样，提出了要求（23℃剪切强度标准值≥0.5MPa），同时还对结构密封胶在80℃、-20℃条件下的剪切强度保持率（≥75%）和所有剪切性能项目的粘接破坏面积（≤10%）做出了明确的要求。如有必要，也可以结合项目特点，根据实际的倾斜角度，进行指定角度的剪切性能测试，为结构密封胶的设计、应用提供参考。

2.2 受力角度对于不同伸长率下模量的影响

不同受力角度下在100%伸长率以内剪切模量的变化情况如图4 所示。其中，0°角测试结果为结构密封胶按照行业标准JG/T 475 中规定的剪切强度测试方法进行测试的剪切模量，90°角测试结果为结构密封胶按照国家标准GB 16776 规定的拉伸强度测试方法进行测试的拉伸模量，其余各个角度（15°、30°、45°、60°、75°）为采用对应夹具按照行业标准JG/T 475 中规定的剪切强度测试方法进行测试的结果。

图4 不同受力角度下剪切模量随伸长率的变化情况

由图4 可以看出，在100%伸长率以内，随着受力角度的增大，同一伸长率下的模量数值大体上呈现逐渐增大的趋势，即在结构密封胶所受应力从剪切应力转变为拉伸应力的过程中，其同一伸长率下的应力是逐渐提高的。以伸长率20%为例，当受力角度为0°时，对应的应力为0.07MPa；而当受力角度为90°（即拉伸应力）时，对应的应力则达到0.3MPa。即相比于拉伸应力，只需要更小的剪切应力，就可以让结构密封胶产生同样百分比的形变。

另一方面，同样大小的应力作用在不同受力角度下的结构密封胶，由此产生的形变是不同的。总体上而言，随着剪切受力角度的变大，同样应力作用下产生的形变大体上呈现逐渐减少的趋势，即结构密封胶所受应力从剪切应力转变为拉伸应力的过程中，同样应力作用下产生的形变是逐渐减少的。以应力为0.2MPa 为例，当受力角度为90°（即拉伸应力）时，产生的形变为10%；而当受力角度为0°时，产生的形变则超过60%。

因此，设计师在进行幕墙设计计算时，如果需要用到模量，需考虑到模量在不同受力角度下取值是不同的。如有必要，可以结合项目特点，根据实际的倾斜角度，进行指定角度的剪切性能测试，为结构密封胶的设计、应用提供参考。