0 引言
结构装配用建筑密封胶的应用非常广泛,从建筑幕墙、门窗的粘接装配密封到传统的建筑屋面、墙面防水到机场、道路、市政、水利、地下等工程的接缝密封防水,结构胶对保障各类工程的功能正发挥越来越重要的作用。随着现代建筑技术的发展和建筑材料的多样化,各类幕墙、金属屋面、金属及塑钢门窗的大量应用,建筑预制构件呈现在接缝部位的位移和应力作用越来越大,接缝密封及耐久性要求凸显重要性,尤其在建筑幕墙装配中,建筑结构密封胶主要应用在全隐或半隐框玻璃幕墙中,连接玻璃和铝框构件,因此不仅要求其在沉降、倾斜、位移、挠曲、风振等因素影响下具备很高的粘结强度和位移能力,而且还要持续承受阳光、温度、酸雨、盐雾、紫外线、清洁剂、胶缝移动等众多因素的影响,必须在大气、湿热环境以及各种外界影响因素共同作用下具备良好的稳定性和耐久性。为了控制结构装配用建筑密封胶的产品质量,保证结构装配系统的质量和安全,必须制定科学、严格的方法标准。
1 标准立项
中国国家标准化管理委员会下达的国标委综合[2015]73 号《国家标准委关于下达2015 年第三批国家标准制修订计划的通知》,国家标准《结构装配用建筑密封胶试验方法》(计划编号:20153630—T—609)由上海建科检验有限公司、郑州中原应用技术研究开发有限公司负责制定。该标准已于2017 年底提交报批。.
2 制定工作
2.1 市场调研
在上报标准制定计划之前,标准编制组就对结构胶的产业情况、行业现状、厂家和市场、产品监管、标准概况等方面进行了深入的前期调研,了解了结构胶产品的特性、施工工艺等,并检索了国内外相关标准和资料,以此为基础完成了标准制定的申报材料。制定计划下达后,标准编制组结合国外先进标准ETAG 002 和EN 15434 的试验方法和现有产品发展状况,组织相关人员进行了大量调研、文献查询和国外标准翻译等工作;以电子邮件及电话等方式,邀请具有代表性的生产企业、行业协会、检测机构、科研院所参加该标准的制定工作。
2.2 编制的目的和意义
结构装配用建筑密封胶(以下简称结构胶)是隐框、半隐框玻璃幕墙必须使用的粘结密封材料,具有在幕墙结构中传递构件间的静态荷载或动态荷载的功能。全隐框玻璃幕墙由于没有设置承载边框,玻璃面板的荷载全部由结构密封胶承担,因此结构胶的质量优劣、粘接是否牢固耐久,对结构装配系统的安全起着至关重要的作用。
现有的国标GB/T 13477《建筑密封材料试验方法》中的试验方法是针对密封胶的传统试验方法,而对于结构装配用建筑密封胶缺少相关的检测方法,而欧标ETAG 002《欧洲技术认证指南———结构密封胶装配系统第1 部分:支承及非支承系统》(以下简称为欧标)对装配式建筑密封胶设置的检测项目就较为全面、合理,充分考虑到了结构胶实际使用中可能受到的各种环境因素影响,为结构胶的使用寿命提供了一个可靠、放心的依据。因此,为了保证结构装配系统的长期使用安全,我国有必要针对结构装配用建筑密封胶制定相关的试验方法。
3 主要技术内容
3.1 标准编制的原则
本标准主要借鉴欧洲标准ETAG 002《Guideline for European Technical Approval for structural sealantglazing kits(SSGK)》,结合国内实际情况进行编制,本标准的主要内容是对结构装配用建筑密封胶制定试验方法。
3.2 标准主要内容
标准规定了结构装配用建筑密封胶的范围、规范性引用文件、术语和定义、一般规定、试件制备和处理、拉伸粘结性、剪切性能、抗撕裂性能、盐雾处理后拉伸粘结性、酸雾处理后拉伸粘结性、水-紫外处理后拉伸粘结性、清洁剂处理后拉伸粘结性、疲劳性能、持久剪力下的蠕变性能、弹性模量、紫外线处理后与相邻接触材料的相容性、无紫外线处理时与相邻接触材料的相容性、附录。
3.3 标准试验项目的确定
欧洲于1999 年颁布了ETAG 002《欧洲技术认证指南———结构密封胶装配系统第1 部分:支承及非支承系统》,并于2012 年进行修订;其对装配式建筑密封胶设置的检测项目较为全面、合理,本标准参照该欧标设置了下列检测项目。
3.3.1 拉伸粘结性
结构胶最常见的性能之一。结构胶在使用过程中会受力,同时热胀冷缩的过程中也会受到不同程度的拉伸力。欧标要求,在23 ℃、低温及高温条件下均需进行结构胶的拉伸粘结性试验,同时很多环境处理的项目环境处理之后都要进行拉伸试验。
3.3.2 剪切性能
最常见的是建筑物因本身自身载重对结构胶产生纵向的拉伸应力,通常称之为剪切应力。欧标明确要求,在23 ℃、低温及高温条件下均需进行结构胶的剪切试验,这一试验方法更真实、贴切地还原了不同区域、不同工程中结构胶的使用情况。
