周平，蔣金博，張冠琦

(廣州市白云化工實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510540)

0 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟水平的提高，現(xiàn)代建筑的快速發(fā)展，設(shè)計理念和設(shè)計方法的持續(xù)革新，施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，玻璃幕墻逐漸由“單一化、規(guī)整化”轉(zhuǎn)向“多元化、復(fù)雜化”[1-2]。傾斜、曲面、雙曲面、扭曲等新型玻璃幕墻因其能滿足建筑獨特造型的需求、給人們帶來良好的視覺體驗而受到設(shè)計師的青睞[3-4]。與此同時，不斷涌現(xiàn)的造型獨特、復(fù)雜多變的玻璃幕墻建筑，也給幕墻的發(fā)展帶來新的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)，對于與建筑幕墻相關(guān)的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝施工等方面均提出了更高的要求；與此同時，對于相關(guān)的材料、配套產(chǎn)品的質(zhì)量也提出了更高的要求[5]。

以結(jié)構(gòu)密封膠為例，在隱框玻璃或半隱框玻璃幕墻中，玻璃面板主要通過硅酮結(jié)構(gòu)密封膠與鋁合金副框粘結(jié)在一起。所謂的結(jié)構(gòu)密封膠，是用于建筑結(jié)構(gòu)中，能夠傳遞結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的靜態(tài)荷載或動態(tài)荷載的密封膠[9]。在實際的應(yīng)用過程中，結(jié)構(gòu)密封膠除了需要長期承受紫外線、濕氣、熱、臭氧等的氣候老化，還需要長期承受風(fēng)荷載、重力荷載以及溫差變形引起的內(nèi)應(yīng)力等力的作用。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠對于幕墻發(fā)揮防水、密封性能起著至關(guān)重要的作用，一旦結(jié)構(gòu)密封膠質(zhì)量出現(xiàn)問題，不僅會影響幕墻結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能，而且會導(dǎo)致幕墻脫落等安全事故發(fā)生[10]。

傳統(tǒng)玻璃幕墻設(shè)計中多為平面形式與線型構(gòu)造設(shè)計，玻璃面板也以平板結(jié)構(gòu)居多。根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102-2003）中5.6.6 中的規(guī)定：隱框或橫向半隱框玻璃幕墻，每塊玻璃的下端宜設(shè)置兩個鋁合金或不銹鋼托條，托條應(yīng)能承受該分格玻璃的重力荷載作用[11]。因此，在傳統(tǒng)玻璃幕墻設(shè)計一般主要考慮結(jié)構(gòu)密封膠所承受的水平風(fēng)荷載和水平地震作用荷載；對于結(jié)構(gòu)密封膠，現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》（GB 16776-2005）也主要關(guān)注其拉伸強度[12]。這一點，在傳統(tǒng)的玻璃幕墻設(shè)計中是基本適用的。在一項針對國內(nèi)部分代表性城市服役20 年左右的幕墻工程粘結(jié)及密封材料狀況調(diào)查的結(jié)果表明：質(zhì)量好的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠在實際工程中使用20 年甚至超過20 年仍然能保持良好的性能[13]。

但在傾斜、曲面、雙曲面、扭曲等新型玻璃幕墻中，結(jié)構(gòu)密封膠和中空玻璃結(jié)構(gòu)密封膠的受力情況與傳統(tǒng)幕墻中的情況并不完全一致，需要考慮的因素大大增加[14]。結(jié)構(gòu)密封膠除了受到水平方向的拉伸應(yīng)力，還可能會受到剪切應(yīng)力。另外，對于一些轉(zhuǎn)角位置或者一些角度特殊的位置，可能也會對于結(jié)構(gòu)密封膠的抗剪切性能提出要求。除此之外，在具體安裝和使用過程中，有可能會由于安裝的誤差和材料的老化變形，導(dǎo)致原本是受拉伸應(yīng)力的位置出現(xiàn)部分受剪切應(yīng)力的情況。

2015 年出臺的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》（JG/T 475-2015）中，在考察結(jié)構(gòu)密封膠拉伸強度的基礎(chǔ)上，增加了對于結(jié)構(gòu)密封膠剪切強度的要求[15]。在實際的應(yīng)用過程中，結(jié)構(gòu)密封膠所受的剪切應(yīng)力，與受力角度存在一定的關(guān)系。而實際的受力角度可能會隨著設(shè)計和實際情況的不同而改變。不同的受力角度，不僅會影響結(jié)構(gòu)密封膠的受力狀況，同時也會影響結(jié)構(gòu)密封膠的耐久性能，進(jìn)而影響到幕墻的使用壽命和整體安全性。因此，有必要對于受力角度對硅酮結(jié)構(gòu)密封膠剪切性能的影響進(jìn)行研究。

目前對于不同受力角度下結(jié)構(gòu)密封膠的剪切性能，尚未見相關(guān)的研究。本文將針對這一課題，設(shè)計試驗方案，研究了受力角度對結(jié)構(gòu)密封膠剪切性能的影響。

