CN104075990B - 既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性评定方法，包括（1）在光老化条件下，对多种试样进行人工加速老化，测量本体强度和粘结强度；（2）对本体强度与粘结强度进行统计处理，得到本体强度与粘结强度的线性关系；（3）以不同老化时间的粘结强度与标态时的粘结强度的比值作为相对粘结强度，获得相对结强度与老化时间的归一化曲线；（4）测量要测试的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的本体强度；（5）根据本体强度与粘结强度的线性关系计算，得到其此时的粘结强度；（6）得到该既有建筑幕墙硅酮结构密封胶老化所处的阶段，并推测其剩余使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料，具体涉及既有建筑幕墙结构密封胶的耐久性分析测试方法。
背景技术
玻璃幕墙(或称幕墙)由金属构件和墙面板块玻璃等材料组成，是悬挂在主体结构上的连续的非承重外围护结构。幕墙用硅酮结构密封胶(以下简称结构胶)连接了建筑物主体和装饰玻璃板，能将所受到的外界风荷载、玻璃自重、温度变化引起的铝材与玻璃热胀冷缩反复变形的应力传递到建筑结构上，在保证玻璃幕墙结构安全上起到了举足轻重的作用。因此结构胶应具有结构密封性好、耐湿热、耐紫外线、耐臭氧老化等优异性能，并能与铝合金框架和各种色泽的镀膜玻璃有良好的相容性。
硅酮结构密封胶分为单组分和双组分两种。单组分结构胶在施工后由于吸收空气中的水分发生交联反应而硫化，在硫化过程中一般要放出小分子生成物。最初应用的单组分结构胶是脱乙酸型，会对金属造成腐蚀，近年来为克服这一缺点发展了脱醇型和脱酮肟型。单组分结构胶因为固化时放出小分子产物，胶层易出现气泡，气密性较差，即易透空气和水蒸气，现在实际应用较少。双组分结构胶以有机硅氧烷为主剂，以胺基硅烷为固化剂。近年来发展的改性结构胶多是双组分的，以改性有机硅聚合物为主剂，有机金属化合物为固化剂，主要改善了结构胶的操作性能和表面涂装性能，并降低成本。改性方法主要是用丙烯酸酯、聚氨酯等同有机硅化合物共聚、共混以及互穿网络等。
然而，随着使用时间的增加，结构胶会出现粘结强度和变形性能等力学性能的劣化，引发安全事故并影响幕墙的使用寿命。由于建筑幕墙大多应用于公共建筑、商务中心区域，这些区域人流密集，若板片高空坠落，其后果将是灾难性的。
不过，目前缺失相关的评估方法和技术标准，即使幕墙规范对既有幕墙的定时检查、维修提出明确要求，玻璃幕墙安全检验实质性工作仍进展缓慢，甚至基本上无法实施。随着国内许多幕墙工程中结构胶的使用年限已超过企业提供的保证期限，如何结合工程应用中的受力情况去研究其破坏机理以及建立有效的评价其耐久性的评估体系是今后需要解决的关键问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，通过对硅酮结构密封胶进行光和热的人工加速老化，得到硅酮结构密封胶力学性能随老化时间的关系曲线，结果发现：(1)人工模拟的光老化条件与实际老化条件接近；(2)在人工模拟的光老化条件下，硅酮结构密封胶的粘结强度与本体强度之间具有线性关系；(3)在人工模拟的光老化条件下，获得相对粘结强度与老化时间的关系曲线；由此，对于既有建筑幕墙硅酮结构密封胶，通过对其现场取样、测量其本体强度，即可计算得到其粘结强度，再将所得粘结强度除以该硅酮结构密封胶标态时的粘结强度得到此时的相对粘结强度，将其同相对粘结强度与老化时间的关系曲线进行比对，即可得到该既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的剩余使用寿命。
本发明的目的在于提供以下方面：
根据本发明的第一方面，提供一种既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，该方法包括以下步骤：
(1)在光老化条件下，对多种硅酮结构密封胶的试样进行人工加速老化，测量不同老化时间下试样的本体强度和粘结强度，得到试样的本体强度与老化时间关系曲线、以及粘结强度与老化时间关系曲线；
(2)对多种硅酮结构密封胶不同老化时间下的本体强度与粘结强度进行统计处理，得到在同一老化时间时本体强度与粘结强度的线性关系；
(3)以多种硅酮结构密封胶不同老化时间的粘结强度与标态时的粘结强度的比值作为相对粘结强度，获得多种硅酮结构密封胶相对粘结强度与老化时间的关系曲线，进行归一化处理，得到相对粘结强度与老化时间的归一化曲线；