3.3.3 抗撕裂性能
结构胶在承受外界很大张力的同时,还可能会受到外界尖锐物体的刮擦。这类损伤的破口处在有很大的张力存在时会形成应力集中,有可能会沿密封材料的破口突破,造成撕裂,并发生大范围的开裂甚至粘接破坏。抗撕裂强度已涉及工程甚至人身安全,因此有必要设立抗撕裂性能的检测方法。
3.3.4 盐雾处理后拉伸粘结性
盐雾腐蚀就是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀。它是考核产品的抗盐雾腐蚀能力的重要手段。
3.3.5 酸雾处理后拉伸粘结性
结构胶受到酸雨的腐蚀,就会使材料出现粉化、起泡、开裂等现象,从而导致强度降低甚至强度失效的严重质量问题,因此对结构胶进行耐酸性气体腐蚀试验,非常实际且必要。
3.3.6 清洁剂处理后拉伸粘结性
为保持幕墙的清洁,通常会使用清洁剂对幕墙进行清洁,但很多清洁产品可能会对结构胶产生副作用,使结构胶发生起泡、开裂、粉化等粘接失效问题,还可能对玻璃的镀膜面产生不可挽救的破坏。因此,有必要设置清洁剂处理后拉伸粘结性测试项目。
3.3.7 水-紫外光照后拉伸粘结性
紫外线辐射会加速结构胶的降解和老化变质。在大部分户外环境中,结构胶经受曝晒、接触潮湿的时间每天可以长达十几小时,因此很多结构胶都出现了包括强度降低、开裂、失效剥落、粉化等老化现象。为保障使用在结构装配系统上的建筑结构密封胶的使用质量,有必要进行人工环境模拟水-紫外光照射试验。
3.3.8 疲劳性能
结构疲劳破坏是指由于反复施加在结构胶上的应力引起材料产生延时断裂,其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度,甚至低于其屈服强度。装配系统上的建筑密封胶所受的循环不只是单一的低周疲劳,还包括复杂的高周疲劳,因此需要一套系统全面的耐机械循环破坏的测试方法。
3.3.9 持久剪力下的蠕变性能
蠕变是结构胶在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。由于蠕变的累积,使结构胶发生过量的塑性变形而不能使用,或者密封胶的蠕变进入到了加速发展阶段,发生蠕变破裂,就会使装配系统失效损坏。所以,对于长期工作于装配系统的结构胶,必须进行严格的蠕变检测。
3.3.10 弹性模量
弹性模量是工程材料重要的性能参数,它可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。ETAG 002中弹性模量的试验方法借鉴了塑料薄膜的拉伸方法,塑料为刚性材料,弹性形变的区域很小,因此,在计算弹性模量时,选取的计算边界为(0.000 5,σ1)和(0.002 5,σ2),考虑到结构胶胶膜为弹性体,拉伸前的预紧力及各种人为因素在此边界内会对哑铃型试件拉伸应力造成较大的偏离,不能良好地表征弹性模量。因此,验证试验中,我们对试验方法作了修正,将计算边界扩展为(0.05,σ1)和(0.25,σ2),并取应变为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 的5 个观察点,进行线性回归,线性回归后的拟合度良好,除极个别试件,曲线的拟合度几乎都保持在0.97 以上,所取的边界值能良好地表征弹性模量。分别通过线性回归和公式进行计算,两种方法的计算结果基本保持一致,故两法均可选用。
3.3.11 与相邻接触材料的相容性
在玻璃幕墙领域,结构胶在镀膜玻璃与铝合金框架之间起着重要的粘接作用。相容性显得尤其重要。若结构胶与相接触的材料不相容,最直接的体现就是颜色和粘结性。为确保建筑密封胶粘接能力的长久,必须做相容性试验。
3.4 标准试验方法
3.4.1 拉伸粘结性
对于拉伸粘结性的试件,按GB/T 13477.8—2017第7 章制备试件,拉伸速率为(5.5±0.5)mm/min,记录每个试件位移量为5%、10%、15%、20%、25%以及最大力时的拉伸粘结强度,计算23 ℃拉伸粘结强度、断裂伸长率、拉伸粘结强度标准值、割线刚度、粘接破坏面积并记录试件破坏形式。其中,拉伸粘结强度标准值和割线刚度是参照ETAG 002 提出的新的强度结果表征值:(1)拉伸粘结强度标准值是75%置信度时给定的强度标准值,疲劳性能和蠕变性能中的拉伸强度设计值都是根据拉伸粘结强度标准值计算得到;(2) 割线刚度表征结构密封胶抵抗弹性变形的能力,以某一特定应变时的应力表示,参照ETAG 002,该应变取12.5%,该参数是结构承载力极限状态设计的重要参数,标准附录中给出了相应的刚度计算方法。