幕墙玻璃两种粘接方式力学性能测试及分析

何丹丹

(中铁十四局集团建筑工程有限公司,山东 济南 250000)

1 幕墙密封胶常见病害

中空玻璃外立面美观,具有隔音、隔热、防结霜、防潮、抗风压等优点,使用中空玻璃幕墙的房间可以做到冬暖夏凉,极大地改善生活环境。但幕墙密封胶在使用一段时间后会出现各种问题,如开胶、起鼓、龟裂、粉化等,降低其功能效果和使用年限,影响建筑安全,密封胶常见病害如图1所示。造成这些病害的原因有:

图1 密封胶常见病害

(1)密封胶自身性质差[1]。为了降低成本,劣质密封胶在制作过程中会添加大量廉价未处理填料或增塑剂,使得密封胶使用过程中极易开裂。

(2)外力影响[2]。高层建筑在风荷载或地震作用下会出现摇摆震动,幕墙板块移动挤压胶缝接口,若接口处密封胶与板块粘接不牢,胶体就会随板块挤压而凹凸不平呈规则性起鼓。

(3)选型不对。接缝用硅酮密封胶分12.5、20、25、50、100多种等级,每级又有HM和LM两种次级。不同型号的密封胶在相同工况下有不同的位移量,设计时应根据位移量选用模量、弹性相匹配的耐候密封胶。

(4)基材清洁度不够。表面清洁度不足,密封胶硫化后粘接强度低,位移形变时因粘接强度差而从表面脱落开裂。

2 幕墙板片常用粘接形式

中空玻璃幕墙施工时,需要将玻璃板片之间、板片与金属框架之间用玻璃胶粘接在一起,为增强密封效果,需要在玻璃板片接缝处填塞背衬材料,如图2所示。

图2 中空玻璃粘接结构

幕墙板片一般设置为移动性接口[3],这就对胶体自身的位移及变形能力提出了一定要求,隐框幕墙板片粘接方式一般有双面粘接和三面粘接两种,如图3所示。

图3 幕墙板片粘接方式

双面粘接:玻璃板片左右或上下之间仅涂抹一道密封胶粘在一起,板片与背衬材料之间无粘接,背衬材料一般选用聚乙烯泡沫板,用于控制密封材料的嵌缝深度,防止异物进入。

三面粘接:在玻璃板片之间、板片与背衬材料之间涂抹一层密封胶,形成一个密封隔离层,该粘接形式能够提供更好的防水、防尘和密封效果,同时还能防止出现过大位移。但此种粘接方式有很大弊端:一是增加胶体用量,二是密封胶处板片无法自由变形,三是粘接处应力分布变得复杂。

选用双面粘接方式,幕墙中空玻璃结构粘接宽度按照承载能力极限状态确定,需要尽可能选择变位能力强的结构胶,确保结构的安全性和可靠性[4]。在往复作用下胶体处受力较好,始终处于弹性工作状态,耐久性较好。

三面粘接时,由于受到第三面的横向约束,密封胶无法自由变形,会反复出现撕裂应力和拉伸应力,最终使胶体失去作用,导致中空玻璃丧失功能,严重时会直接解体。不同粘接方式时胶体受力状态如图4所示。

图4 不同粘接形态时受力状态

3 工程案例

济南睿城项目建筑设计使用年限50 a,外墙均为中空玻璃幕墙。为防止幕墙玻璃出现上述病害,保证结构密封效果及围护功能正常发挥,提前对玻璃粘接形式进行研究。拟采用硅酮耐候密封胶,其具有良好的耐候性,可以有效地保护玻璃免受外界环境的侵蚀。

密封胶必须粘接牢固、强度达标、变形合理,硅酮耐候密封胶级别通常是指位移能力要达到的等级,常规有12.5级、20级、25级、50级等,即固化后的密封胶可以承受长期反复拉伸和压缩的能力。选取四种具有不同位移能力的密封胶,基本信息见表1。通过AGS-J电子万能材料试验机,研究硅酮耐候密封胶在不同粘接条件下的力学性能。每个测试项目制作2组标准试件,双面粘接和三面粘接形式各一组,每组4个。密封胶粘接宽度6 mm、厚度9 mm。

