基于动测法的隐框玻璃幕墙硅酮结构胶粘结强度检测方法*

时间：2024-07-28

何京波，余忠辉

（深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心，广东深圳 518051）

随着社会经济的发展，大量高层建筑拔地而起，隐框玻璃幕墙以其独特的艺术表现力在高层建筑中广泛应用［1］。硅酮结构胶将幕墙副框和玻璃面板粘结起来，起到传递荷载的作用，结构胶的老化是隐框玻璃幕墙出现安全问题的重要原因。国家和地方颁布了一系列的检测和评价标准，这些标准对促进幕墙安全的检测评价起到了规范和指导作用［2-3］。但现有的隐框玻璃幕墙结构胶粘结性能检测，是在被测隐框玻璃幕墙上割取一部分胶条，将胶条制成特定尺寸的试件后在实验室进行粘结性能测试［4-5］。这种有损的方法检测完成后还需要对被测幕墙的损伤进行修复，不能高效地用于大量幕墙的结构胶粘结性能的检测。

针对现有隐框玻璃幕墙结构胶检测方法对幕墙造成损伤、检测效率低、检测成本高等问题，本文提出基于动测法的隐框玻璃幕墙结构胶粘结性能检测方法，该方法通过建立隐框玻璃幕墙面板的动力性能与结构胶粘结性能的量化关系，在测试幕墙玻璃面板动力特性的基础上，即可评价结构胶的粘结性能。

1 检测方法

玻璃面板通过结构胶与幕墙铝合金副框连接起来，在副框和结构胶的约束下玻璃面板的自振频率呈现其固有属性。随着结构胶的老化，结构胶的粘结性能逐渐降低，玻璃面板的振动特性随着结构胶约束条件而发生改变。因此，可通过测试玻璃面板的振动频率评价结构胶的粘结性能。如图1所示，基于动测法的隐框玻璃幕墙结构胶粘结性能检测方法主要包括如下步骤：（1）同老化条件下隐框玻璃幕墙单元玻璃面板自振频率与结构胶工字型试件拉伸粘结性能测试；（2）结构胶工字型试件拉伸粘结性与玻璃面板自振频率关系的建立；（3）被测隐框玻璃幕墙自振频率检测；（4）被测隐框玻璃幕墙结构胶粘结性能计算。

图1 隐框玻璃幕墙结构胶粘结性能检测流程图Fig. 1 Flow chart of the dynamic testing method to measure adhesive strength of structural silicone sealant

（1）玻璃面板自振频率与工字型试件拉伸粘结性能测试

将隐框玻璃幕墙单元试件与同时刻注胶的工字型试件置于相同的老化环境中，使隐框玻璃幕墙单元试件与工字型试件结构胶的老化速率和程度保持一致。在不同的老化时间，分别测试隐框玻璃幕墙单元试件玻璃面板的自振频率和工字型试件的拉伸粘结强度。

（2）工字型试件拉伸粘结性与面板自振频率关系的建立

通过测试不同老化时间下隐框玻璃幕墙单元试件玻璃面板自振频率和工字型试件拉伸粘结性能，可得到玻璃面板自振频率随老化时间的变化，以及工字型试件拉伸粘结强度随老化时间的变化。进一步采用多元线性回归的方法建立工字型试件拉伸粘结强度与玻璃面板自振频率的量化关系。

式(1)中：σ 为工字型试件拉伸粘结强度，单位为MPa；a1、a2、...、ai、b为多元线性回归参数，ai单位为MPa/Hz，b单位为MPa；f1、f2、...fi为玻璃面板的第1阶、第2阶、…、第i阶自振频率，单位为Hz。（3）被测隐框玻璃幕墙自振频率检测

将加速度传感器布置于被测隐框玻璃幕墙面板上，测试隐框玻璃幕墙玻璃面板的自振频率，提取其前i阶自振频率。需要注意的是，被测隐框玻璃幕墙尺寸和自振频率的阶数与步骤（1）中的一致。

（4）被测隐框玻璃幕墙结构胶粘结性能计算

将被测隐框玻璃幕墙自振频率代入式（1）中，即可得到被测隐框玻璃幕墙结构胶的拉伸粘结强度。

从式（1）可以看出，结构胶拉伸粘结强度与玻璃面板自振频率的量化关系与老化环境和老化时间无关，隐框玻璃幕墙玻璃面板自振频率发生变化的本质原因是结构胶对玻璃面板约束的改变。隐框玻璃幕墙结构胶老化是结构胶粘结性能由“完好”到“逐渐失效”的过程，但结构胶难以达到“完全失效”。为了得到结构胶拉伸粘结强度从“完好”到“完全失效”全过程下玻璃面板的振动频率，基于“逆向试验正向验证”的思路，测试隐框玻璃幕墙和工字型试件从结构胶注胶到养护完成时间内的振动频率和拉伸粘结强度。

