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大工程,小材料——硅酮结构密封胶在建筑幕墙上的应用

来源:2019年会论文集  作者:王有治  日期:2019-8-1
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    摘要:硅酮结构密封胶有优异的耐气候老化、良好的粘结性,广泛应用于建筑幕墙的结构性粘结,虽然只是幕墙工程中的一种小材料,但还是出现了各种各样的应用问题。本文讨论了极端气候环境对硅酮结构密封胶的影响、常见的硅酮结构密封胶失效问题,以及如何从设计、选材、施工等方面保证硅酮结构密封胶在幕墙上的使用寿命,特别是在极端气候环境下具有优异的性能表现。
    关键词:幕墙;硅酮结构密封胶;粘结

  前言

  的应用始于19世纪末,在20世纪50年代,玻璃幕墙开始大规模应用于建筑外,宣告建筑幕墙时代到来。20世纪80年代,我国幕墙建筑开始萌芽,1981年修建的广州广交会展馆是我国幕墙时代开始的标志,将近40年的发展使我国建筑幕墙行业实现了从无到有、从模仿引进到自主创新的跨越式发展。目前,我国已成为世界建筑幕墙生产和使用的第一大国[1]。

  建筑幕墙的发展带动了相关材料的发展,建筑幕墙用材料可分为、支撑结构、材料、结构粘结材料四大部分。其中板材通常采用、玻璃、和等材质,而内部则采用、以及等结构形式,还包括有片与之间的、二道密封用、起到密封作用的、以及的类材料[2]。在实际工程应用中,大家对于、玻璃等大宗材料的关注度都比较高,往往会忽略密封胶这类小材料。密封胶在幕墙工程中的造价占比不超过3%,但在整个幕墙系统中却起到了至关重要的作用,一旦发生失效,后期的维护、返修费用十分高昂。本文主要针对密封胶在幕墙工程应用中容易出现的问题进行分析,并提出相应的解决参考建议。

  1 气候环境影响

  一般而言,建筑的都在50年以上,这就要求使用的材料也必须具有较长的使用寿命,到目前为止,在建筑幕墙上已经有40多年的应用历史。近年来建筑幕墙的超高化以及板片的大型化、复杂化、多样化,让大家对建筑幕墙安全性的关注度越来越高,各项关注既有幕墙安全性的法规也纷纷出台,同时对结构及密封胶性能也提出了更高的要求。具有高、高、优良、等特点的高性能应运而生并得到了广泛应用。但极端气候环境对建筑幕墙的使用寿命仍是一项比较严苛的挑战。

  1.1 地震

  我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的,地震带十分活跃。地震中容易发生断层错动、地震波引起地面振动,造成如地面破坏、建筑物与构造物的破坏、山体滑坡等危害。1995年日本阪神大地震和1999年台湾大地震中均有大量的玻璃震害的报告,却没有震后幕墙危害报告,2008年四川汶川5.12大地震中,幕墙的性能优于其他形式的外墙围护装饰抗震得到了充分的体现[3]。

图1 2008年汶川地震都江堰骨科医院外墙破坏,幕墙完好[3]

  建筑幕墙由支撑结构体系与组成、可相对有一定、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰性结构[4]。幕墙本身的构造特点使得它能承受大的内而不破损,例如玻璃幕墙大部分会使用结构密封胶作为柔性连接,石材幕墙和会使用支承结构(横梁立柱、钢结构、等等)与建筑主体连接。许多工程所进行的幕墙平面内变形试验表明,符合规范设计要求的幕墙可以承受1/100层高的平面内水平位移而不破损[5]。

图2 2008年汶川地震都江堰水利大厦填充墙破坏,幕墙完好[5]

  硅酮结构密封胶自身具有较高的,能够起到结构粘结的作用,同时良好的能够在玻璃幕墙中传递玻璃与主体之间的层间位移变化。硅酮经常作为幕片间的防水使用,还可以在幕墙板片出现位移变化时,起到弹性缓冲保护作用。当地震来临时,硅酮结构密封胶和耐候密封胶可以对建筑幕墙起到很好的保护作用。

  历年大地震结果表明,建筑幕墙在地震中的安全性远优于一般建筑,只要建筑主体结构尚未倒塌,幕墙相对都保存地比较完好。说明只要设计严格(提高设计安全系数)、选材合理、施工规范,就可以保证幕墙在地震地区有优异的抗震性能。

