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离子性中间膜夹层玻璃

      一、常规的PVB 夹层玻璃
  目前,玻璃幕墙夹层玻璃广泛采用的中间膜是聚乙烯醇缩丁醛,简称 PVB 。PVB使用已经有多年历史,也为幕墙行业普遍熟悉。但是,这种夹胶膜最初是为汽车玻璃而开发的,所以它的性能主要是为了满足汽车玻璃的以下要求:

  1.能可靠地粘结玻璃,减少碎玻璃的飞散,最大限度保护驾驶员和乘客的安全。
  2.能防止石块和其他小物件击穿玻璃进入车内。
  3.有一定的柔软性,防止驾驶员头部激烈撞击挡风玻璃,并防止车内人员飞出车外。
  4.满足汽车的使用功能,符合光学、降噪、阻隔紫外线等要求。
  由于PVB夹胶膜主要不是针对建筑幕墙开发的,所以它富于弹性,比较柔软,剪切模量小,两块玻璃间受力后会有显著的相对滑移,承载力较小,弯曲变形较大。PVB夹层玻璃可以用于一般玻璃幕墙,不适宜用于有高性能要求的玻璃幕墙。
   同时,PVB夹层玻璃的外露边容易受潮开胶,PVB胶膜夹层玻璃使用时间长以后容易发黄变色,这些都是应该加以注意的。
  理想的建筑幕墙用夹层玻璃中间膜应能满足以下要求:
  1.对玻璃有较高的粘结能力,有较强的抗撕裂强度,能防止玻璃破碎时飞散。
  2.有较强的防护能力,可以防止自然力和人力的破坏。对强风、地震、暴力、盗窃等有足够的抵抗力。
  3.能承受室内人员的突然撞击,防止玻璃飞散或整体脱出,避免室内人员飞出坠落。
  4.有足够的剩余承载力,玻璃破碎后再发生弯曲变形时不会整块脱落。
  5.中间膜有大的剪切模量,使两块玻璃尽可能整截面受弯工作,从而提高玻璃的承载力和弯曲刚度,减小玻璃的厚度,减轻玻璃的自重。
  6.无色透明,能耐受紫外线、水汽和外界气候变化影响,长时期使用不泛黄变色。
  目前采用的PVB夹胶膜还不能完全满足上述要求。有必要开发更高性能的幕墙夹层玻璃专用中间膜,以适应超高层建筑幕墙、大跨度采光顶、超大尺寸夹层玻璃、全玻璃结构等对夹层玻璃的高标准要求。
  二、离子性中间膜的特性
  现在,能满足建筑幕墙夹层玻璃上述性能要求的夹胶膜 — 离子性中间膜已经由美国杜邦公司开发出来,并批量生产,商品名称为 SGP 。这种夹胶膜具有许多优良的性能。
  (一)具有高的强度和剪切模量,力学性能优异
  SGP 的剪切模量是 PVB 的50倍以上,撕裂强度比 PVB 高 5 倍。SGP 夹胶后,玻璃受力时两片玻璃之间的胶层基本上不会产生滑动,两片玻璃如同一片等厚度的单片玻璃整体工作。这样一来,承载力就是等厚度的 PVB 夹层玻璃承载力的2倍;同时,在相等荷载、相等厚度的情况下,SGP夹层玻璃的弯曲挠度只有 PVB 夹层玻璃的 1 / 4(图1)。

  由于承载力提高,挠度减小,玻璃厚度会相应减小。有可能减少玻璃的用量约40% ,相应也减轻了幕墙的自重。不仅有利于主体结构设计,而且节材就是节能,因为生产每一标准箱浮法玻璃要消耗标准煤16Kg,耗电7.5 度。如果加上钢化、均质化处理等,耗能就更多了。
  (二)具有良好的边部稳定性,可外露使用而无须封边
  边部稳定性指夹层玻璃边部外露于大气条件下的耐久性。PVB夹胶不耐潮湿,水汽作用下容易开胶、分离,要求外露边缘进行封边处理。而SGP胶膜有良好的边部稳定性,对水分不敏感,在外露条件下使用也不会开胶、分离,可以开边使用,不必封边(图2)。所以SGP夹层玻璃可以很方便地用于拦板、雨棚、外挑装饰玻璃翅、玻璃遮阳板等外露边缘的构件而无须采取专门的封边措施(图3)。