(4)对于要测试的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶，对其现场取样，测量其本体强度；
(5)对于要测试的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶，根据本体强度与粘结强度的线性关系计算，得到其此时的粘结强度；
(6)根据该硅酮结构密封胶的标态时的粘结强度，计算此时的相对粘结强度，根据相对粘结强度与老化时间的归一化曲线，得到其对应的光老化时间，通过与其实际使用时间比较，得到其剩余使用寿命。
根据本发明的第二方面，提供如上所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，所述多种硅酮结构密封胶包括单组分硅酮结构密封胶和双组分硅酮结构密封胶。
根据本发明的第三方面，提供如上所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，本体强度通过哑铃形片型试样测量，粘结强度通过工字形块型试样测量。
根据本发明的第四方面，提供如上所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，所述光老化条件如下：采用波长UVA-340nm的直型灯管，辐照度为0.89W/m2，每12小时为一个实验循环周期，包括紫外线辐射8h，其中黑板温度60±3℃，然后冷凝水4h，其中黑板温度50±3℃。
根据本发明的第五方面，提供如上所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(1)中，人工老化时间最长为5000h。
根据本发明的第六方面，提供如上所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(4)中，本体强度与粘结强度的线性系数为1.5-3，即在同一老化时间下，硅酮结构密封胶的本体强度为粘结强度的1.5-3倍。
根据本发明的第七方面，提供如上所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(4)中，本体强度与粘结强度的线性系数为1.8-2.6，即在同一老化时间下，硅酮结构密封胶的本体强度为粘结强度的1.8-2.6倍。
根据本发明的第八方面，提供如上所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(4)中，最大本体强度时的伸长率与最大粘结强度时的伸长率的线性系数为1.5-3.0，即在相同的老化时间下，最大本体强度时的伸长率为最大粘结强度时的伸长率的1.5-3.0倍。
根据本发明的第九方面，提供如上所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(6)中，根据该硅酮结构密封胶的标态时的粘结强度，计算此时的相对粘结强度，根据相对粘结强度与老化时间的归一化曲线，得到与此时的粘结强度对应的光老化时间tg1，从即有建筑幕墙建设时间获得其实际使用时间t1，并在相对粘结强度与老化时间的归一化曲线上由规定的最低安全相对粘结强度确定此时的光老化时间tgs，根据式tg1：t1＝tgs：ts，得到实际使用寿命ts，由式t＝ts-t1计算得到剩余使用寿命t。
根据本发明提供的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，通过大量试验确定，人工光老化比人工热老化更容易导致硅酮结构密封胶的老化，人工光老化条件与自然老化条件更接近，在人工光老化条件下，硅酮结构密封胶的本体强度与粘结强度呈现线性关系，由此根据现场取样的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶测得的本体强度，即可获知其此时的粘结强度，通过相对粘结强度与老化时间的关系曲线，可推测其剩余使用寿命。
