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玻璃幕墙结构胶失效原因及现场检测

[发布日期:2014-09-18 18:22:48]

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        我国幕墙建筑自1983 年起步,20 世纪90 年代中期达到高潮,到2010 年底,我国已建成了约2亿m2 的各式建筑幕墙(包括采光屋面),占世界总量的50%以上。然而,随着玻璃幕墙使用量的增多及服役年限的增加,幕墙玻璃突发坠落事故时有发生,严重威胁着人们的生命财产安全。

 

        结构胶失效是导致幕墙玻璃坠落最主要的原因之一。现行国家标准GB 16776—2005《建筑用硅酮结构密封胶》和JGJ102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》要求结构胶提供10 年的质量保证。按照这个规定,20 世纪80 年代以来我国所建的玻璃幕墙,特别是90 年代所建的隐框玻璃幕墙所用的结构胶,目前均已超过了质量保证期,开始出现各种不同的失效现象。相关调查表明,因结构密封胶失效引起的玻璃幕墙质量问题占到玻璃幕墙所有质量问题的40%以上。因此,深入剖析玻璃幕墙用结构胶失效模式及其原因,并开展相关的检测技术研究,对防范幕墙玻璃坠落、指导既有玻璃幕墙加固维修或新建玻璃幕墙结构设计具有重要意义。

 

1 玻璃幕墙结构胶失效原因

 

        玻璃幕墙结构胶失效主要表现为:结构胶脱胶、断胶、开裂、粉化、硬化等。结构胶失效可导致结构胶粘结性能退化,达不到其设计功能要求。导致结构胶失效的因素很多,既有结构胶自身因素,也有结构胶服役的外部环境因素。本文通过对多年既有玻璃幕墙现场检测结果的分析,总结了玻璃幕墙结构胶的各种失效模式,特别对一些引起玻璃幕墙失效因素但目前相关标准和规范并没涉及到的新问题进行了剖析。

 

1.1施工、设计及选材不当造成结构胶失效

 

        早期的玻璃幕墙(特别是20 世纪80 年代中后期至90 年代中期建设的玻璃幕墙)由于没有具体的施工标准和规范,导致质量参差不齐,问题特别突出,主要表现为:选用劣质的结构胶;结构胶选材不当;结构胶未进行进场试验;结构胶未按施工要求进行施工;结构胶设计时力学计算不合理等。这些因素严重影响了结构胶的服役质量及寿命,导致玻璃幕墙在未达到服役年限、甚至新建不久就出现严重的质量问题。图1 显示了一玻璃幕墙工程因使用了不合格的结构胶,在服役若干年后出现严重老化脱胶问题,其中脱胶处裂缝能够将0.2 mm 的卡片插进去。

1.2结构胶老化失效

 

        在结构胶失效因素中,结构胶老化是最主要的因素。结构胶在使用过程中,受到环境中的光、热、氧(臭氧)以及各种介质和微生物等多种因素的影响与作用,其粘结性能会逐渐下降,甚至被破坏,在潮湿、腐蚀介质及阳光直射等环境中更是如此,特别是当湿度≥95%,温度高于50~60 °C 时,水分会成为影响粘接界面强度的元凶。因为,水能渗入粘接层内部,而且侵蚀粘接界面比侵入结构胶本体快,其过程是水从粘接界面边缘渗入并逐渐向胶体中心区域扩展,随着时间的推移,渗入粘接界面内的水量会越来越多,从而降低结构胶与被粘接物表面的吸附力,造成结构胶粘结性能下降和使用寿命缩短;渗入胶体的水还会使结构胶本身产生溶胀,降低胶体的物理性能。目前,评价结构胶的耐老化性能主要采用人工加速老化实验。比如,ETAG 002《结构密封胶玻璃装配系统技术审核指南》要求:密封胶在浸水-紫外线辐射、盐雾、酸雾、清洁剂浸泡4 项加速老化后,结构胶的拉伸强度不得低于其初始强度的75%,与基材的粘结破坏面积不大于10%。将结构胶放入高温高湿环境(湿度≥95%,温度在25~55 °C 之间有规律的循环变化)进行人工加速老化,并对不同老化时间的结构胶进行加载获得变形与载荷曲线图,见图2。结构胶加载破坏后的断面图,见图3。

