SGP的力学性能研究综述

HansJournalofCivilEngineering土木工程,2015,4,143-150PublishedOnlineMay2015inHans.://dx.doi.org/10.12677/hjce.2015.43018143ReviewonStudiesonMechanicalPropertiesofSGPXiaoShao1,SuwenChen1,21SchoolofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai2StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,ShanghaiEmail:[e-mail]:May7th,2015;accepted:May23rd,2015;published:May27th,2015Copyright©2015byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).(PVB)hasbeenwidelyadoptedforinterlayerinlaminatedglassinthepastdec-ades.Nowadays,anewinterlayerSentryGlas®Plus(SGP)hasbeendeveloped,whichhasbetterstiffnessandstrengthcomparedwithPVB.SGP’sapplicationmakeslaminatedglassnotonlytobeshatterproofglass,buttobeapartofthestructure.Duetoitssuperiormechanicalproperties,SGPgainsmoreandmoreapplicationincurtainwallstructures,especiallyinsuperhigh-risebuildingsandlarge-scalepublicbuildings.Nevertheless,thereisnosystematicstudyonSGP’smechanicalproperty,whichcausessomedifficultiesinthedesignoflaminatedglass.ThispaperreviewsthepresentresearchesonmechanicalperformanceoftheSGParoundtheworld.KeywordsSGP,MechanicalProperty,TemperatureSensitive,ExperimentalStudy,Strain-RateDependenceSGP的力学性能研究综述邵筱1，陈素文1,21同济大学土木工程学院，上海2同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海Email:[e-mail]收稿日期：2015年5月7日；录用日期：2015年5月23日；发布日期：2015年5月27日SGP的力学性能研究综述144摘要聚乙烯醇缩丁醛中间膜(PVB)在过去几十年被广泛应用于夹层玻璃中。如今新型的离子性中间膜(SGP)较之PVB具有更好的强度和刚度，SGP的采用使得夹层玻璃从之前的仅仅作为安全玻璃发展为结构的一部分。基于其良好的力学性能，SGP在幕墙结构中得到越来越广泛的应用，特别是一些超高层和大型城市公共建筑。然而，到目前为止，对SGP的力学性能尚未有系统的研究，这对夹层玻璃的设计造成了一定困难。本文主要介绍了国内外关于SGP力学性能的研究现状，并根据试验目的和方法的不同进行了归纳总结。关键词SGP，力学性能，温度敏感，试验研究，应变率相关1.引言目前，夹层玻璃被广泛应用于幕墙结构，广泛采用的中间膜是聚乙烯醇缩丁醛，英文名称是polyvinylbutyral，简称PVB。爆炸时，玻璃即使发生破碎，但也能粘附在PVB上，极大地减少飞溅的玻璃碎片，从而减少人员伤亡和经济损失。PVB在幕墙结构中的使用已经有多年历史。但是，这种夹层膜最初是为汽车玻璃而开发的，富于弹性，比较柔软，剪切模量小，受力后两块玻璃间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。现在，能满足建筑幕墙夹层玻璃高性能要求的夹胶膜—离子性中间膜已经由美国杜邦公司开发出来，并批量生产，称为SGP。与PVB相比，SGP具有更高的强度和刚度，因此已开始在大型公共建筑和超高层建筑玻璃幕墙中使用。但SGP的力学性能尚未得到充分的研究，为此，需要研究SGP在静载和冲击荷载下的材性。本文简要总结了国内外研究SGP力学性能的进展以及主要的实验方法。2.SGP的基本特性SGP的撕裂强度是普通PVB的5倍，硬度是普通PVB的100倍[1]。SGP夹层玻璃破损后保持有较高的残余承载力，一般不会整块坠落[2]。SGP夹胶膜本身无色透亮，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[3]，并且SGP夹层玻璃具有良好的耐光性，将样本置于亚利桑那州的沙漠的实验装置实验，得到相当于正常阳光照射下的10年后的玻璃样本，数据表明，以普通肉眼观察样本看不出颜色变化和风化痕迹[4]。SGP夹层玻璃的射外线透射率不到1%，而普通的浮法玻璃高达70%[5]。在苛刻的自然环境下随时间的风化作用可以反映夹层玻璃的耐久性，SGP夹层玻璃边部外露于大气条件下，不会开胶、分离，因此在使用时无须采用专门的封边措施[6]，即使在热带高温和暴风雨的极端气候情况下，SGP夹层玻璃也具有良好的边缘稳定性[7]。