CN104132856B - 结构胶界面粘结剪切强度测试用装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构胶界面粘结剪切强度测试用装置及测试方法，包括十字交叉状地用结构胶相互粘结的粘结基材试件和被粘结试件，所述被粘结试件为两个，两个所述被粘结试件相互平行且位于所述粘结基材试件的两侧，两个所述被粘结试件以及所述粘结基材试件各自的中心位于同一直线上，通过在粘结基材试件上施加一个压向载荷使得在两种材料粘结界面产生剪切应力，通过破坏时的剪切应力计算界面粘结剪切强度。该测试装置及测试方法适用于具有一定粘结层厚度的不同材料之间界面粘结剪切强度测试，尤其适用于建筑门窗幕墙玻璃与金属基材之间的结构胶粘结强度评价。

Description

结构胶界面粘结剪切强度测试用装置及测试方法

技术领域

本发明属于材料力学性能测试技术领域，涉及一种材料界面粘结剪切强度测试用装置及测试方法，具体涉及一种评价建筑门窗幕墙及中空玻璃用结构胶界面粘结剪切强度测试用装置及测试方法。

背景技术

建筑结构胶(以下简称结构胶)能承受较大荷载，且具有较好的耐老化、耐疲劳、耐腐蚀等性能，在预期寿命内性能稳定，适用于受力构件的结构性粘结。在建筑门窗幕墙领域，常用的结构胶为硅酮结构胶，用于中空玻璃的粘结、玻璃与金属基材之间的粘结等。硅酮结构胶具有优异的粘结性能，无需底漆与大多数建筑材料都可形成较强的粘结力，且具有极佳的耐老化稳定性，固化后具有较高的模量，可承载接口较大的伸缩位移能力，在门窗幕墙中得到了广泛的应用，尤其是作为隐框铝合金玻璃幕墙的关键性材料，用于建筑幕墙受力金属构件与玻璃等非金属材料的结构性粘结。

结构胶对于隐框玻璃幕墙的安全性尤为重要，隐框玻璃幕墙没有传统的幕墙用以夹持玻璃并承重的铝合金外框，而是完全依靠玻璃背面的结构胶，把玻璃粘在铝型材框架上，因其表面无框架，立面效果远远优于明框幕墙。玻璃与金属基材的粘结要能长期有效抵抗风荷载、自重荷载、热胀冷缩、地震等作用的综合影响，对于结构胶与基材之间的粘结性能要求极高。而玻璃门窗幕墙多为立面使用，在玻璃自重的作用下，结构胶长期承受剪切作用，因而准确测试与评价结构胶的界面粘结剪切强度对于结构设计和安全可靠性评价至关重要。

目前，对于粘结剂、结构胶粘结拉伸剪切疲劳性能的测试方法主要有ISO9664、ISO 4587等国际标准中提出的剪切强度测试方法(图1)，试样多采用叠合型平板型试样或叠片试样，典型的胶层厚度为0.2mm，这种方法适用于粘结剂的界面剪切性能测试，胶粘层厚度较薄，且粘结基材为金属等可受拉材料。对于门窗幕墙而言，硅酮结构胶多用于玻璃-玻璃或玻璃-金属基材之间的粘结，由于玻璃属于脆性材料，难以承受较大的拉伸载荷作用，所以现有的ISO标准不适用与门窗幕墙用硅酮结构胶的界面剪切强度测试。为解决脆性材料在不承受拉伸载荷下测试界面剪切强度，包亦望等人(请参照ZL02158874.0)发明了一种粘结界面剪切强度的简单测试方法(图2)，即将两条基材试样通过粘结制作为一个十字交叉形状的试件，将其放置在特制的夹具上，在其中一个试样的顶端施加一个压向载荷，可测出界面间的剪切强度，解决了脆性材料的界面粘结性能测试难题。但上述方法对于评价门窗幕墙用硅酮结构胶的剪切性能不太适用，因为按照JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》的要求，硅酮结构胶的粘结宽度不应小于7mm，粘结厚度不应小于6mm，对于具有一定胶层厚度的粘结试样，十字交叉型试样由于胶层厚度的影响在加压时会产生一定的扭转载荷，十字交叉试件发生倾斜，影响测试结果的准确性。所以，研究适用于测试门窗幕墙结构胶粘结界面剪切强度的新方法对于准确评价门窗幕墙结构安全性，保障服役建筑门窗幕墙的使用安全可靠，保证人民生命财产安全以及推动建筑结构胶新材料的发展等方面具有重要的意义。

