高温高湿环境下的隐框玻璃幕墙结构胶加速老化设备*

何京波 ，余忠辉，谢宇芳，张道修

（1 深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心,广东深圳518051；2 广州合成材料研究院有限公司,广东广州510665）

建筑幕墙,作为现代建筑的重要组成部分广泛应用于城市中高层建筑,主要由金属支承结构（铝横梁立柱、钢结构等）与板材（玻璃、石板、陶瓷板等）组成。近些年来,因幕墙面板高空坠落事故时常发生,对人们生命安全及财产损失带来了重大威胁[1-2]。评估幕墙在冷热循环、干湿循环、风荷载等多条件因子耦合作用下安全性能变化成为城市公共安全研究不可忽略的课题[3-4]。

玻璃幕墙主要包括明框玻璃幕墙、隐框玻璃幕墙、吊挂式全玻璃幕墙、点支式全玻璃幕墙。隐框玻璃幕墙摆脱了传统铝合金明框的限制,具有更好的感观效果,近年来在高层、超高层建筑中得到广泛应用。然而,隐框玻璃幕墙的面板依靠硅酮结构胶粘结于铝型材副框上,硅酮结构胶需要承担幕墙单元自身重量、风荷载、地震荷载等,隐框玻璃幕墙安全性能在某种程度上由硅酮结构胶性能所决定[5-6]。

目前,针对温度和湿度对硅酮结构胶性能影响的研究常将硅酮结构胶制成特定尺寸的试件（如工字件、哑铃型试件等）置于恒温恒湿箱中,测试硅酮结构胶力学性能随作用时间的变化[7-8]。然而,特定尺寸的工字件或哑铃型试件不能代替足尺幕墙单元,应考虑玻璃幕墙实际的约束条件,采用实际工程应用的幕墙单元进行研究。为研究整体幕墙单元的性能随温度湿度条件作用时间的变化规律,需开发用于足尺隐框玻璃幕墙老化的恒温恒湿装置。

1 设备整体构成

高温高湿环境下的隐框玻璃幕墙结构胶加速老化设备主要包括测试工作箱、温度控制系统、湿度控制系统、预警保护系统以及主控系统,老化设备的实物图如图1所示。

图1 高温高湿环境下幕墙结构胶老化设备实物图Fig. 1 Accelerated aging equipment of structural silicone sealant

试验测试工作箱用于放置隐框玻璃幕墙单元,温度控制系统及湿度控制系统受控于主控系统,并与试验测试工作箱进行联通,实现试验测试工作箱中温度及湿度可控,测试工作箱中的温度以及湿度信息最终反馈给主控系统显示于电脑客户端。预警保护系统通过检测试验测试工作箱的温度状态以及系统工作状态达到保护装置的目的。老化设备的结构框图如图2所示。

图2 幕墙结构胶老化设备结构框图Fig. 2 Structure diagram of the accelerated aging equipment

2 设备模块设计

设备采用模块化的设计方式,整体设计如图3～图8所示。设备主要包括测试工作箱,及用于对箱体内的温度和湿度进行调控的温度调节装置以及湿度调节装置；箱体内设有多个中间隔层,每个中间隔层的位置固定连接有U型卡槽（U型卡槽固定在箱体上）,U型卡槽连接有推拉式承托架,推拉式承托架主要用于水平放置隐框玻璃幕墙,承担足尺的隐框玻璃幕墙的重量。箱体的右侧设有电柜,电柜内安装有主控装置,湿度调节装置和湿度调节装置与主控装置通讯连接,箱体的前侧设有箱门,箱门上设有用于观察箱体内部情况的观察窗口。

图3 高温高湿老化设备设计图 （正视图） Fig. 3 Design of the accelerated aging equipment (front view)

图4 高温高湿老化设备设计图（左视图） Fig. 4 Design of the accelerated aging equipment (left view)

图5 高温高湿老化设备设计图 （右视图） Fig. 5 Design of the accelerated aging equipment (right view)

图6 高温高湿老化设备设计图（俯视图）Fig. 6 Design of the accelerated aging equipment (vertical view)

图7 高温高湿老化设备设计图 （样品摆放图） Fig. 7 Design of the accelerated aging equipment (samples in equipment)

图8 高温高湿老化设备设计图（后视图）Fig. 8 Design of the accelerated aging equipment (rear view)

2.1 测试工作箱

测试工作箱设计如图3所示,测试工作箱内设有多个中间隔层,每个中间隔层设置有推拉式承托架,以用于水平放置玻璃幕墙面板。箱门为双开门,箱门与箱体之间配有门铰,使两者进行转动连接,两个箱门与箱体之间设置有门锁以及密封条,以保证密封效果。另外,设备的外形尺寸为D2030mm×W2160mm×H2040mm,箱体内部尺寸为D1600mm×W1600mm×H1600mm,该尺寸足以放置足尺的隐框玻璃幕墙。箱体由后壁、左侧壁、右侧壁、顶板、底板以及中间层组成,外面采用铁板烤漆,内面采用304#不锈钢板,底板采用2.0mm厚304#不锈钢防滑板,承重大于等于2kg/cm2。

箱体的顶部设有气压平衡孔,箱体的底部设有排水管。当箱体内的空气膨胀时,可通过气压平衡孔进行泄压。此外,箱体的左侧设有测试孔,测试孔内设有保温隔热件,测试孔通过设有的密封软塞进行密封。保温隔热件选择二氧化硅气凝胶,二氧化硅气凝胶涂覆于测试孔的内壁上。测试孔的直径为100mm。由于恒温恒湿设置是非标准设备,对箱体正常工作时内部的温度和湿度校核时需放置小型的传感器,因此通过此测试孔进行布线。