  (三)玻璃破损后留有充分的剩余承载力,不会整块坠落
  普通PVB夹层玻璃,尤其是钢化夹层玻璃,玻璃一旦破碎就会产生很大的弯曲变形,有整块脱落的危险(图4)。当玻璃水平安装在采光顶上时风险更大,北京香山植物园就曾发生过玻璃整块落下的意外事故。
  SGP 间膜夹层玻璃整体性好,SGP夹胶膜的撕裂强度是PVB夹胶膜的5倍,即使玻璃万一破碎,SGP膜还可以粘结碎玻璃形成破坏后的一个临时结构,其弯曲变形小,还可以承受一定量的荷载而不会整片下坠。这就大大提高了玻璃的安全性(图5、图6)。

  (四)无色透明,不易变色,通透性极佳
      SGP 夹胶膜本身无色透亮,而且耐候性好,不容易泛黄。SGP 膜的泛黄系数小于1.5,而PVB膜的泛黄系数为 6~12。因此SGP夹层玻璃能更好地满足建筑师的建筑艺术要求。
  如果采用超白玻璃(低铁玻璃)、SGP中间膜夹胶,那超白夹层玻璃晶莹剔透的光学效果将是绝对顶级的(图7)。

  三、离子性中间膜夹层玻璃的试验研究
  受美国杜邦公司的委托,中国建筑科学研究院于2006~2007年期间进行了SGP 夹层玻璃性能的研究。  试验得到了SGP中间膜和PVB中间膜自身的物理力学性能以及对比了SGP夹层玻璃、等厚PVB夹层玻璃和等厚单片玻璃受力性能。
  玻璃受弯试件分四边支承和两边简支两种形式(图8、图9)。

  不同厚度夹层玻璃和等厚单片玻璃的对比试验表明,SGP夹层玻璃的应力和挠度与同厚度的单片玻璃基本相同;而PVB夹层玻璃由于中间层显著的滑移,应力与挠度要大得多。因而可以认为:SGP夹层玻璃作为等厚度单片玻璃整体工作;PVB夹层玻璃接近于两片单独的玻璃叠加(图10、图11)。

  试验还表明,SGP 夹层玻璃破碎后,挠度并没有显著加大,仍保留相当大的剩余承载力,能保证幕墙的结构安全(图12)。
  进行了30天长期荷载试验,PVB夹层玻璃长期荷载下的弯曲变形显著增大,而SGP夹层玻璃如同单片玻璃一样,长期挠度增长很小(图13)。

  进行了温度升高条件下的受力性能试验,温度在50摄氏度以下时,SGP夹层玻璃的承载力不降低;而PVB夹层玻璃50摄氏度时的承载力仅为20摄氏度时的60%。
   试验实测,在温度为20摄氏度时,PVB夹胶膜的剪切模量G=0.84 N/mm2;而SGP夹胶膜的剪切模量G则高达 42.7 N/mm2。
  四、离子性中间膜夹层玻璃的力学性能
  叠合在一起的几片玻璃的工作性能取决于中间层(夹胶膜)的力学性能。
  如果夹胶膜的剪切模量G和撕裂强度f 很小,夹层玻璃受弯时中间层就产生很大的滑移,玻璃之间就在相对滑动,夹胶膜实际上没有起将玻璃连为整体的作用。这几片玻璃看似叠合在一起,实际上还是各自单独工作。承载力仅仅是各片玻璃单独承载力之和。
  反之,如果夹胶膜的剪切模量G和撕裂强度f很高,夹层玻璃受弯时夹胶膜滑移量极小,这时候几片玻璃就能够共同工作,好象是一片单片玻璃一样。
  理论上,当夹胶膜的力学性能等同于玻璃时,夹层玻璃就变成了单片玻璃。在工程上,当夹胶层的剪切模量G大于20 N/mm2时,就可以认为夹层玻璃在整体状态下工作。SGP离子性中间层的G达到42.7N/mm2,已经满足了这个条件;而PVB夹胶膜的G值仅为0.84N/mm2,与上述条件相差悬殊。它们两者受弯时的截面应力状态是完全不同的(图14)。
  正是两者的受力状态不同,在相同厚度下两者的承载力和变形有很大的差别(图15、图16)。  
  因此,采用SGP夹层玻璃将使得玻璃的厚度减小,更有利于合理地进行幕墙玻璃的选用,取得更大的经济技术效益(图17、图18)。

