玻璃屏幕結構膠失效原因及現場檢測

玻璃屏幕結構膠失效原因及現場檢測

一、玻璃幕墻結構膠失效原因

玻璃幕墻結構膠失效主要表現為：結構膠脫膠、斷膠、開裂、粉化、硬化等。結構膠失效可導致結構膠粘結性能退化，達不到其設計功能要求。導致結構膠失效的因素很多，既有結構膠自身因素，也有結構膠服役的外部環境因素。本文通過對多年既有玻璃幕墻現場檢測結果的分析，總結了玻璃幕墻結構膠的各種失效模式，特別對一些引起玻璃幕墻失效因素但目前相關標準和規范并沒涉及到的新問題進行了剖析。

1.施工、設計及選材不當造成結構膠失效

早期的玻璃幕墻（特別是20 世紀80年代中后期至90 年代中期建設的玻璃幕墻）由于沒有具體的施工標準和規范，導致質量參差不齊，問題特別突出，主要表現為：選用劣質的結構膠；結構膠選材不當；結構膠未進行進場試驗；結構膠未按施工要求進行施工；結構膠設計時力學計算不合理等。這些因素嚴重影響了結構膠的服役質量及壽命，導致玻璃幕墻在未達到服役年限、甚至新建不久就出現嚴重的質量問題。圖1 顯示了一玻璃幕墻工程因使用了不合格的結構膠，在服役若干年后出現嚴重老化脫膠問題，其中脫膠處裂縫能夠將0.2 mm 的卡片插進去。

2.結構膠老化失效

在結構膠失效因素中，結構膠老化是最主要的因素。結構膠在使用過程中，受到環境中的光、熱、氧（臭氧）以及各種介質和微生物等多種因素的影響與作用，其粘結性能會逐漸下降，甚至被破壞，在潮濕、腐蝕介質及陽光直射等環境中更是如此，特別是當濕度≥95%，溫度高于50～60 °C 時，水分會成為影響粘接界面強度的元兇。因為，水能滲入粘接層內部，而且侵蝕粘接界面比侵入結構膠本體快，其過程是水從粘接界面邊緣滲入并逐漸向膠體中心區域擴展，隨著時間的推移，滲入粘接界面內的水量會越來越多，從而降低結構膠與被粘接物表面的吸附力，造成結構膠粘結性能下降和使用壽命縮短；滲入膠體的水還會使結構膠本身產生溶脹，降低膠體的物理性能。目前，評價結構膠的耐老化性能主要采用人工加速老化實驗。比如，ETAG 002《結構密封膠玻璃裝配系統技術審核指南》要求：密封膠在浸水-紫外線輻射、鹽霧、酸霧、清潔劑浸泡4項加速老化后，結構膠的拉伸強度不得低于其初始強度的75%，與基材的粘結破壞面積不大于10%。將結構膠放入高溫高濕環境（濕度≥95%，溫度在25～55 °C 之間有規律的循環變化）進行人工加速老化，并對不同老化時間的結構膠進行加載獲得變形與載荷曲線圖，見圖2。結構膠加載破壞后的斷面圖，見圖3。

如圖2 所示，隨著老化時間的延長，除了結構膠強度降低外，加載曲線斜率也明顯增大了，說明結構膠老化后彈性模量變大了。此外，老化前，結構膠被拉斷位置處在結構膠本身，屬結構膠內聚破壞；而老化后的結構膠在粘接界面處被破壞，主要表現為界面拉斷（圖3）。以上結果表明，雖然老化后結構膠本身的強度和界面粘結強度均下降，但是界面粘結強度下降更多，且遠遠低于結構膠本身的強度。因此，老化后結構膠的粘結強度決定了整個粘接件的強度。

3.結構膠動載疲勞失效

早期玻璃幕墻的結構膠設計時，往往只考慮結構膠物理老化后殘余強度或靜力作用下的強度，并沒有關注動力反復作用下結構膠的疲勞強度。然而，玻璃幕墻在服役過程中，要經常受到陣風壓力的反復作用，陣風壓力垂直作用于玻璃面板上，使得結構膠反復受到拉、壓力作用，這種長期作用可造成結構膠壽命大幅縮短，其粘結性能也逐漸下降，以致幕墻玻璃墜落。另一種情況是，玻璃幕墻開啟扇結構設計采用結構膠將玻璃粘接在開啟扇附框上，玻璃下面沒有任何額外托附或支撐件。由于開啟扇在使用過程中，會受到開啟與關閉所帶來的振動作用，如此反復，結構膠在一段時間后就失去了粘結能力，導致玻璃整體墜落。這種情況下，結構膠的彈性、硬度、拉伸強度等性能可能并沒有太大下降，即結構膠本身并沒有因老化而出現大的性能衰退，幕墻玻璃墜落主要是由結構膠在動載疲勞作用下粘接界面失效而引起的。

目前，相關玻璃幕墻規范和標準并沒有考慮動載作用下結構膠的粘結強度，對結構膠動載疲勞失效也缺乏相關實驗研究，也沒有建立循環動載作用下結構膠的疲勞強度標準。因此，對于長期受到動載荷或振動作用力的玻璃幕墻，最好對結構膠粘附的玻璃采取適當的加固措施，以減小結構膠的直接受力。