发明内容

本发明针对目前常规结构胶界面粘结剪切强度测试方法中存在的问题，提供一种结构胶界面粘结剪切强度测试用装置以及测试方法。

本发明第一方面的目的在于提供一种结构胶界面粘结剪切强度测试用装置，包括十字交叉状地用结构胶相互粘结的粘结基材试件和被粘结试件，特征在于所述被粘结试件为两个，两个所述被粘结试件相互平行且位于所述粘结基材试件的两侧，该两个被粘结试件以及所述粘结基材试件的各自的中心位于同一直线上，所述粘结基材试件和所述被粘结试件均为条状，截面均为矩形，由此形成一个双面十字交叉型测试用装置。

该方案由于采用上述双面十字交叉型测试用装置，试验过程易于保持稳定，避免由于试件扭转或偏心作用对测试结果的影响，尤其适于测试玻璃幕墙与其它基材粘结后的粘结界面抗剪强度测试。

进一步，该装置中上述粘结基材试件选自铝合金材料、石材或其他金属材料、非金属材料、复合材料等中的一种；上述被粘结试件选自普通浮法玻璃、镀膜玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、复合结构玻璃等中的一种。由此，可模拟玻璃幕墙中各种玻璃与金属型材的实际粘结工况；可模拟双中空玻璃每层玻璃之间的粘结情况等，可制备出与实际工程一致的材料粘结组合方式。

上述结构胶为硅酮结构胶。

更进一步，该装置中还设有夹具，该夹具包括：两块大小相同且平行对置的长方形的金属板，在各个上述金属板的四个直角部分别开设有连接孔，多根螺杆相互平行且分别穿过各个上述金属板上对应位置的上述连接孔来将各个上述金属板连结并经由螺母固定，两个所述被粘结试件平行搭载于两块所述金属板上，所述粘结基材试件经由两个所述被粘结试件被悬空保持于所述金属夹具的两块金属板之间。

上述金属板可以是钢板。

本发明第二方面的目的在于提供一种结构胶界面粘结剪切强度测试方法，使用本发明第一方面所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置。

该结构胶界面粘结剪切强度测试方法包括以下步骤：

(1)取得两个所述被粘结试件分别与所述粘结基材试件的粘结界面的面积并计算该面积之和；

(2)将本发明第一方面所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置放置于普通的材料力学试验机上，在所述粘结基材试件的顶端施加一个压向载荷，所述压向载荷的施力方向与所述粘结基材试件的中轴线一致；

(3)增加压向荷载，记录粘结界面破坏时的压力值，利用该压力值与粘结界面的所述面积之和来计算结构胶粘结界面的粘结剪切强度。

进一步，该方法使用公式σ_c＝P/A来计算结构胶界面粘结剪切强度，其中：

σ_c为粘结界面的粘结剪切强度，单位为MPa；

P为粘结界面破坏时的压力值，单位为N；

A为粘结界面的所述面积之和，单位为mm²。

本发明的第三方面在于提供一种制作本发明第一方面所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置的模具。该模具包括两个相同的分模块，各分模块中均开有俯视呈T字型的T型槽和通槽，上述通槽从上述T型槽的在上述分模块的开口端沿铅垂方向向下方延伸，将两个分模块以对称的方式合并在一起时，两个上述分模块的T型槽与通槽所围成的形状尺寸与所要制作的上述结构胶界面粘结剪切强度测试用装置的形状尺寸一致。

本发明的第四方面在于提供一种本发明第一方面所述结构胶界面粘结剪切强度测试用装置的制作方法，

该结构胶界面粘结剪切强度测试用装置的制作方法包括以下步骤：

(1)使用如本发明第三方面所述的模具，先将两个上述被粘结试件分别放置在上述模具的两个分模块的T型槽中，再将两个分模块以对称的方式合并在一起，将上述粘结基材试件垂直插入竖直的通槽中；