  1.2 台风

  近年来,台风频频侵袭,不仅对农作物、树木、电力、道路等造成极大破坏,同时也造成大量建筑受损,给建筑外围护结构——幕墙造成了不同程度的损坏,也给我国幕墙带来了一次次的严峻考验。

  2016年9月15日第14号台风“莫兰蒂”对厦的建筑幕墙造成了不同程度的破坏,据调查,很多建筑幕墙受损,少数受损比较严重,个别项目玻璃破损高达70%以上。经过分析,虽然此次台风的实际风力超出幕墙风是幕墙破坏最为主要的原因,但也不排除某些项目上设计取值偏低、材料配置不足、施工质量差以及防范台风意识不强等因素[6]。

图3 “莫兰蒂”台风后玻璃幕墙出现板片破损

  2018年9月16日17时,第22号台风“山竹”(强台风级)在广东台山海宴镇登陆,登陆中心附近最大风力14级(45米/秒,相当于162公里/小时),中心最低气压955百帕。与2016年9月“莫兰蒂”台风袭击厦门相比,其风力等级、风速等几乎持平。同样,在这次的台风中,广东、广西、香港等地区的建筑幕墙也出现了不同程度的损坏。

图4 “山竹”台风中玻璃幕墙板片出现破损

  1.3 暴雨

  近年来,全国各地每年夏季都有很多城市遭遇暴雨袭击,连续的暴雨通常伴随着大风天气,对建筑幕墙的结构安全和防水密封进行了严厉的考验。暴雨天气幕墙出现的主要问题是漏水,密封胶各种形式的,导致雨水通过胶缝渗入室内,造成室内装饰破坏,甚至部分结构性的型材和,造成结构安全隐患。

图5 石材幕墙密封胶不饱满(a)和幕墙密封胶开裂(b)

  2. 硅酮结构密封胶失效案例原因分析

  在极端的气候环境下,我们可以看到设计严格、选材合理、施工规范可以保证硅酮密封胶在建筑幕墙上发挥良好的作用。但尽管如此,国内关于幕墙板片坠落、结构密封胶、耐候密封胶防水失效的案例仍频频发生。本文将从以下几个方面来进行分析:

  2.1 设计问题

  硅酮结构密封胶必须具有足够的宽度以承受和自重等因素。设计风压和玻璃的尺寸越大,硅酮结构密封胶宽度就越大;同样板片越重,硅酮结构密封胶的宽度就越大。正确的硅酮结构密封胶设计使密封胶容易安装,并可减少由不同温差位移引起的。硅酮结构密封胶设计必须参照极速快三计划JGJ 102-2003《》进行计算,同时硅酮结构密封胶不能限制在狭小的范围以免影响密封胶。

  2.2 硅酮结构密封胶粘结失效

  硅酮结构密封胶在玻璃幕墙使用过程中受力十分复杂,不仅承受正反方向的,还要承受、撕裂、机械疲劳、蠕变等各种不同的作用力。故而,要求硅酮结构密封胶必须具有较高的抗拉、抗剪、抗压和粘结强度。结构密封胶粘结一旦失效会造成较大的安全隐患,这就需要我们选用符合设计要求的高品质硅酮结构密封胶。粘结是物理作用和化学作用共同体现的结果,因此还和以下因素有关:表面情况如粗糙度、表面能和化学组成等,表面的清洁程度,清洁选择,养护固化条件等。

图6 硅酮结构密封胶与粘结失效

  2.2.1 胶的材质问题

  硅酮结构密封胶的基本成分是羟端基聚,同时添加补强、、等。目前硅酮结构密封胶的市场极为混乱,部分生产厂家为追求利益最大化,从降低成本着手,不惜加入劣质原材料,导致硅酮密封胶质量参差不齐,幕墙在竣工投入使用后短时间内便出现粘结失效、、开裂粉化、流油甚至导致玻璃坠落等问题。

  隐框或半使用的玻璃,二道密封也必须选用硅酮结构密封胶,不能选用,防止后期出现由于胶体自身导致的中空玻璃外片问题。

图7 开启扇中空玻璃外片掉落(聚硫密封胶)