4.持久應力作用下結構膠蠕變失效

結構膠屬于一種典型的力學非線性聚合物材料，目前工程結構設計大多沒有考慮結構膠的流變特性。結構膠長期受玻璃自重作用，導致結構膠延遲失效，幕墻玻璃墜落事故時有發生。比如，有的隱框幕墻玻璃或中空玻璃外片在新建不久后就出現整體墜落事故，而且在墜落前玻璃與支承件之間出現明顯的錯位，結構膠出現明顯的蠕變（圖4）。

結構膠在服役環境下，應力松弛（物理老化）也會使得其力學性能發生改變，但目前玻璃幕墻結構膠設計中并沒有考慮結構膠性能的時間相關性問題。目前，結構膠生產企業一般對結構膠的質量保證期承諾為10 年，但對于為什么給定這一時間期限并沒有太多的理論支持。因此，需全面掌握持久應力作用下結構膠的力學性能變化，研究結構膠力學性能隨時間的演變規律，以此來評價結構膠的長期服役安全性能，指導結構膠強度設計及壽命預測，從而延遲幕墻結構膠失效。

二、 玻璃幕墻結構膠失效現場檢測

目前，國內關于結構密封膠質量控制與檢測的規范與標準有：JC/T 882—2001《玻璃幕墻接縫用密封膠》，JC/T883—2001《石材用建筑密封膠》，JC/T486—2001《中空玻璃用彈性密封膠》，GB/T14683—2001《建筑用硅酮密封膠》，GB/T 13477—2001《建筑用密封膠試驗方法》，GB16776—2003《建筑用硅酮結構密封膠》等。這些規范與標準一方面規范了結構密封膠的生產與使用，另一方面也體現了國家及行業對建筑用結構膠質量問題的高度重視。

我國的玻璃幕墻行業起步較晚，相應的幕墻檢測評估技術也起步較晚，而且發展也不完善。我國對玻璃幕墻結構膠現場檢測的研究，只限于一些常規的力學性能及老化實驗檢測。比如，目前上海、四川和江蘇等幾個省市編制的玻璃幕墻安全評估地方規程對幕墻用硅酮結構密封膠的熱老化、紫外線老化下的膠體邵氏硬度變化及力學性能變化進行了規定。在既有幕墻結構膠現場檢測方面，目前采用最多的是現場切割部分樣品送回實驗室進行檢測，或者直接定性地觀測結構膠的外表現象，以及用邵氏硬度計測量膠體的硬化程度。近幾年也出現了一些新的現場檢測方法，比如洗盤法模擬集中載荷作用下的現場檢測法，氣囊法模擬均布載荷作用下的現場檢測方法、現場拉伸測試方法等。此外，在無損檢測方面，陳振宇等提出了一種基于FFT 功率譜的全隱框玻璃幕墻結構膠脫膠長度檢測方法；劉小根等提出了一種基于振動測試技術的隱框玻璃幕墻結構膠損傷檢測方法；林圣忠等人提出了一種基于應變的玻璃幕墻結構膠損傷檢測研究。這些研究方法都是通過測量幕墻玻璃的動態參數變化來識別結構膠的脫膠與斷膠，是一種無損的間接檢測。目前，也有人研究用超聲方法鑒別結構膠的損傷及界面粘結強度等。

國外發達國家在幕墻生產建設過程中，非常重視幕墻用結構膠的質量控制，且幕墻玻璃一般采用夾層玻璃代替傳統的鋼化玻璃，因此玻璃幕墻出現質量事故的幾率相對較小。在針對結構膠開展的研究工作方面，主要以研究結構膠的力學性能及結構膠的老化性能及耐候性能為主，并建立起了相應的測試標準。對于既有玻璃幕墻硅酮結構密封膠的檢測，美國材料試驗協會在ASTM C1392—00（2005）《結構密封膠裝配失效評估標準指南》中提出了一種針對安裝在裝配玻璃系統上的結構密封膠的評估及其結構密封膠失效范圍的方法。該方法通過測量在局部加載的條件下所獲得的玻璃撓度，來確定結構密封膠失效的部位，但是由于需要針對不同玻璃尺寸預先建立起標準，現場操作比較麻煩。Efstathiades 等人首次把神經網絡這個概念引入到對玻璃幕墻的健康檢測中，通過結構模態分析獲得網絡的學習樣本和測試樣本，接著把學習樣本送入網絡進行訓練，建立輸入參數與結構損壞之間的映射關系，最后采用測試樣本送入網絡中進行測試和推廣。該方法為突破玻璃幕墻的檢測與評估開辟了新的道路，但是其研究尚處于理論研究最初階段，更深層次的研究及工程實際應用工作有待進一步開展。

三、 結語

現今，玻璃幕墻壽命及安全性已成為公眾關注的問題，特別是在大部分城市的許多玻璃幕墻已進入“高齡”的情況下，對玻璃幕墻進行安全體檢已勢在必行。作為最容易出現問題的玻璃幕墻結構膠，影響其服役壽命的因素非常復雜。目前，無論是針對玻璃幕墻結構膠服役年限的耐久性評估，還是現場檢測技術的研究，都遠遠落后于其工程應用。結構膠服役狀態的現場檢測一直是一個比較棘手的問題，因為現在還沒有建立起結構膠的彈性性能（硬度）與其界面粘結強度的關系，而直接現場測量其界面粘結強度又非常困難，然而結構膠的粘結性能退化直接威脅著玻璃幕墻的安全使用。因此，開發結構膠的現場檢測與評估技術任重而道遠。

（來源：玻璃工業網）