预应变对装配式建筑用密封胶粘弹性的影响

朱文凯，徐杨，任彬彬

（上海建科检验有限公司，上海 201100）

0 引 言

装配式建筑作为绿色建筑的代表，由于其环保、施工周期短、低成本等优点，装配式结构得到迅速发展[1-3]。相较于传统砖墙和混凝土结构式建筑，装配式结构的接缝并不是稳定不变的，而是一种具有大跨度位移的动态连接形式[4-5]，比如当气候变化时引起的结构板大位移形变，将导致接缝尺寸发生大的变化。因此，为了满足这类动态大形变结构接缝的胶接和密封要求，建筑接缝用弹性密封胶需要更优良的抗形变位移能力以及耐久性[6]。弹性模量是弹性建筑密封胶承受环境引起运动的能力的一个重要指标，可用于衡量建筑接缝弹性密封胶的性能[7-8]。

装配式建筑用密封胶是具有马林斯效应的非线性粘弹性材料，其应力-应变曲线依赖于其应变历程中的最大负载[9]。Hunston等[10]测试了弹性密封胶在各种应变条件下的弹性模量，分析了预应变对密封胶非线性粘弹性的影响，结果发现，当施加给弹性密封胶的预应变小于最大应变时，密封胶的表观弹性模量与预应变呈幂函数关系。庞达诚和蒋金博[11]分析了低模量密封胶的特点，归纳出低模量密封胶的应用要求，结合实际应用情况，总结出耐候胶的模量对接缝密封效果的影响以及低模量耐候胶的应用优势。薛雪雪等[12]针对装配式建筑接缝收缩变形、密封胶耐候性差等问题，研究并制备了低模量装配式建筑单组分硅烷改性聚醚密封胶，考察了增塑剂、触变剂及硅烷偶联剂对密封胶表干时间、挤出性和力学性能的影响。

本文制备了弹性密封胶的拉伸粘结试样，开展了应力松弛试验，采用定期监测密封胶尺寸变化的方法对表观弹性模量进行了修正，对比了不同预应变条件下密封胶的非线性粘弹特性，并基于橡胶弹性理论建立密封胶表观弹性模量的理论模型。

1 试验

1.1 试验材料及仪器设备

硅酮密封胶：具有高位移等级，耐候、防水、密封等优异性能，单组分，广州白云化工实业有限公司产。

高低温湿热试验箱：SETH-Z，上海爱斯佩克。电子力学试验机：CMT4204，美特斯。数显卡尺：0～200 mm，上工。浮法玻璃。拉力传感器：1 kN，分辨率为0.01 N。

1.2 试样制备

标准试验条件为温度（23±2）℃、相对湿度（50±5）%。测试中使用的基材为75 mm×12 mm×6 mm浮法玻璃，使用前用丙酮或类似溶剂擦拭基材表面并干燥。按图1所示，将2片玻璃基材和2块聚四氟乙烯隔离垫块用胶带组装成一个样品空腔，底部垫聚四氟乙烯薄膜，使用胶枪将密封胶挤出到样品空腔内，用刮刀将样品表面刮平，制成试样。

密封胶拉伸粘结试样先在标准试验条件下养护14 d；后在温度（38±2）℃、相对湿度95%的高低温湿热试验箱中养护7 d；再在标准试验条件下养护7 d。

试样在标准条件养护至少5 h后，去掉样品底下垫着密封胶的聚四氟乙烯薄膜，并拆除胶带和聚四氟乙烯隔离垫块，使密封胶充分固化，过程中不要破坏密封胶结构。养护结束后的试样如图2所示。试样由2块玻璃基材和固化完全的密封胶组成，密封胶拉伸粘结试样的长度、宽度和厚度分别为W（50 mm）、B（12 mm）和H（12 mm）。

1.3 试验方法

1.3.1 应力松弛程序

应力松弛程序示意如图3所示，程序分为预应力循环和应力松弛2个阶段。预应力循环阶段，试验机以20 mm/min的速率拉伸试样，将试样从松弛状态拉伸至预应变m后，以同样的速率返程至松弛状态，拉伸过程和松弛过程的总时间为t0，试样保持松弛状态，持续时长为10t0。由于密封胶具有粘弹性，长时间的松弛可使样品恢复。然后按上述过程重复1次。预应力循环阶段结束后，试验机以500 mm/min的速率将试样迅速拉伸至松弛应变x，保持试验机横梁位移不变，随时间的推移，密封胶的伸长保持不变，而应力逐渐下降，此过程为应力松弛阶段，松弛阶段时长为t1。

1.3.2 预应变和松弛应变

一般密封胶使用过程中的应变范围在30%以内[13]，装配式建筑用密封胶的抗位移形变能力比一般密封胶更大，本研究考虑的应变范围在试样厚度的40%以内。测试过程中施加的预应变m分别为试样厚度的20%、25%、30%、35%、40%。对应于上述5种预应变，应力松弛阶段施加的松弛应变x分别为试样厚度的10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%。试样共分为35组，分别研究预应变大于松弛应变以及预应变小于松弛应变时密封胶的粘弹特性。