(2)此时，在上述粘结基材试件与两个上述被粘结试件之间形成有两个小槽，在小槽内的模具侧的表面贴敷防粘材料；

(3)将结构胶注入小槽内，压实并修整试件表面，结构胶固化，制作完成。

与现有的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置及测试方法相比，本发明具有以下优点：

(1)采用本发明的双面十字交叉型测试用装置来测试结构胶界面粘结剪切强度，试验过程易于保持稳定性，避免了传统十字交叉试验中扭转或偏心作用的影响；

(2)以压向载荷试验测抗剪强度，解决了玻璃试样无法承受拉伸作用的问题。

(3)试验过程简单，易操作，搭配普通力学试验机即可完成试验；

(4)试验方法也适用于普通薄型结构胶的剪切强度测试；

(5)重新设计夹具还可实现界面的拉伸强度测试，一种试件即可完成两种测试；

(6)由于可模拟结构胶厚度的影响，试件的粘结结构与工程实际工况基本一致，测试结果更具有代表性和实际意义。

附图说明

图1为传统的结构胶界面粘结剪切强度测试试件(叠合试件)的示意图。

图2为现有十字交叉法测试界面粘结剪切强度的示意图。

图3为本发明的双面十字交叉型测试用装置S的组成结构示意图。

图4为制作本发明的双面十字交叉型测试用装置的模具的示意图，图4的(a)为分模块M的立体图、图4的(b)为两分模块合并后的俯视图、图4的(c)为在图4的(b)中内置有本发明的双面十字交叉型测试用装置的俯视图。

图5为本发明的双面十字交叉型测试用装置S搭载于夹具上的立体图。

图6为本发明的双面十字交叉型测试用装置S与夹具组合后的示意图，图6的(a)为正面图、图6的(b)为侧面图、图6的(c)为俯视图。

主要附图标记说明：

M分模块、S双面十字交叉型测试用装置、1粘结基材试件、2被粘结试件、3结构胶、4夹具。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种结构胶界面粘结剪切强度测试用装置。如图3所示，该装置包括十字交叉状地用结构胶3相互粘结的粘结基材试件1和被粘结试件2，其中被粘结试件2为两个，该两个所述被粘结试件2相互平行且位于所述粘结基材试件1的两侧，该两个被粘结试件2的中心以及粘结基材试件1的中心位于同一条直线上，该两个被粘结试件2通过结构胶3分别粘结于粘结基材试件1，形成一个双面十字交叉型测试用装置S。两个上述被粘结试件2和粘结基材试件1均为条状，截面均为矩形或正方形。条状试件应具有足够的厚度，即具有一定的刚度以满足测试要求。

上述的双面十字交叉型测试用装置S可通过一套模具制作。图4是模具的示意图，该模具包括两个相同的分模块M，图4的(a)是分模块M的立体图，如图4的(a)所示，各分模块M中均开有俯视呈T字型的T型槽和通槽11，该通槽11从上述T型槽的在上述分模块M的开口端O，沿铅垂方向向下方延伸，T型槽的横长槽22用于放置被粘结试件2，通槽11用于插入粘结基材试件1，将两个分模块M以对称的方式合并在一起时，两个上述分模块M的T型槽与通槽所围成的形状尺寸与所要制作的双面十字交叉型测试用装置的形状尺寸一致。

利用该模具制作双面十字交叉型测试用装置S可进行如下操作：

(1)先将两个被粘结试件2分别放置在两个分模块M的T型槽的横长槽22中，再将两个分模块M以对称的方式合并在一起，将粘结基材试件1垂直插入竖直的通槽11中；

(2)如图4的(b)所示，这时，在粘结基材试件1与被粘结试件2之间形成有两个小槽33，在小槽33内的模具侧的表面贴敷防粘材料，例如防粘薄膜或防粘纸、透明胶带等；

(3)然后，将结构胶3注入小槽33内，压实并修整试件表面，使得结构胶3与试件表面粘结齐整，待结构胶固化后即制成一个如图3所示的双面十字交叉型测试用装置S。

其中，粘结基材试件1可为铝合金材料、石材或其他金属材料、非金属材料、复合材料等中的一种，被粘结试件2可为普通浮法玻璃、镀膜玻璃、夹层玻璃、中空玻璃及复合结构玻璃等中的一种。