  2.2.2 胶的老化问题

  由于玻璃幕墙在自然条件下要经受光、热、氧、雨、水等大气原因的影响,太阳光中的紫外线可以直接破坏高分子聚合物的分子链或诱发光氧反应,由材料表面逐渐向材料内部发展,使材料老化、性能下降。太阳光中的红外线经材料吸收转化为热能后使材料温度升高,会加速材料的分子运动,诱发热反应,使高聚物,也使材料老化、性能下降。硅酮密封胶本身具有良好的耐气候老化性能,需要杜绝劣质的硅酮密封胶、硅酮密封胶作为幕墙的结构性使用。

  2.2.3 施工工艺和养护时间

  早期的幕墙工程,由于没有明确施胶的环境条件等要求,导致施工不规范,如工地现场施胶等,从而影响到硅酮结构密封胶的性能。这是因为温度、湿度是决定硅酮结构密封胶固化的主要因素,温度、湿度越高,固化越快,但过大的湿度也可能会抑制硅酮结构密封胶的固化;现场的灰尘或杂质也会影响到施胶质量和粘结效果[7]。

  3 硅酮结构密封胶使用指导建议

  3.1 设计方面

  硅酮结构密封胶承受和作用产生的应力大小,关系到幕墙的安全,对结构密封胶必须进行核算,而且必须要保证最小的粘结宽度和厚度。硅酮结构密封胶的粘结强度值在国家强制性标准GB 16776-2005《建筑用硅酮结构密封胶》中明确规定了不低于0.60MPa[8];在风荷载或下,其总安全系数取值不小于4。根据JGJ 102-2003《技术规范》中硅酮结构密封胶的:f1=0.2 N/mm2,,f2=0.01 N/mm2。这个取值是根据概率设计方法来的,不应当因选取的密封胶不同而轻易进行更改。

  3.1.1 建议选用超高性能硅酮结构密封胶

  针对在地震和沿海台风多发地区,在进行硅酮结构密封胶计算时,可以考虑提高系统的整体安全系数,尽量采用超高性能硅酮结构密封胶(强度值≥1。2MPa),提高胶的安全系数,保证粘结部位有充分的余量,能够应对极端气候环境。

  3.1.2台风区域适当提高设计

  在进行硅酮结构密封胶计算时,需要考虑风荷载、地震作用、板片的影响。在超强台风区域,相对而言,地震作用、板片永久荷载影响相对比较稳定,而波动较大的是风荷载的变化。

  本次台风“山竹”登陆时,登陆时中心附近最大风力14级(45米/秒,相当于162公里/小时),核算出来的风压为1.26 kN/m2,已经超过了深圳和厦门地区百年以来的风压值。因此在台风多发区域进行设计核算时,可以考虑提高基本风压,进而抵御超强台风。

  3.1.3 提高中空玻璃外片的

  玻璃幕墙采用中空玻璃时,应符合现行国家标准GB/T 11944-2012《中空玻璃》:中空玻璃应采用双道密封;隐框、半隐框及用中空玻璃的二道密封胶应采用硅酮结构密封胶,中空玻璃结构密封胶宽度应≥5mm,内道层宽度应≥3mm。中空玻璃的二道密封胶接口设计可以参考JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》中5.6章节进行核算。考虑超强台风时,二道密封胶的粘结宽度应大于计算值,保证风荷载增大时中空玻璃外片也能够完整地粘合在主体结构上,防止出现由于外片粘结宽度不够而导致的外片掉落失效。

  3.1.4 明确特殊部位做法

  在超强台风的作用下,幕墙开启扇部位不可避免会发生一些漏水的情况,开启扇部位类似于,其中空玻璃二道密封也应选用硅酮结构密封胶。在特殊部位的设计时,如异形造型、部位,及需要现场板片时,必须明确材料的具体做法,且预留足够的空间保证密封胶的粘结。

  3.2 产品选用

  幕墙结构性装配时,必须选择满足国家标准GB 16776《建筑用硅酮结构密封胶》要求的硅酮结构密封胶,不能使用,甚至是非硅酮类的产品。这些产品不能适用于结构性设计要求,使用会存在严重的安全隐患。

  密封胶在运输、存储过程中不可避免的会受热,受热后其物理性能可能衰减导致出现提前过期现象。特别是在夏天,温度较高,这种现象比较明显。因此密封胶在使用前应通过测试进行粗略判断,还应将打成,待其固化3天后用手拉伸以测试其是否具有弹性,如果弹性良好则可以使用。