1 實驗

1.1 試驗材料

單組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，市售，符合國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》GB 16776 和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》JG/T 475 的性能要求。

基材：陽極氧化鋁片，尺寸 50mm× 50mm × 3mm，市售。

1.2 儀器設(shè)備

拉力機：微機控制電子萬能試驗機（深圳市新三思材料檢測有限公司），型號DXLL-3000。

不同角度剪切測試夾具：7 個角度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。其中0°角為按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試夾具；90°角為按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》GB 16776 規(guī)定的拉伸強度測試夾具，如圖1 所示。

圖1 0°角剪切性能測試和90°角剪切性能測試（即拉伸性能測試）示意圖

其余各個角度的夾具為采用鋼材按照設(shè)計的尺寸焊接制成。具體而言，夾具的角度是指對應(yīng)夾具受力方向與結(jié)構(gòu)密封膠原受剪切應(yīng)力方向之間的夾角。以30°角為例，夾具受力的方向相對于結(jié)構(gòu)密封膠原受剪切應(yīng)力的方向，偏移了30°。30°角夾具的具體尺寸及夾具正視圖和夾具配合圖如圖2 所示。

圖2 30°角夾具正視圖和夾具配合圖

1.3 試樣的制備與養(yǎng)護(hù)

制樣：將鋁片按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》（JG/T 475-2015）的要求進(jìn)行清洗處理，將1.1 中的結(jié)構(gòu)密封膠按照標(biāo)準(zhǔn)要求完成制樣。每組制取3 個H 型試件，結(jié)構(gòu)密封膠尺寸為12mm×12mm×50mm?？紤]到夾具的穩(wěn)定性和測試的安全性，H 型試件兩面的粘結(jié)基材均選用陽極氧化鋁片。

養(yǎng)護(hù)時間：28d。

養(yǎng)護(hù)條件：標(biāo)準(zhǔn)條件即溫度為（23±2）℃、相對濕度（50±5）%RH。

1.4 性能測試與表征

取上述制取的試件，將試件安裝于前述對應(yīng)夾具中間。將電子萬能材料試驗機的拉伸變化速率設(shè)為5.5mm/min，進(jìn)行剪切試驗。其中，0°角剪切強度值為按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475規(guī)定的剪切強度測試方法進(jìn)行測試；90°角剪切強度值為按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776 規(guī)定的拉伸測定方法進(jìn)行測試；其余各角度則是采用對應(yīng)夾具按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》（JG/T 475-2015）規(guī)定的剪切強度測試方法進(jìn)行測試。需要注意：每組試件應(yīng)采用對應(yīng)的夾具進(jìn)行試驗，測試完一組試件應(yīng)更換夾具。

測試結(jié)束后，取每組試樣拉伸剪切強度平均值、斷裂伸長率平均值和不同伸長率下模量平均值作為結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 受力角度對于剪切強度和斷裂伸長率的影響

不同受力角度下剪切強度和斷裂伸長率的測試結(jié)果如圖3所示，圖中的0°角剪切強度值為按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試方法進(jìn)行測試的結(jié)果，90°角剪切強度值為按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776 規(guī)定的拉伸強度測試方法進(jìn)行測試的結(jié)果，其余各個角度（15°、30°、45°、60°、75°）為采用對應(yīng)夾具按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試方法進(jìn)行測試的結(jié)果。

圖3 不同受力角度下剪切強度和斷裂伸長率的變化情況

從圖3 可見，對于本次測試的結(jié)構(gòu)密封膠樣品，不同的受力角度與結(jié)構(gòu)密封膠剪切強度、斷裂伸長率的關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系。具體而言，剪切強度從0°角開始，隨著角度的增大而變大，在45°角達(dá)到最大值1.64MPa；隨后開始緩慢降低，至75°角時重新開始變大；90°角時剪切強度值（即拉伸強度值）大于0°角剪切強度值。最大強度伸長率從0°角開始，隨著角度的變大而變小，在45°角達(dá)到最小值385%；隨后又逐漸增大，90°角時斷裂伸長率大于0°角時斷裂伸長率。

總體上而言，結(jié)構(gòu)密封膠在0°角時的剪切強度和斷裂伸長率的數(shù)值均低于90°角時的數(shù)值；而在45°角時的剪切強度最大，但斷裂伸長率最小。由此可見：同樣的結(jié)構(gòu)密封膠，在受力角度不同時表現(xiàn)出的性能也有相當(dāng)大的差異。

在實際的應(yīng)用中，一般玻璃幕墻內(nèi)傾或外斜與豎直方向的夾角為0°～20°[3-5]，此時結(jié)構(gòu)密封膠在玻璃板塊自重的影響下很可能受到剪切應(yīng)力的影響。從上述試驗結(jié)果可知，本次測試樣品的剪切強度數(shù)值低于拉伸強度。實際上，不同的結(jié)構(gòu)密封膠的剪切強度與拉伸強度極有可能存在差異。而目前設(shè)計取值多數(shù)是基于結(jié)構(gòu)密封膠的拉伸強度，現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》（GB 16776-2005）中對剪切強度也沒有相關(guān)的要求，這導(dǎo)致在實際的結(jié)構(gòu)密封膠應(yīng)用中，可能忽視對結(jié)構(gòu)密封膠剪切強度的要求。