如图5所示，上述方法制得的双面十字交叉型测试用装置S可以放置于一个夹具4上。该夹具4包括：两块大小相同且平行对置的长方形的金属板41，在各个金属板41的四个直角部附近分别开设有连接孔，多根螺杆(未图示)相互平行且各自穿过两块金属板41上对应位置的连接孔，来将两块金属板41连结并经由多个螺母(未图示)固定在一起形成夹具4，并增加其稳定性。在本实施方式中，该金属板41用钢板制作而成，钢板厚度为20mm，每块金属板41的四个直角部附近各开设有一个连接孔，该连接孔的直径均为Φ15mm，螺杆共四根且分别相互平行。

使上述双面十字交叉型测试用装置S中的两个被粘结试件2水平可靠地搭载在夹具4的两块金属板41的上端面上。图6为该双面十字交叉型测试用装置S与夹具4组合后的示意图，图6的(a)为正视图、图6的(b)为侧视图，图6的(c)为俯视图。如图6所示，粘结基材试件1经由两个被粘结试件2被悬空保持在夹具4的两块金属板41之间，且粘结基材试件1的底端距夹具4的底端有充足的距离以满足测试中试件的移动要求。

本发明还提供对上述制得的双面十字交叉型测试用装置施加压向荷载来测试结构胶界面粘结剪切强度的测试方法，包括以下步骤：

(1)利用游标卡尺测量出试验前的两个被粘结试件2分别与粘结基材试件1相互粘结的粘结界面的面积并计算得出该面积之和A；

(2)将如前所述的双面十字交叉型测试用装置S与夹具4的组合装置放置到普通的材料力学试验机上，在粘结基材试件1的顶端施加一个压向载荷，保证该压向载荷的施力方向与粘结基材试件1的中轴线一致。使用的力学试验机应使试件的破坏载荷在其量程的10％～80％之间。在测试过程中，夹具4与测试用装置S无相对移动；

(3)随着作用在粘结基材试件1顶端的垂直压力的增加，在双面十字交叉型测试用装置S的双侧的粘结界面处均产生剪切力，当压力足够大时，在界面处发生开裂破坏，记录界面破坏时的压力值P，利用该压力值P与粘结界面的面积A则可计算出结构胶粘结界面的粘结剪切强度σ_c，具体见式(1)。

σ_c＝P/A (1)

式中：

σ_c—结构胶界面粘结剪切强度，单位为MPa；

P—结构胶粘结界面破坏时的压力值，单位为N；

A—结构胶粘结界面的面积之和，单位为mm²。

粘结剪切强度的设计标准参见表(1)。

表(1)

	常温下粘结强度设计值	老化后粘结强度设计值
			硅酮结构胶	≥1.5MPa	≥1.4MPa

实施例1：结构胶界面常温粘结剪切强度试验：

试样：双面十字交叉型测试用装置S，其中，

粘结基材试件1为12mm×12mm×100mm的铝合金型材，

被粘结试件2为12mm×12mm×100mm的普通浮法玻璃，

结构胶为：单组份硅酮结构胶，涂敷厚度为：6mm，涂敷面积为12mm×12mm，

测试的结果，剪切强度σ_c＝1.82MPa，设计要求(表1)为不低于1.5MPa，满足设计要求。

实施例2：结构胶老化后粘结剪切强度试验：

试样：双面十字交叉型测试用装置S，其中，

粘结基材试件1为12mm×12mm×100mm的铝合金型材，

被粘结试件2为12mm×12mm×100mm的普通浮法玻璃，

结构胶为：单组份硅酮结构胶，涂敷厚度为：6mm，涂敷面积为12mm×12mm，

双面十字交叉型测试用装置S的老化处理：在(45±1)℃水浴中浸泡21天后取出，在室温下放置1天后进行测试。

测试的结果，剪切强度σ_c＝1.13MPa，设计要求(表1)为老化后剪切强度不低于1.4MPa，不满足设计要求。

对比试验：

试样：单面十字交叉型试件，其中，

粘结基材试件为10mm×10mm×100mm的铝合金型材，

被粘结试件为10mm×10mm×100mm的普通浮法玻璃，

结构胶为：单组份硅酮结构胶，涂敷厚度为：6mm，涂敷面积为10mm×10mm，

由于试件不是对称设计的双面十字交叉型试件，测试时由于加载方向与试件中心线不在同一条直线上，在受压后发生试件整体倾覆，作为被粘结试件的普通浮法玻璃发生断裂，测试失败。