        如图2 所示,随着老化时间的延长,除了结构胶强度降低外,加载曲线斜率也明显增大了,说明结构胶老化后弹性模量变大了。此外,老化前,结构胶被拉断位置处在结构胶本身,属结构胶内聚破坏;而老化后的结构胶在粘接界面处被破坏,主要表现为界面拉断(图3)。以上结果表明,虽然老化后结构胶本身的强度和界面粘结强度均下降,但是界面粘结强度下降更多,且远远低于结构胶本身的强度。因此,老化后结构胶的粘结强度决定了整个粘接件的强度。

 

1.3 结构胶动载疲劳失效

 

        早期玻璃幕墙的结构胶设计时,往往只考虑结构胶物理老化后残余强度或静力作用下的强度,并没有关注动力反复作用下结构胶的疲劳强度。然而,玻璃幕墙在服役过程中,要经常受到阵风压力的反复作用,阵风压力垂直作用于玻璃面板上,使得结构胶反复受到拉、压力作用,这种长期作用可造成结构胶寿命大幅缩短,其粘结性能也逐渐下降,以致幕墙玻璃坠落。另一种情况是,玻璃幕墙开启扇结构设计采用结构胶将玻璃粘接在开启扇附框上,玻璃下面没有任何额外托附或支撑件。由于开启扇在使用过程中,会受到开启与关闭所带来的振动作用,如此反复,结构胶在一段时间后就失去了粘结能力,导致玻璃整体坠落。这种情况下,结构胶的弹性、硬度、拉伸强度等性能可能并没有太大下降,即结构胶本身并没有因老化而出现大的性能衰退,幕墙玻璃坠落主要是由结构胶在动载疲劳作用下粘接界面失效而引起的。

 

        目前,相关玻璃幕墙规范和标准并没有考虑动载作用下结构胶的粘结强度,对结构胶动载疲劳失效也缺乏相关实验研究,也没有建立循环动载作用下结构胶的疲劳强度标准。因此,对于长期受到动载荷或振动作用力的玻璃幕墙,最好对结构胶粘附的玻璃采取适当的加固措施,以减小结构胶的直接受力。

 

1.4 持久应力作用下结构胶蠕变失效

 

        结构胶属于一种典型的力学非线性聚合物材料,目前工程结构设计大多没有考虑结构胶的流变特性。结构胶长期受玻璃自重作用,导致结构胶延迟失效,幕墙玻璃坠落事故时有发生。比如,有的隐框幕墙玻璃或中空玻璃外片在新建不久后就出现整体坠落事故,而且在坠落前玻璃与支承件之间出现明显的错位,结构胶出现明显的蠕变(图4)。

        结构胶在服役环境下,应力松弛(物理老化)也会使得其力学性能发生改变,但目前玻璃幕墙结构胶设计中并没有考虑结构胶性能的时间相关性问题。目前,结构胶生产企业一般对结构胶的质量保证期承诺为10 年,但对于为什么给定这一时间期限并没有太多的理论支持。因此,需全面掌握持久应力作用下结构胶的力学性能变化,研究结构胶力学性能随时间的演变规律,以此来评价结构胶的长期服役安全性能,指导结构胶强度设计及寿命预测,从而延迟幕墙结构胶失效。

 

2 玻璃幕墙结构胶失效现场检测

 

        目前,国内关于结构密封胶质量控制与检测的规范与标准有:JC/T 882—2001《玻璃幕墙接缝用密封胶》,JC/T883—2001 《石材用建筑密封胶》,JC/T486—2001《中空玻璃用弹性密封胶》,GB/T14683—2001《建筑用硅酮密封胶》,GB/T 13477—2001《建筑用密封胶试验方法》,GB16776—2003《建筑用硅酮结构密封胶》等。这些规范与标准一方面规范了结构密封胶的生产与使用,另一方面也体现了国家及行业对建筑用结构胶质量问题的高度重视。