  3.3 项目开工前测试

  硅酮结构密封胶在使用前,应经国家认可的检测机构进行与其相接触材料的和剥离粘结性测试,并对、标准状态能复检。

图8 相容性和剥离粘结性测试

  3.4 现场测试

  在项目施胶前,需要对密封胶进行检查。幕墙板片大多是在工厂内使用混合的双组分硅酮结构密封胶装配而成,在每天施胶时必须进行:蝴蝶测试(确认胶是否混合均匀)、拉断测试(确认胶的可操作时间)、随批剥离粘结性测试(确认胶与基材的粘结性),必要时进行蛇形测试(确认胶的整体固化是否正常)。

图9 蝴蝶测试、拉断测试和随批剥离粘结性测试

  3.5 现场记录

  密封胶在施工时,必须严格按照标准的施工流程进行,标准的“两块抹布清洁法”、必要时使用底涂、保证施胶的厚度和宽度满足设计要求,注胶过程中保证均匀一致性、防止引入等,并做好相应的施工记录。

图10 施胶记录表和密封胶尺寸设计

  3.6 养护

  硅酮结构密封胶的固化受外界环境的影响较大,冬夏季硅酮结构密封胶固化的速度有一定差异,因此硅酮结构密封胶在施打后应严格按照标准进行养护,才能达到较好的应用性能。幕墙板片在搬运和安装之前,均必须进行现场的割胶测试予以确认,如果密封胶没有固化完全,与基材粘结效果不佳,不允许进行板片的搬运及安装操作。

  3.7 现场质量检查

  成品割胶测试适用于装配现场测试结构密封胶粘结性的检查,用于发现工地应用中的问题,如:基材不清洁或清洁不当、使用不合适的底涂、施工方法不当、不正确的接缝装配、接缝设计不合理以及其它影响粘结性的问题。该项检测需硅酮结构密封胶在标准条件下完全固化后进行,完全固化时间通常需要14天~21天(双组分14天,21天)。

图11 现场割胶检查

  3.8 建筑幕墙维护

  根据JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》要求,建筑幕墙竣工验收后一年时,应进行全面的检查,此后每五年检查一次。同时,在出现恶劣天气后,应及时进行全面的系统排查。

  在幕墙的定期维护保养过程中,我们首先需要检查硅酮结构密封胶与基材的粘结性,并对值进行检测,初步判断胶体的老化情况,如有必要现场割胶后进行定量的考察。同时,针对检查出来的问题尽快制定专业的维修方案,保证幕墙的结构安全和防水密封性能。

  结语

  建筑幕墙是一个系统性的工程,硅酮结构密封胶作为整个体系中的小材料,发挥着巨大的作用。因此就要求在极端气候(地震或台风)区域,设计方面提高硅酮结构密封胶在幕墙应用中的总体安全系数。同时选择正确的材料,完善的检测手段、规范化的施工流程以及到位的后期维护工作也是保证硅酮结构密封胶在幕墙上应用的几大要素。

  参考文献:

  [1] , 赵西安, 刘军进, et al. 我国建筑幕墙技术30年发展[J]. 建筑科学, 2013, 29(11):80-88.

  [2] 刘彦博, 石晓东. 玻璃幕墙用和结构密封胶的选用[J]. , 2005, 26(3):55-56.

  [3] 龙文志。 反思汶川地震的和幕墙抗震性[J]。 门窗, 2008(8):10-14。

  [4] 中国建筑科学研究院.JGJ 102-2003玻璃幕墙工程技术规范 [S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

  [5] 赵西安. 四川汶川大地震中玻璃窗和玻璃幕墙抗震性能的初步分析[C]// 中国玻璃行业年会暨技术研讨会. 2008.

  [6] 仵永明. 干货:下次台风来之前,幕墙工程商必须掌握这些!中国幕墙网// 点击查看 http://www.wxjy888.com/info/2016-11-10/42064-5.htm

  [7] , 王骅。 玻璃幕墙用硅酮结构密封胶安全性能指标对比研究[J]。 中国, 2013(10):23-26。

  [8] 全国轻质与装饰装修标准化技术委员会.GB 16776-2005 建筑用硅酮结构密封胶 [S].北京:中国标准出版社,2005.

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专家介绍

 王有治

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:成都硅宝科技股份有限公司

技术职称:高级工程师

专业:多年来长期从事有机硅、高分子材料的研发及市场推广工作

专长:有机硅、高分子材料的研发

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