根据本发明的方法，在人工光老化条件下，硅酮结构密封胶的本体强度与粘结强度呈现线性关系，这对于工程现场判定结构胶与型材和玻璃的粘结性能是非常有意义的，因为对于既有建筑幕墙，很难去测定其粘结强度，就无法去评判其粘结性能的安全性；但结构胶的本体强度可以通过现场取样到实验室进行检测得到。通过我们得到的不同形式试样的力学性能的线性关系，即可以由本体性能推算出其粘结强度，与该硅酮结构密封胶标态时的粘结强度的值相比，得到此时的相对粘结强度。根据本发明的方法，光老化后的相对粘结强度与老化时间符合一次函数的关系，从此时的粘结强度确定此时对应的光老化时间tg1，从即有建筑幕墙建设时间到测量时的时间差获得其实际使用时间t1，并由规定的最低安全相对粘结强度确定其时的光老化时间tgs，根据式tg1：t1＝tgs：ts，得到实际使用寿命ts，由式t＝ts-t1计算得到剩余使用寿命t。由于推算过程中，采用了比自然老化更为苛刻的人工光老化条件，由此推算得到的使用寿命ts更为安全。
附图说明
图1示出哑铃型试样结构示意图。
图2示出工字型试样结构示意图。
图3示出4种单组份结构胶哑铃型试样光老化后的本体强度与老化时间曲线图。
图4示出4种双组份结构胶哑铃型试样光老化后的本体强度与老化时间曲线图。
图5示出4种单组份结构胶工字型试样光老化后的粘结强度与老化时间曲线图。
图6示出4种双组份结构胶工字型试样光老化后的粘结强度与老化时间曲线图。
图7示出4种单组份结构胶哑铃型试样热老化后的本体强度与老化时间曲线图。
图8示出4种双组份结构胶哑铃型试样热老化后的本体强度与老化时间曲线图。
图9示出4种单组份结构胶工字型试样热老化后的粘结强度与老化时间曲线图。
图10示出4种双组份结构胶工字型试样热老化后的粘结强度与老化时间曲线图。
图11示出1#-8#结构胶试样的相对粘结强度随热老化时间的归一化关系曲线。
图12示出1#-8#结构胶试样的相对粘结强度随光老化时间的归一化关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚明确。
术语定义
在本发明中，所用术语“本体强度”是指硅酮结构密封胶本身的最大拉伸强度。
在本发明中，所用术语“粘结强度”是指硅酮结构密封胶与粘结基材如铝板、玻璃等的最大粘结强度。
在本发明中，所用术语“相对粘结强度”是指硅酮结构密封胶在任意老化时间的粘结强度与标态时的粘结强度的比值，其中，标态时的粘结强度与标准状态时的粘结强度意思相同，是指硅酮结构密封胶在标准条件养护完成后(使用时间为0)的粘结强度。
硅酮结构密封胶
在根据本发明的方法中，用于人工光老化测试的硅酮结构密封胶可以是任何常用的硅酮结构密封胶，对此并没有特别限制。
硅酮结构密封胶分为单组分和双组分两种。单组分结构胶在施工后由于吸收空气中的水分发生交联反应而硫化，在硫化过程中一般要放出小分子生成物。双组分结构胶以有机硅氧烷为主剂，以胺基硅烷为固化剂。一般双组分结构胶以改性有机硅聚合物为主剂，有机金属化合物为固化剂，主要改善了结构胶的操作性能和表面涂装性能，并降低成本。改性方法主要是用丙烯酸酯、聚氨酯等同有机硅化合物共聚、共混以及互穿网络等。
在优选的实施方式中，为了测量准确，对于单组分和双组分硅酮结构密封胶均进行测试，并且在单组分结构胶中选用多种，在双组分结构胶中也选用多种。
在以下试验中，选用4种单组分结构胶和4种双组分结构胶，分别为：广州市白云化工实业有限公司的白云牌SS621(单组分)建筑用硅酮结构密封胶，白云牌SS622(双组分)建筑用硅酮结构密封胶，分别记为1#和2#；杭州之江有机硅化工有限公司的金鼠牌JS6000硅酮结构密封胶(单组分)，金鼠牌JS8000(双组分)硅酮结构密封胶，分别记为3#和4#；成都硅宝科技实业有限责任公司的硅宝999(单组分)建筑用硅酮结构密封胶，硅宝992(双组分)建筑用硅酮结构密封胶，分别记为5#和6#；上海华硅精细化工有限公司的华硅牌华硅6S(单组分)建筑用硅酮结构密封胶，华硅牌华硅9S(双组分)建筑用硅酮结构密封胶，分别记为7#和8#。
试样制备
对于单组份结构胶，直接用胶枪将结构胶注入到一厚度为2mm的模框内刮平，在标准条件下养护28天，将结构胶浇注成2mm厚的膜。
对于双组份结构胶，4种结构胶，按两种组份的配比均为重量比为12︰1，称量并充分进行搅拌，混合均匀后，用刮刀嵌入到模框内，并刮平，在标准条件下养护14天。
实验室标准试验条件(标态)为：温度23±2℃、相对湿度50±5％。
哑铃型试样：标准条件养护完成后，按GB/T 528-2009规定的Ⅰ型试样的形状和尺寸裁取哑铃型试样，如图1所示，试样平行部分的试验长度为25mm，宽度为6mm。用于测量本体强度和最大本体强度时的伸长率。