2 试件与设备

2.1 试件制作

（1）结构胶类型：建筑幕墙用单组分硅酮密封胶。

（2）工字型试件：制作120个工字型试件，每次测试3个。

（3）幕墙面板试件：制作一块1.2m×1.2m的隐框玻璃幕墙。

（4）养护条件：所有试件统一在标准环境温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%的条件下进行养护。

（5）其他：工字型试件与隐框玻璃幕墙注胶时间相同。

2.2 测试设备

（1）隐框玻璃幕墙玻璃面板自振频率测试

采用敲击法测试隐框玻璃幕墙单元试件玻璃面板的自振频率。该方法原理如图2所示，将隐框玻璃幕墙固定于两个刚度足够大的立柱上，在玻璃面板上固定若干加速度传感器，采用力锤敲击玻璃面板，玻璃面板振动信号被加速度传感器拾取后传输至数据采集仪，再经数据处理系统分析后即可得到玻璃面板的自振频率。本次试验采用的传感器为1A102E型通用压电式加速度传感器，数据采集和分析设备为DH5938便携式动态信号测试分析系统，力锤为LC02型力锤。

图2 敲击法测试隐框玻璃幕墙单元试件玻璃面板自振频率示意图Fig. 2 Schematic diagram of hammering method to measure the natural vibration frequency of the glass panel

（2）工字型试件拉伸粘结性能测试

制备一定数量的工字型拉伸粘结强度试件，试件基材采用一面清洁的浮法玻璃，另一面为阳极氧化铝板。工字型试件如图3所示，其中1和2为基材，3为硅酮结构胶，图中尺寸标注单位是mm。采用深圳万测试验设备有限公司生产的CMT4503微机控制电子万能材料试验机测试工字型试件的拉伸粘结强度。

图3 工字型试件Fig. 3 I-shaped sample

3 试验结果

（1）隐框玻璃幕墙单元试件玻璃面板自振频率随结构胶养护时间变化

按图2所示连接传感器和测试设备，每隔若干小时测试一次玻璃面板的振动信号，采用傅里叶分析方法将玻璃面板振动时域信号转化为频域信号，提取玻璃面板的前二阶自振频率。玻璃面板一阶和二阶自振频率随结构胶养护时间变化如图4和图5所示。

图4 玻璃面板一阶自振频率随结构胶养护时间变化Fig. 4 The first-order vibration frequency of glass panel changes with curing time of structural adhesive

图5 玻璃面板二阶自振频率随结构胶养护时间变化Fig. 5 The second-order vibration frequency of glass panel changes with curing time of structural adhesive

（2）工字型试件拉伸粘结性能随结构胶养护时间变化

测试工字型试件的最大拉伸强度，每组测试3个，以3个测试的平均值作为该组的测试结果，工字型试件拉伸粘结性随结构胶养护时间变化如图6所示。

图6 工字型试件拉伸粘结性随结构胶养护时间变化Fig. 6 The adhesive strength of I-shaped specimen changes with curing time of structural adhesive

4 结果与讨论

从图4~图6可以看出，玻璃面板自振频率和工字型试件拉伸粘结性随结构胶养护时间的增加逐渐变大并趋于稳定。这一现象与结构胶的固化有关，随着结构胶养护时间的增加，工字型试件采用的单组分结构胶由表及里逐渐固化，结构胶的强度逐渐增长，达到一定龄期后停止增长；同时，隐框玻璃幕墙副框与玻璃面板之间的结构胶也在逐渐固化，结构胶对玻璃面板的约束作用逐渐增强，因此玻璃面板的自振频率也在逐渐增大。

分析图4~图6中的数据，玻璃面板自振频率和工字型试件拉伸粘结强度随龄期呈增长的规律，其中，工字型试件拉伸粘结强度、玻璃面板一阶自振频率、玻璃面板二阶自振频率与养护时间的线性拟合度分别为0.95、0.76和0.77，表明工字型试件拉伸粘结强度与养护时间呈现良好的线性相关性，玻璃面板一阶和二阶自振频率随结构胶约束的增强而线性增大。

进一步，采用多元线性回归的方法，以工字型试件拉伸粘结强度为因变量，以玻璃面板的一阶和二阶自振频率为自变量，可以得到工字型试件拉伸粘结性与面板自振频率的定量关系：

从式(2)可以看出，工字型试件拉伸粘结性与玻璃面板自振频率线性相关性良好，其中，玻璃面板一阶频率1Hz将引起结构胶0.181MPa强度的改变，玻璃面板二阶频率1Hz将引起结构胶0.151MPa强度的改变。这一结果表明，可以采用幕墙玻璃面板的自振频率表征结构胶的粘结强度。