2.2 温度控制系统

温度控制系统包括气体电加热器、温度传感器以及循环风机。循环风机包括电机和旋转风轮；电机固定于箱体后侧的外表面,电机的输出轴延伸至箱体的内部并与旋转风轮连接；箱体内设有循环风道（循环风道的两端有两个箭头,这两个箭头表示的是气流的流向）,循环风道的一端为出风口,另一端为回风口；气体电加热器和温度传感器安装于箱体内,且气体电加热器靠近于出风口布置。

温度控制系统的控制原理为：气体电加热器靠近出风口布置以对空气进行加热,加热后的空气通过循环风道的出风口进入,最后通过回风口回到循环风道,温度传感器监测箱体内温度并将温度数据发送至主控装置,主控装置分析温度数据后反馈调节气体电加热器的加热功率。

2.3 湿度控制系统

湿度控制系统包括PTC加热器、水箱、水泵以及湿度传感器。PTC加热器、水箱和水泵安装于电柜内,电柜内还设有加湿桶,PTC加热器置于加湿桶中,且PTC加热器通过水泵与水箱连接,加湿桶设有向箱体内通入水蒸气的蒸汽通入管。湿度调节装置还包括制冷机；制冷机安装于箱体内,以用于对箱体内的水蒸气进行冷凝以改变箱体内的湿度。

湿度控制系统的控制原理为：水泵控制水箱中进入PTC加热器的水量,PTC加热器对这一部分水进行加热使得这部分液态水转化为水蒸气进入箱体内,从而达到增加湿度的效果,湿度度传感器监测箱体内湿度并将湿度数据发送至主控装置,主控装置分析湿度度数据后反馈调节PTC加热器的输出功率。另外,通过主控装置调节制冷机的输出功率,可对箱体内的水蒸气进行冷凝以改变箱体内的湿度,从而达到减少湿度的效果。

2.4 报警保护系统

高温高湿老化设备安装了报警器,安装于电柜内并与主控装置通讯连接。报警器主要对恒温恒湿设备所出现的异常工作状态进行停机保护,异常工作状态包括过高温度和系统故障。对于温度过高的异常状态,报警器主要基于温度传感器传至主控装置的数据进行分析,若温度高于设定的某一个阈值,报警器启动报警并切断电源。对于其他系统故障,比如制冷机电流过载,漏电/断电保护失效等故障时,预警器启动报警并切断电源。

2.5 主控系统

主控系统包括控制器及与控制器电性连接的人机交互屏,人机交互屏嵌设于电柜的表面。控制器设计有对温度控制、湿度控制、预警保护控制等子系统程序的主控程序。人机交互屏可辅助操作者明晰当前箱体内的温度、湿度和系统的安装状态,可单一通过人机交互屏输入目标工作温度、湿度达到调节箱体中温度、湿度条件的效果,也可以通过输入不同阶段的目标工作温度、湿度从而调节不同阶段箱体内的工作状态,从而达到程序化控制箱体内温度、湿度条件的目的。

3 设备特征

本实用新型通过温度调节装置和湿度调节装置来调节箱体内的温度和湿度,使得箱体内的温度和湿度情况与真实环境的温度和湿度情况更接近,进而试验测试出的数据更加准确,而且,在箱体的侧面设有电柜,电柜内安装有主控装置,通过主控装置可以清楚了解和掌握箱体内的情况,并能够通过主控装置做出及时的调整,更加智能化,使用更加方便。另外,利用电柜的空间来安装PTC加热器、水箱、水泵和制冷机,大大缩小了体积的占用,节省了空间,降低了制造成本。

（1）可模拟真实环境

通过温度调节装置和湿度调节装置动态调节箱体内的温度和湿度,使得箱体内的温度和湿度情况与真实环境的温度和湿度情况更接近,进而试验测试出的数据更加准确。

（2）可智能控制

在箱体的侧面设有电柜,电柜内安装有主控装置,通过主控装置可以清楚了解和掌握箱体内的情况,并能够通过主控装置做出及时的调整,更加智能化,使用更加方便。

（3）体积小

利用电柜的空间来安装PTC加热器、水箱、水泵和制冷机,大大缩小了体积的占用,节省了空间,降低了制造成本。

（4）用途多

设备可模拟电子仪器仪表、新型材料、电工、车辆、金属、电子产品、航空航天材料等在运输、储存、使用过程中可能会遇到的严酷高温或湿热环境,或高温湿热交变环境下,检验材料、配件或仪器设备耐高温、耐湿热性能及可能造成的损坏寿命缩减,能够为产品的老化测试提供精确的数据。

4 结论

（1）本文设计了一种高温高湿环境下的隐框玻璃幕墙结构胶加速老化设备,老化设备由测试工作箱、温度控制系统、湿度控制系统、预警保护系统以及主控系统构成。

（2）设备可模拟高温高湿环境,可对足尺幕墙单元副框与玻璃之间硅酮结构胶高温高湿加速老化,可智能动态控制测试工作箱内的温度和湿度,可容纳足够多的足尺幕墙单元样品,这为隐框玻璃幕墙面板与副框间硅酮结构胶的老化研究提供了测试设备。