为了控制结构胶对抗周遭复杂环境因素影响的能力,标准还设置了结构胶在经高温、低温、盐雾、酸雾、清洁剂以及水-紫外线辐照等老化条件后的拉伸粘结性试验方法。高低温老化试验是将试件置于规定温度下,进行拉伸粘结性试验;盐雾和酸雾老化试验则是将试件按照GB/T 10125 和GB/T 9789 的条件分别进行480 h 和20 个循环的老化处理后再进行拉伸粘结性试验;清洁剂老化试验是将试件浸泡在(45±2)℃的清洁剂中浸泡21 d 后进行拉伸粘结性试验;水-紫外线辐照老化试验是将密封胶浸泡在水中,水的电阻值在1~10 MΩ 范围内,水温保持在(45±1)℃,并同时暴露于紫外线辐照下,辐照强度为:(60±5)W/m2(300~400 nm),辐照时长1 008 h,高于国标GB16776—2005 中规定的300 h,且对于水质和光强提出了更为严苛的要求。
3.4.2 剪切性能
对于剪切试件,按GB/T 13477.8—2017 第7 章制备试件,剪切速率为(5.5±0.5)mm/min,记录每个试件位移量为5%、10%、15%、20%、25%以及最大剪切力时的剪切强度。计算剪切强度、剪切强度标准值和粘接破坏面积,并记录试件破坏形式。其中,剪切强度标准值是参照ETAG 002 提出的新的强度结果表征值:剪切强度标准值是75%置信度时给定的强度标准值,蠕变性能中的剪切应力设计值是根据剪切强度标准值计算得到。
剪切性能中的高低温老化试验是将试件置于规定温度下,进行剪切试验。
3.4.3 撕裂性能
按GB/T 13477.8—2017 第7 章制备试件,在试件结构胶的两端进行切口,两端各切开5 mm 深,保证切口光滑、平整。进行拉伸粘结性试验,试验温度(23±2)℃。计算拉伸粘结强度、粘接破坏面积并记录试件破坏形式。该试验方法应注意,试件截面积以切割后的面积计算。
3.4.4 疲劳性能
按GB/T 13477.8—2017 第7 章制备试件,按照以下顺序要求以8 s 一个周期进行往复循环试验:首先从0.1 到1.0 ,进行100 次循环;其次,从0.1 到0.8 ,进行250 次循环;再次,从0.1 到0.6 ,进行5 000 次循环, 根据23 ℃拉伸粘结强度标准值进行计算。试件按上述条件处理后,进行拉伸粘结性试验,试验温度(23±2)℃。
3.4.5 持久剪力下的蠕变性能
按图1 和表1 制备试件,养护到期后,将位移计固定在试件上,打开记录装置,分别记录每个试件的初始位移,将计算好的拉伸荷载M1 和持久剪切荷载M2,通过砝码或拉伸力加载至试件的拉伸和剪切方向。将蠕变试验箱环境条件调至温度(23±2)℃,相对湿度(50±5)%进行试验。分别记录每个试件加载1 d、3 d、7 d 及之后每7 d 的位移,试验周期91 d。加载91 d 后,卸载拉伸和持久剪切方向上的荷载,分别记录每个试件卸载24 h 后的位移。计算每个试件加载1 d、3 d、7 d 及之后每7 d 的蠕变位移量和每个试件卸载24 h 后的残余位移量。
3.4.6 弹性模量
采用GB/T 528 中Ⅰ型哑铃试件,拉伸速率为(5.5±0.5) mm/min。记录应变值为5%、10%、15%、20%、25%时的拉伸应力,绘制应力-应变曲线,对应力-应变曲线线性回归后读取斜率,即为弹性模量;可通过应变值为5%和25%时对应的拉伸应力计算获得。
3.4.7 紫外线处理后与相邻接触材料的相容性
按图2 和表2 制备试件,试件固化后,放入紫外辐照试验箱中,试件上表面辐照强度为(60±5)W/m2(300~400 nm),试验温度控制在(60±2)℃。放置(504±4)h 后,进行剥离试验。计算粘接破坏面积并记录结构胶的变色情况和试件破坏形式。
3.4.8 无紫外线处理时与相邻接触材料的相容性
按GB/T 13477.8—2017 第7 章制备试件,将接触材料注入试件,置于(60±2)℃、相对湿度(95±5)%的环境中,5 个试件放置28 d,其余2 个试件放置56d。用于相容性试验的接触材料应在拉伸粘结性试验之前移除。计算拉伸粘结强度、拉伸粘结强度标准值、粘接破坏面积并记录结构胶的变色情况和试件破坏形式。
4 结论
本国标《结构装配用建筑密封胶试验方法》充分考虑了结构装配用建筑密封胶实际使用中的各种因素影响,为该类产品的检测提供了可靠、科学的试验方法,填补了我国建筑密封胶在结构装配方面的试验方法。标准的制定与后续贯彻实施,将有利于进一步提高该类产品的质量,有效保障结构装配系统的稳定性和安全性。