SGP夹层对密封剂、陶瓷色釉料和玻璃镀膜等都具有很好的粘结性[8][9]。因此近几年SGP开始在大型公共建筑和超高层建筑中推广应用。3.力学性能指标目前，国外进行的SGP力学材性实验工作不是很多，已有的数据很少，表1[1][10][11]给出了SGP的一些基本材料参数，并与PVB参数值进行对比，可以看出抗拉强度和杨氏模量明显增大，SGP具有很好的延性，伸长率可以达到400%，玻璃化温度Tg范围为55℃~60℃，因此在常温下SGP表现为玻璃态，其中弹性模量是在室温下的参考值，而SGP在不同温度下的弹性模量值并不相同[12]。因为SGP的粘弹SGP的力学性能研究综述145Table1.MaterialparameterscomparisonbetweenSGPandPVB表1.SGP和PVB材料参数对比项目SGPPVB比重(g/m3)0.951.07杨氏模量(MPa)30018抗拉强度(MPa)34.520伸长率400%250玻璃化温度Tg55℃~60℃10℃~15℃性特性，SGP夹层玻璃的整体刚度随着温度的上升而下降，温度不变时，随着荷载持时的增加整体刚度下降[13]。4.试验研究4.1.小变形试验在玻璃面板出现第一道裂纹前，夹层玻璃都处在小变形条件下，在玻璃之间的夹层主要起传递剪力的作用，夹胶层的粘弹性特性主要表现为整体刚度依赖于负载时间和温度，特别是在绕弱轴弯曲和扭转的情况下。小应变下的SGP力学特性一般用动态力学试验方法(DMA)，进行试验可得到一个参考温度下的剪切模量关于时间函数的主曲线。根据SGP的负载时间和温度的等效相关的粘弹性特性可建立转换方程，通过转换方程就能得到不同温度下的主曲线。2013年中国建材检验认证集团股份有限公司和国家安全玻璃及石英玻璃质量监督检验中心公布的夹层玻璃中间层材料的剪切模量的测试的试验报告，使用DMAQ800动态机械热分析仪得到20℃~80℃(间隔为10℃)的不同荷载持时下SGP剪切模量[14]。杜邦公司的StephenJ.Bennison在2008年用动态力学试验方法(DMA)得到了SGP在10℃~80℃区间下的杨氏储能模量变化曲线，并且做了蠕变试验，得到了10℃~80℃(间隔为10℃)下的杨氏综合模量和泊松比在不同荷载持时下的值[12]。另外，还可以通过夹层玻璃的松弛剪切试验得到PVB夹胶层的剪切模量和本构关系[15][16]，对于SGP还没有此类相关研究。4.2.大变形试验对结构玻璃进行设计，需要知道夹层玻璃破碎后的性能和相关模型，因此要关注夹胶层大变形直至破坏的力学行为。DidierDelincé在根特大学纺织系的实验室进行了常温下SGP的静力加载下轴心受拉实验。应力应变曲线见图1[11]。实验结果表明SGP在低应变下产生可恢复的弹性变形，在屈服之后先软化产生在该实验温度时不可恢复的变形，之后再度硬化直至破坏。论文指出SGP在低于玻璃化转变温度时适用弹性粘弹性模型。在温度高于玻璃化转变温度时，高聚物呈现为高弹态，变形完全可逆，适用超弹性模型[11]。4.3.应变率相关试验SGP是一种粘弹性材料，其力学性能受应变率影响很大。J.Belisa和DidierDelincé用Instron3369万能试验机在20℃时做了5种加载速度(5、10、20、50和100mm/min)的SGP轴心拉伸试验。试件标距段长度为20mm，厚度为2.40mm，即在5种应变率(0.25、SGP的力学性能研究综述146Figure1.Tensilestress-straincurveofSGPunderatroomtemperature图1.常温下SGP的轴心受拉应力–应变曲线0.5、1、2.5和5min−1)下的拉伸试验，属于低应变率范围。试验表明，随着应变率的增大，屈服强度变大(为21~25MPa)，屈服后有更显著的伸长率。极限强度(32MPa)受应变率影响较小并且未形成有规律的影响[17]。不同应变率下的实验值见表2[17]，其中σy、εy为屈服强度和对应的应变，σu、εu为极限强度和对应的应变。SGP夹层玻璃的三点弯曲梁；在低应变率下，按照玻璃边缘设计强度值14MPa的准则下，随应变率增大，力的设计值有所提高，但是变化幅值很小。40℃时，自重下的SGP夹层玻璃在长期作用下，变形基本稳定，松弛现象可以不考虑[18]。DieterCallewaert博士用液动转动控制试验机做了常温下四种应变率分别为0.1、1、12和125s−1的轴心拉伸试验，其工程应力–工程应变的关系。见图2[19]，由图可见，SGP初始模量对应变率不敏感，平均值为500MPa，随着应变率的增大，屈服强度和极限强度增大，但是破坏时的伸长率却减小[20]。因为爆炸荷载作用时应变率能高达1000s−1，因此DieterCallewaert博士的一篇论文中给出了PVB和SGP在1000s−1应变率下的应力–应变曲线(见图3[21])，在爆炸荷载中，PVB开始为玻璃态，之后表现为高弹态，而SGP一直表现出弹塑性。论文中只提到了可以用高速拉力试验机或者根据时温等效原理通过低温下的应力–应变曲线得到高应变率下的力学性能，但未给出具体的过程[21]。4.4.夹层玻璃的受弯和扭转试验DieterCallewaert博士完成了5、20、35、50和65℃下的非破坏扭转试验和20℃、65℃下的非破坏的绕弱轴的三点弯曲试验[22]。试验表明：1)SGP具有明显的蠕变效应，并且随着温度升高蠕变加速。2)扭转作用下，随着温度升高，扭转刚度明显降低，发生蠕变。3)5℃时扭转刚度基本保持不变，20℃时扭转刚度随着荷载持时的增加而降低，但是蠕变值较小并且很缓慢。在低于SGP的玻璃化转变温度Tg时，随着温度的升高，蠕变值大、速度明显加快。在65℃时，蠕变值变小，并且很快完成蠕变过程。4)但是在65℃时，三点弯曲下的抗弯刚度在5天后