工字型试样：粘结拉伸试样形状和尺寸符合GB 16776-2005《建筑用硅酮结构密封胶》6.8.1中的规定，粘结基材为玻璃板和铝板，其中玻璃为清洁、无镀膜的无色透明浮法玻璃，铝板为无色阳极氧化铝，如图2所示，用于测量粘结强度和最大粘结强度时的伸长率。试样制备方法为用丙酮清洗铝板和玻璃板，并干燥之，在防粘材料上将两块粘结基材与两块隔离垫块组装成空腔，两基材间的初始距离为12mm，对于单组分结构胶，直接用胶枪将结构胶注入到空腔内，制成试样；对于双组份结构胶，结构胶配比均为重量比为12︰1，按两种组份的配比，称量并充分进行搅拌，混合均匀后，装入连接气动胶枪的管状容器内，将结构胶注入到空腔内，制成试样。
人工老化
人工光老化试验：参照ASTM G 154，采用波长UVA-340nm的直型灯管，辐照度为0.89W/m2，每12小时为一个实验循环周期，包括紫外线辐射8h，其中黑板温度60±3℃，然后冷凝水4h，其中黑板温度50±3℃。将在标准条件下养护好的8种结构胶取出，每种结构胶分为哑铃型和工字型各5组，每组4个试样，其中3个用于物理性能的测试，1个用于结构性能的测试。对于工字型试样，将玻璃的一面朝向灯管。取样周期为300、1000、3000、4000、5000小时。
人工热老化试验：热老化试验箱，烘箱温度为80℃，加鼓风。将在标准条件下养护好的结构胶试样取出，每种结构胶分为哑铃型和工字型各5组，对应5种老化时间，每组4个试样，其中3个用于物理性能的测试，1个用于结构性能的测试。将所有试样按牌号分别平放在塑料托盘里，再放置于烘箱内。取样周期为300、500、1000、2000、5000小时。
力学性能测试
本体强度：按GB/T 528-2009，用测厚计在试验长度的中部和两端测量厚度，取3个测量值的中位数用于计算横截面积，将试样对称地夹在拉力试验机的上、下夹持器上，使拉力均匀地分布在横截面上，装配一个伸长测量装置，夹持部分为图1中的试样长度部分，启动试验机，在整个试验过程中连续监测试验长度和力的变化，试验速度为500mm/min，得到哑铃型试样的最大本体强度。每组测试3个试样，取平均值。
粘结强度：按GB 16776-2005规定的方法进行上机测试，将试样装入拉力试验机，以5mm/min的速度将试样拉伸至破坏，测量每个试样的长宽高，得到工字型试样的最大粘结强度，每组测试3个试样，取平均值。
人工老化试验结果分析
对于1#-8#试样，人工光老化后，所得本体强度与老化时间关系曲线、粘结强度与老化时间关系曲线，如图3-图6中所示。
对于1#-8#试样，人工热老化后，所得本体强度与老化时间关系曲线、最大本体强度时的伸长率与老化时间关系曲线、粘结强度与老化时间关系曲线以及最大粘结强度时的伸长率与老化时间曲线，如图7-图10中所示。
由图3-图10可知，在相同老化时间下，人工光老化条件(光—热—水的协同作用)要比单纯的热效应更明显地加速硅酮结构密封胶的老化，虽然在光老化过程中的温度要比热老化中的低。因此，选择人工光老化条件作为本发明方法的比对标准。
通过对1#-8#试样的光老化实验数据进行统计处理，发现，哑铃型样试样的本体强度与工字型试样的粘结强度成线性关系，本体强度为粘结强度的2.6倍左右。
1#-8#结构胶试样的相对粘结强度随热老化时间的归一化关系曲线如图11所示，1#-8#结构胶试样的相对粘结强度随光老化时间的归一化关系曲线如图12所示。
由图11可知，相对粘结强度先上升，经过了极大点后再下降。以极大点为界，可以将图分为两个区域。在前期，力学指标逐渐上升，性能变好，虽然交联和降解同时发生，但交联占据主导；经过极大点以后，性能逐渐下降，直至失效，表明老化后期，主要以降解为主。
由图12可知，对于光老化后的相对粘结强度，一直呈线性下降的趋势。表明在整个紫外老化过程中，虽然交联与降解一直并存，但由于光、热以及水的共同作用，使得降解一直占据主导地位。
同时与热老化后力学性能的关系曲线比较可以看出，光老化对硅酮结构密封胶的影响要大于热老化。
既有建筑幕墙结构密封胶安全性能评价
(1)对既有建筑幕墙结构密封胶进行现场取样，可选取受日晒较多位置的玻璃面板，沿结构胶粘结面的长度方向进行剥取。取样时应尽量小心，紧贴玻璃面或铝框表面一刀割过(尽量不要回刀，避免剥离过程中对胶面的划伤)，得到膜状试样，试样至少为1组(5件)。按GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》的规定，把剥取的膜状试样用Ⅰ型裁刀制取哑铃型试样。在试验室的拉力试验机上按GB/T528-2009检测结构胶哑铃型试样的拉伸性能，从而先得到结构胶的本体强度。
(2)将测试得到的本体强度除以2.6即得到粘结强度Tb1。