1.3.3 尺寸修正

弹性密封胶经过一段时间的拉伸或压缩，卸载后的实际尺寸相较于初始尺寸会发生改变[14]。经过2个加载-卸载循环后，在应力松弛的过程中，密封胶的实际尺寸与初始尺寸并不相同。测试密封胶表观弹性模量时需要测试试样的长度和宽度。按照应力松弛程序加载后，在松弛阶段的第100 s时，取下试样放在平台上使其自然回弹。回弹过程中定期使用数显卡尺测量试样的长度和宽度，直到连续3次的读数在0.1 mm位相同，此时的读数定为密封胶的稳定尺寸。

2 结果与讨论

2.1 当x＜m时密封胶的粘弹特性

当m=40%H、x=30%H时，试样的应力-时间曲线如图4所示。

由图4可以看出，在应力松弛阶段，当应变迅速增加到30%H时，应力为214N，10s后应力松弛至195N，下降8.9%。松弛100 s时应力为186 N，与10 s时的应力相比下降4.6%。说明密封胶的应力松弛主要发生在前期，后期松弛较为缓慢。

当预应变m=30%H，x=10%H、15%H、20%H、25%H时，松弛阶段的应力-时间曲线如图5所示。为了避免加载过程中瞬态效应对试验结果的影响，加载结束后第10 s时开始记录数据。

由图5可以看出，对应不同松弛应变的4条曲线均为非线性曲线，而且应力随时间的变化而缓慢下降，曲线下降的幅度较为平滑且基本相同。应力随时间变化的曲线可以用式（1）幂函数公式建模[15]：

式中：F——松弛阶段的应力，N；

t——松弛阶段的时间，s。

使用统计分析软件对图5中的曲线进行幂函数非线性拟合，当m=30%H时对应不同松弛应变x的指数n值见表1。

表1 m=30%H时不同松弛应变x的指数n

由表1可知，当x＜m时，对于同一个预应变值m，不同的松弛应变x对应的指数n基本相同，即指数n独立于松弛阶段的应变值，与松弛应变x的大小无关。

综上所述，当x＜m时，应力松弛阶段的应力大小随时间变化的曲线可以用幂函数建模，幂指数n代表密封胶应力响应的时间依赖性，且n值与x的大小无关。这意味着可以通过简单的曲线平行移动，得到更长周期的应力-时间曲线，即可以按幂函数模型推算之后的应力松弛曲线。

2.2 当x＜m时密封胶的表观弹性模量

使用经过修正后的密封胶尺寸，按式（2）计算可得密封胶的表观弹性模量：

式中：E——松弛阶段随时间变化的表观弹性模量，MPa；

F——松弛阶段随时间变化的应力，N；

B——松弛阶段密封胶随时间变化的实际宽度，mm；

W——松弛阶段密封胶随时间变化的实际长度，mm；

t——松弛阶段的时间，s。

在应力松弛阶段，密封胶的表观弹性模量随时间发生变化。当预应变m分别为30%H、35%H、40%H时，不同松弛应变x在松弛时间t=100 s时的表观弹性模量E100如图6所示。

由图6可以看出，当预应变m一定时，表观弹性模量随松弛应变x的增大而变大，对于不同的预应变m，其E100和1/（1+x）曲线的斜率近似相等。E100与1/（1+x）呈线性关系，可由式（3）表示：

式中：θ——曲线的斜率。

综上所述，当x＜m时，E100与1/（1+x）呈线性关系，且预应变m不同、松弛应变x相同时，密封胶的表观弹性模量基本不变。也就是说密封胶经历的最大应变决定其后续的抗形变位移能力。

2.3 当x＞m时密封胶的粘弹特性

当m=20%H、x=30%H时，密封胶的拉伸应力-时间曲线如图7所示。应力松弛阶段的曲线与图5中的曲线相比应力松弛的幅度更大。预应变m=20%H时，不同松弛应变下的应力-时间曲线如图8所示。

按照式（2）对图8中的曲线数据进行幂函数拟合后，指数n值如表2所示。

表2 m=20%H时不同松弛应变x的指数n

由表2可以看出，当x＞m时，指数n值不再与x无关，而且也并不是简单的线性变化关系，说明这种情况下密封胶的粘弹特性更为复杂，需要进一步建模分析。

当预应变m=20%H时，不同松弛应变在松弛时间t=100s时的表观弹性模量E100如图9所示。

由图9可以看出，当x＞m时，E100与1/（1+x）不再呈现简单的线性关系，当x变大时，E100的值发生线性偏离。

综上所示，当x＞m时，弹性密封胶的粘弹特性相对于x＜m的情况时变得更为复杂。指数n值与x相关，但并不是简单的线性变化关系；表观弹性模量的变化关系更加复杂且难以预测。

3 结论

针对装配式建筑用弹性密封胶的粘弹特性和抗位移形变能力，采用应力松弛法测试不同预应变m和不同松弛应变x的情况下，密封胶的表观弹性模量随时间的变化。

（1）当x＜m时，密封胶松弛阶段的应力-时间曲线可以用幂函数建模，且指数n与松弛应变x的大小无关。

（2）当x＜m时，E100与1/（1+x）呈线性关系，且预应变m不同、松弛应变x相同时，密封胶的表观弹性模量基本不变。

（3）当x＞m时，指数n值不再与松弛应变x无关，而且E100与1/（1+x）不再呈现简单的线性关系，密封胶的粘弹特性变得更为复杂。

（4）对于所有测试条件，试样的粘弹特性取决于其应变历程中的最大应变，且与试样在低于最大应变时的形变保持相对独立的关系。