表1 密封胶样品基本信息

4 粘接形式对密封性能的影响

4.1 对剥离粘接性的影响

幕墙板片间使用硅酮耐候密封胶主要是为了防水密封,密封胶的自身粘接性是首要测试项目[5]。根据《建筑用硅酮结构密封胶》(GB16776-2005)附录D:施工装配中结构密封胶的试验方法,在标准条件下养护7 d后,从胶条的一端以垂直90°的角度轻轻撕开,以检查结构密封胶是否出现内聚破坏或粘接脱落情况。若胶体与板片脱开,说明粘合强度大于其内聚强度;若胶体自身分层剥离,说明内聚强度大于粘合强度,粘接破坏形态如图5所示。用粘接破坏面积表征内聚破坏强度,试验过程如图6所示,粘接破坏形态试验结果如表2所示。

图5 粘接性破坏形态

图6 剥离粘接试验

表2 剥离试验测试结果

由此可知,两种粘接形式的破坏面积几乎没有差别。

4.2 对基材拉伸粘接强度的影响

密封胶与基材粘接牢靠,是胶体发挥防水密封功能的基础[6]。在幕墙中,由于采用了阳极氧化铝、喷涂粉末等多种技术,可以显著改善板材的表面质量,但也会导致密封胶的粘合力受到一定程度的损害,因此,在施工之前,必须要做好严格的粘合力检验,以确保其具备足够的耐腐蚀性以及耐久性。为确保建筑物的安全可靠,应严格遵守《建筑用硅酮结构密封胶》(GB16776-2005)的规范,并开展硅酮密封胶和相应的接触物质的粘合力检验,具体检验结果可参见表3。

表3 与基材拉伸粘接强度测试结果

与双面粘合相比,三面粘合的硅酮密封胶的抗拉力显著下降,其下降率超过27%,说明当幕墙板材经历拉力作用时,采用三面粘合的硅酮密封胶更有可能出现破损。

4.3 对拉伸模量的影响

研究发现,当给定伸长率时,密封胶的拉伸模量可以通过应力和伸长率的比值来划分[7],其中包括较大的模量(HM)和较小的模量(LM)。拉伸模量测试结果如表4所示,可以更好地反映粘合力的变化情况。

表4 拉伸模量的测试结果

根据表4可知,无论是双面还是单面粘接,当材料经过100%拉伸后,高模量的硅酮耐候密封胶(样品1、样品2)的模量变化不大;而三面粘接试件拉伸后,低模量硅酮耐候密封胶的拉伸模量将大幅度增加,增幅达到34%以上。

4.4 对最大拉伸时伸长率的影响

通过测试发现,当拉伸应力达到最大值时,密封胶的伸长率会显著增加,从而导致密封胶的破坏[8]。为更好指导硅酮耐候密封胶的选型,研究了不同拉伸强度下的伸长率,并将测试结果和统计数据进行了对比,结果见表5。

根据表5,与双面粘合相比,三面粘合显著减少了硅酮耐候密封胶的最大拉伸伸长率,其减少量超过16%,说明当采用三面粘合方式施工时,其位移性能下降较显著。

表5 最大拉伸时伸长率测试结果

5 结束语

在同等作用力下中空玻璃两面粘接时变位较小,但是会出现较高的应力;三面粘接时,第三面会使胶体性能产生极大不利影响,其中,拉伸粘接的强度可以显著降低27%,而且当达到最高拉伸强度时其伸长率也可以显著降低16%,相对于低模量的密封胶拉伸模量可以显著增加34%。

以上结果表明,采用三面粘接,硅酮耐候密封胶的性能会受严重损害,导致胶体无法承受较高变位,极可能产生开裂,进而降低其密封性及防水功能。为确保安全,本项目幕墙板块之间接合处处理时,采用了PE发泡棒和防粘胶带来阻止三个方向的粘合。具体实施时,在接缝超过30 mm接头处,采用PE发泡棒来填补,并要注意控制密封剂的厚薄,以保证其不会渗透到底部;而在接缝小于30 mm接头处,采用了防粘胶将密封剂和底部分开。实践表明,这样处理后,幕墙板片工作正常,1 a后检查表明接缝处胶体未出现病害,表明两面粘接具有较好工作性能。