 

        我国的玻璃幕墙行业起步较晚,相应的幕墙检测评估技术也起步较晚,而且发展也不完善。我国对玻璃幕墙结构胶现场检测的研究,只限于一些常规的力学性能及老化实验检测。比如,目前上海、四川和江苏等几个省市编制的玻璃幕墙安全评估地方规程对幕墙用硅酮结构密封胶的热老化、紫外线老化下的胶体邵氏硬度变化及力学性能变化进行了规定。在既有幕墙结构胶现场检测方面,目前采用最多的是现场切割部分样品送回实验室进行检测,或者直接定性地观测结构胶的外表现象,以及用邵氏硬度计测量胶体的硬化程度。近几年也出现了一些新的现场检测方法,比如洗盘法模拟集中载荷作用下的现场检测法,气囊法模拟均布载荷作用下的现场检测方法、现场拉伸测试方法等。此外,在无损检测方面,陈振宇等提出了一种基于FFT 功率谱的全隐框玻璃幕墙结构胶脱胶长度检测方法;刘小根等提出了一种基于振动测试技术的隐框玻璃幕墙结构胶损伤检测方法;林圣忠等人提出了一种基于应变的玻璃幕墙结构胶损伤检测研究。这些研究方法都是通过测量幕墙玻璃的动态参数变化来识别结构胶的脱胶与断胶,是一种无损的间接检测。目前,也有人研究用超声方法鉴别结构胶的损伤及界面粘结强度等。

 

        国外发达国家在幕墙生产建设过程中,非常重视幕墙用结构胶的质量控制,且幕墙玻璃一般采用夹层玻璃代替传统的钢化玻璃,因此玻璃幕墙出现质量事故的几率相对较小。在针对结构胶开展的研究工作方面,主要以研究结构胶的力学性能及结构胶的老化性能及耐候性能为主,并建立起了相应的测试标准。对于既有玻璃幕墙硅酮结构密封胶的检测,美国材料试验协会在ASTM C1392—00(2005)《结构密封胶装配失效评估标准指南》中提出了一种针对安装在装配玻璃系统上的结构密封胶的评估及其结构密封胶失效范围的方法。该方法通过测量在局部加载的条件下所获得的玻璃挠度,来确定结构密封胶失效的部位,但是由于需要针对不同玻璃尺寸预先建立起标准,现场操作比较麻烦。Efstathiades 等人首次把神经网络这个概念引入到对玻璃幕墙的健康检测中,通过结构模态分析获得网络的学习样本和测试样本,接着把学习样本送入网络进行训练,建立输入参数与结构损坏之间的映射关系,最后采用测试样本送入网络中进行测试和推广。该方法为突破玻璃幕墙的检测与评估开辟了新的道路,但是其研究尚处于理论研究最初阶段,更深层次的研究及工程实际应用工作有待进一步开展。

 

3 结语

 

        现今,玻璃幕墙寿命及安全性已成为公众关注的问题,特别是在大部分城市的许多玻璃幕墙已进入“高龄”的情况下,对玻璃幕墙进行安全体检已势在必行。作为最容易出现问题的玻璃幕墙结构胶,影响其服役寿命的因素非常复杂。目前,无论是针对玻璃幕墙结构胶服役年限的耐久性评估,还是现场检测技术的研究,都远远落后于其工程应用。结构胶服役状态的现场检测一直是一个比较棘手的问题,因为现在还没有建立起结构胶的弹性性能(硬度)与其界面粘结强度的关系,而直接现场测量其界面粘结强度又非常困难,然而结构胶的粘结性能退化直接威胁着玻璃幕墙的安全使用。因此,开发结构胶的现场检测与评估技术任重而道远。
 

来源:玻璃工业网