因此，設(shè)計師在進(jìn)行幕墻設(shè)計時，如果采用剪切強度作為設(shè)計的關(guān)鍵取值，在選用滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 16776-2005）的密封膠時，如結(jié)構(gòu)密封膠沒有提供剪切強度測試值，推薦選用拉伸強度和斷裂伸長率較高的產(chǎn)品。如有必要，可以結(jié)合項目特點，根據(jù)實際的傾斜角度，進(jìn)行指定角度的剪切性能測試，為結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計、應(yīng)用提供參考。

在選用滿足現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475-2015 的結(jié)構(gòu)密封膠時，推薦選用拉伸強度、剪切強度及斷裂伸長率較高的產(chǎn)品。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475-2015 中對結(jié)構(gòu)密封膠的剪切強度，與拉伸強度一樣，提出了要求（23℃剪切強度標(biāo)準(zhǔn)值≥0.5MPa），同時還對結(jié)構(gòu)密封膠在80℃、-20℃條件下的剪切強度保持率（≥75%）和所有剪切性能項目的粘接破壞面積（≤10%）做出了明確的要求。如有必要，也可以結(jié)合項目特點，根據(jù)實際的傾斜角度，進(jìn)行指定角度的剪切性能測試，為結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計、應(yīng)用提供參考。

2.2 受力角度對于不同伸長率下模量的影響

不同受力角度下在100%伸長率以內(nèi)剪切模量的變化情況如圖4 所示。其中，0°角測試結(jié)果為結(jié)構(gòu)密封膠按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試方法進(jìn)行測試的剪切模量，90°角測試結(jié)果為結(jié)構(gòu)密封膠按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776 規(guī)定的拉伸強度測試方法進(jìn)行測試的拉伸模量，其余各個角度（15°、30°、45°、60°、75°）為采用對應(yīng)夾具按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試方法進(jìn)行測試的結(jié)果。

圖4 不同受力角度下剪切模量隨伸長率的變化情況

由圖4 可以看出，在100%伸長率以內(nèi)，隨著受力角度的增大，同一伸長率下的模量數(shù)值大體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，即在結(jié)構(gòu)密封膠所受應(yīng)力從剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力的過程中，其同一伸長率下的應(yīng)力是逐漸提高的。以伸長率20%為例，當(dāng)受力角度為0°時，對應(yīng)的應(yīng)力為0.07MPa；而當(dāng)受力角度為90°（即拉伸應(yīng)力）時，對應(yīng)的應(yīng)力則達(dá)到0.3MPa。即相比于拉伸應(yīng)力，只需要更小的剪切應(yīng)力，就可以讓結(jié)構(gòu)密封膠產(chǎn)生同樣百分比的形變。

另一方面，同樣大小的應(yīng)力作用在不同受力角度下的結(jié)構(gòu)密封膠，由此產(chǎn)生的形變是不同的?？傮w上而言，隨著剪切受力角度的變大，同樣應(yīng)力作用下產(chǎn)生的形變大體上呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，即結(jié)構(gòu)密封膠所受應(yīng)力從剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力的過程中，同樣應(yīng)力作用下產(chǎn)生的形變是逐漸減少的。以應(yīng)力為0.2MPa 為例，當(dāng)受力角度為90°（即拉伸應(yīng)力）時，產(chǎn)生的形變?yōu)?0%；而當(dāng)受力角度為0°時，產(chǎn)生的形變則超過60%。

因此，設(shè)計師在進(jìn)行幕墻設(shè)計計算時，如果需要用到模量，需考慮到模量在不同受力角度下取值是不同的。如有必要，可以結(jié)合項目特點，根據(jù)實際的傾斜角度，進(jìn)行指定角度的剪切性能測試，為結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計、應(yīng)用提供參考。

3 結(jié)論

（1）在本文的試驗方案中，同一結(jié)構(gòu)密封膠樣品，在受力角度不同時表現(xiàn)出的性能測試值不一樣：在0°角時的剪切強度和斷裂伸長率的數(shù)值均低于90°角時的數(shù)值；在45°角時剪切強度值最大，而斷裂伸長率值最??；在100%伸長率以內(nèi)，隨著受力角度的增大，同一伸長率下的模量數(shù)值大體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

（2）在傾斜、曲面、雙曲面、扭曲或者其他設(shè)計復(fù)雜、板塊較大的新型玻璃幕墻中，建議選用強度高、性能有余量的產(chǎn)品。如有必要，也可以結(jié)合項目特點，根據(jù)實際的傾斜角度，進(jìn)行指定角度的剪切性能測試，為結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計、應(yīng)用提供參考，確保傾斜、曲面、雙曲面、扭曲等新型玻璃幕墻的安全性能。