(3)从工程备案中找到该结构胶的进厂复试报告，获得其标态时的粘结强度(Tb)，通过Tb1与Tb的比，可以得到相对粘结强度(T)。
(4)将相对粘结强度(T)与图12比对，得到其对应人工光老化的时间tg1，通过与其实际使用时间t1比较，结合热分析对其结构的表征，可以判断其老化所处的阶段，从而大致预测其剩余使用寿命。具体地，从即有建筑幕墙建设时间获得其实际使用时间t1，并在相对粘结强度与老化时间的归一化曲线上由规定的最低安全相对粘结强度确定此时的光老化时间tgs，根据式tg1：t1＝tgs：ts，得到实际使用寿命ts，由式t＝ts-t1计算得到剩余使用寿命t。
以上通过具体实施方式和具体实施例对本发明进行了详细说明，但这些说明仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，该方法包括以下步骤：
(1)在光老化条件下，对多种硅酮结构密封胶的试样进行人工加速老化，测量不同老化时间下试样的本体强度和粘结强度，得到试样的本体强度与老化时间关系曲线、以及粘结强度与老化时间关系曲线；
(2)对多种硅酮结构密封胶不同老化时间下的本体强度与粘结强度进行统计处理，得到在同一老化时间时本体强度与粘结强度的线性关系；
(3)以多种硅酮结构密封胶不同老化时间的粘结强度与标态时的粘结强度的比值作为相对粘结强度，获得多种硅酮结构密封胶相对粘结强度与老化时间的关系曲线，进行归一化处理，得到相对粘结强度与老化时间的归一化曲线；
(4)对于要测试的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶，对其现场取样，测量其本体强度；
(5)对于要测试的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶，根据本体强度与粘结强度的线性关系计算，得到其此时的粘结强度；
(6)根据该硅酮结构密封胶的标态时的粘结强度，计算此时的相对粘结强度，根据相对粘结强度与老化时间的归一化曲线，得到其对应的光老化时间，通过与其实际使用时间比较，得到其老化所处的阶段并推测其剩余使用寿命。
2.根据权利要求1所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，所述多种硅酮结构密封胶包括单组分硅酮结构密封胶和双组分硅酮结构密封胶。
3.根据权利要求1所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，本体强度通过哑铃形片型试样测量，粘结强度通过工字形块型试样测量。
4.根据权利要求1所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，所述光老化条件如下：采用波长UVA-340nm的直型灯管，辐照度为0.89W/m2，每12小时为一个实验循环周期，包括紫外线辐射8h，其中黑板温度60±3℃，然后冷凝水4h，其中黑板温度50±3℃。
5.根据权利要求1所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(1)中，人工老化时间最长为5000h。
6.根据权利要求1所述的即有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(4)中，本体强度与粘结强度的线性系数为1.5-3，即在同一老化时间下，硅酮结构密封胶的本体强度为粘结强度的1.5-3倍。
7.根据权利要求1所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(4)中，本体强度与粘结强度的线性系数为1.8-2.6，即在同一老化时间下，硅酮结构密封胶的本体强度为粘结强度的1.8-2.6倍。
8.根据权利要求1所述的既有建筑幕墙硅酮结构密封胶的耐久性分析测试方法，其中，在步骤(6)中，根据该硅酮结构密封胶的标态时的粘结强度，计算此时的相对粘结强度，根据相对粘结强度与老化时间的归一化曲线，得到与此时的粘结强度对应的光老化时间tg1，从即有建筑幕墙建设时间获得其实际使用时间t1，并在相对粘结强度与老化时间的归一化曲线上由规定的最低安全相对粘结强度确定此时的光老化时间tgs，根据式tg1：t1＝tgs：ts，得到实际使用寿命ts，由式t＝ts-t1计算得到剩余使用寿命t。
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