本发明提供的双面十字交叉型结构胶界面粘结剪切强度测试用装置及测试方法是在现有材料界面粘结性能测试技术方面的一个创新，弥补了现有粘结界面剪切强度测试技术对于建筑门窗幕墙结构胶粘结性能评价的不足，对于准确评价门窗幕墙结构粘结安全性，保障服役建筑门窗幕墙的使用安全可靠，保证人民生命财产安全以及推动建筑结构胶新材料的发展等方面具有重要的意义。

Claims (10)

1.一种结构胶界面粘结剪切强度测试用装置，包括十字交叉状地用结构胶相互粘结的粘结基材试件和被粘结试件，其特征在于：所述被粘结试件为两个，两个所述被粘结试件相互平行且位于所述粘结基材试件的两侧，两个所述被粘结试件以及所述粘结基材试件各自的中心位于同一直线上，所述粘结基材试件和所述被粘结试件均为条状，截面均为矩形。

2.如权利要求1所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置，其特征在于：所述粘结基材试件选自铝合金材料、石材或其他金属材料、非金属材料、复合材料中的一种。

3.如权利要求1所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置，其特征在于：所述被粘结试件选自普通浮法玻璃、镀膜玻璃、夹层玻璃、中空玻璃中的一种。

4.如权利要求1所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置，其特征在于：所述结构胶为硅酮结构胶。

5.如权利要求1至4中任一项所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置，其特征在于：还设有夹具，所述夹具包括：两块大小相同且平行对置的长方形的金属板，在各个上述金属板的四个直角部分别开设有穿通孔，多根螺杆相互平行且分别穿过各个上述金属板上对应位置的上述穿通孔，将各个上述金属板连结并经由螺母固定；两个所述被粘结试件平行搭载于两块所述金属板上，所述粘结基材试件经由两个所述被粘结试件被悬空保持于所述夹具的两块金属板之间。

6.如权利要求5所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置，其特征在于：所述金属板是钢板。

7.一种结构胶界面粘结剪切强度测试方法，其特征在于：使用如权利要求5所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置，包括以下步骤：

(1)取得两个所述被粘结试件分别与所述粘结基材试件的粘结界面的面积并计算所述面积之和；

(2)将如权利要求5所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置放置于普通的材料力学试验机上，在所述粘结基材试件的顶端施加一个压向载荷，所述压向载荷的施力方向与所述粘结基材试件的中轴线一致；

(3)增加压向荷载，记录粘结界面破坏时的压力值，利用该压力值与粘结界面的面积来计算结构胶粘结界面的粘结剪切强度。

8.如权利要求7所述的结构胶界面粘结剪切强度测试方法，其特征在于：使用公式σ_c＝P/A来计算结构胶界面粘结剪切强度，其中：

σ_c为所述粘结界面的粘结剪切强度，单位为MPa；

P为所述粘结界面破坏时的压力值，单位为N；

A为所述粘结界面的所述面积之和，单位为mm²。

9.一种制作权利要求1所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置的模具，其特征在于：包括两个相同的分模块，各所述分模块中均开设有俯视呈T字型的T型槽和通槽，所述通槽从所述T型槽的在所述分模块的开口端沿铅垂方向向下方延伸，将两个所述分模块以对称的方式合并在一起时，两个所述分模块的T型槽与通槽所围成的形状尺寸与所要制作的所述结构胶界面粘结剪切强度测试用装置的形状尺寸一致。

10.一种权利要求1所述的结构胶界面粘结剪切强度测试用装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用权利要求9所述的模具，先将两个所述被粘结试件分别放置在所述模具的两个分模块的T型槽中，再将两个所述分模块以对称的方式合并在一起，将所述粘结基材试件垂直插入竖直的通槽中；

(2)此时，在所述粘结基材试件与两个所述被粘结试件之间形成有两个小槽，在小槽内的模具侧的表面贴敷防粘材料；

(3)将结构胶注入小槽内，压实并修整试件表面，结构胶固化，制作完成。