  五、PVB中间膜在超大尺寸玻璃中的应用
  目前,国外生产的热弯钢化夹层玻璃最大长度为6m。我国于2010年成功生产了世界上第一块超大尺寸玻璃:12.8mX2.6m热弯钢化超白夹层,15mm+2.28 SGP+15mm(图19)。接着,生产了12块12.6mX2.6m 超大尺寸热弯钢化夹层玻璃,12mm+1.58 SGP+12mm+1.58 SGP+12mm,用于上海苹果店(图20)。正是SGP离子性中间膜的应用使得超大玻璃制造成为可能。

  六、SGP 夹层玻璃在大型公共建筑中的应用
  SGP 中间层夹层玻璃已经在许多大型公共建筑中应用。图25 为上海东方艺术中心,幕墙玻璃采用两块玻璃夹一层多孔金属板(图26),只有SGP 强力粘接才能完成金属板夹胶玻璃的制造。

  七、SGP夹层玻璃在超高层建筑中的应用
  超高层建筑要承受大的风力、地震力和温度变化的影响,要求玻璃面板有高的承载力和刚度,而且万一破损还要有一定的剩余承载力而不会坠落。SGP中间膜夹层玻璃可以很好地满足这些要求。
      上海中心是目前在建最高的建筑,123层,632m高(图29)。共采用SGP夹层玻璃150000m2。上海中心采用双层通风幕墙,外幕墙为单夹层玻璃,配置为 12mm超白+1.52 SGP+12mm超白(图30、图31)。
  广州塔是我国已经建成最高的建筑,高度为 600 m(图32)。全部56000m2玻璃幕墙均采用SGP双夹层中空玻璃(图33),配置为(8mm+1.52 SGP+8mm)+12A+(8mm+1.52 SGP+8mm)。三角形玻璃板块最大尺寸为1.5mX3.5m(图34)。

  深圳京基大厦是深圳目前已建成的最高建筑,高度441m,其顶部为超大共享空间,整个超高拱形大厅由SGP夹层超白玻璃覆盖(图35),非常通透。
  目前国内高层建筑玻璃幕墙配置最高档的要数广州利通广场大厦,其高度为303m(图36)。63000m2的玻璃幕墙为锯齿形,别具一格(图37)。玻璃面板为超白半钢化玻璃,SGP夹胶膜,组成为(8mm+1.52 SGP+8mm)+12A+8mm 。采用这样高档的配置主要是考虑:高承载力和安全性;通透洁白;锯齿形玻璃不用封边。

  八、SGP 夹层玻璃在采光顶的应用
  SGP夹层玻璃不仅有高强度,而且破损后有足够的抗弯曲能力,不会整片从高空落下,所以特别适用于玻璃采光顶的水平或斜放玻璃板块。
  图38 为广州塔点支三角形采光顶玻璃板,SGP`夹胶。沈阳恒隆广场6000m2的采光顶也是采用SGP夹层玻璃(图39)。

  广州花城广场太古汇有广州规模最大的现代化购物中心,其采光顶采用了SGP夹层玻璃(图40)。

  小结
  离子性中间膜SGP在建筑幕墙夹层玻璃中应用时间不长,但它优良的性能已经在应用中显现出来。在大型公共建筑和超高层建筑玻璃幕墙中充分显示了SGP夹层玻璃高承载力、安全性、通透性等特点。而在玻璃拦板、玻璃地板、玻璃遮阳板的应用中,SGP夹层玻璃的耐冲击、安全、无须封边的优点十分显著。超大尺寸夹层玻璃和多重夹胶玻璃制品更离不开SGP夹胶膜。
  在今后SGP夹层玻璃不断扩展的应用中,我们将会看到它更广阔的发展前景。

 


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