离子性中间膜夹层玻璃

离子性中间膜夹层玻璃赵西安（ 中国建筑科学研究院 北京 100013）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） 。SGP 夹层玻璃整截面工作 PVB 夹层玻璃中间膜滑动 图 1 SGP 夹层玻璃承载力是 PVB 夹层玻璃的两倍，挠度只有 PVB 夹层玻璃的 1 / 4 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） 。图 2 SGP 夹层玻璃可以不加封边就在室外使用 图 3 不加封边的 SGP 夹层玻璃拦板（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） 。图 4 PVB 夹层玻璃，即使竖向安装，四边支承， 图 5 即使是竖向悬臂安装，SGP 夹层玻璃拦板破碎后 破碎后还是大弯曲变形，最终脱出 仍保持平面，显示还保持一定的承载力图 6 SGP 夹层玻璃即使破碎，也还有足够的剩余承载力（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 612。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） 。材料 图 7 钻石表面精磨 19 mm 超白玻璃，SGP 夹胶膜夹层装饰玻璃晶莹闪亮三、 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 20062007 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） 。 图 8 四边支承玻璃试验图 9 对边简支玻璃试验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） 。Aplied Loa, P(N)0120340560Maximu Princpal Stres, M(Pa)51052055 m/0.76 PVB /5mSG1Anealdls Aplied Loa, P(N)020406080Maximu Deflction, (m)2468102145 m/0.76 PVB /5mSG1Anealdls图 10 最大主应力随荷载的变化 图 11 跨中挠度随荷载的变化 （方点为 10mm 单片玻璃；三角形为 SGP 夹层玻璃；圆点为 PVB 夹层玻璃；夹层玻璃均为 5mm+0.76+5mm）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） 。30 DayCrepMonlithPVBIonplastaximu Deflction, 30day (m)01245图 12 对边简支 SGP 夹层玻璃破碎后还有足够剩余承载力 图 13 荷载 30 天后的挠度，自左至右：单片玻璃；PVB 夹层玻璃；SGP 夹层玻璃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） 。PVB SGP图 14 受弯时 PVB 夹层玻璃和 SGP 夹层玻璃截面应力的分布PVB SGP图 15 相同厚度时夹层玻璃承载力的比较PVB SGP图 16 相同荷载作用到相同厚度夹层玻璃时挠度的比较PVB SGP PVB SGP图 17 承载力相等时玻璃的厚度 图 18 相同外力下挠度相等时玻璃的厚度五、 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。图 19 世界第一块 12.8 m 超大尺寸热弯钢化夹层玻璃 图 20 上海苹果店 12 块 12.6mx2.6m 超大夹层玻璃现在，13.8mX3.6m 热弯钢化 SGP 夹层玻璃已经生产出来（图 21） ，为香港苹果店和美国苹果店分别制造的 15m 和 18m 热弯钢化 SGP 夹层玻璃也正在生产中。图 21 13.8mX3.6m，15mm+2.28 SGP+15mm 超大热弯玻璃 图 22 上海苹果店玻璃梁和玻璃柱的五夹层玻璃超大尺寸 SGP 夹层玻璃主要用于苹果店这样的全玻璃结构，与大玻璃配套的是超长多重夹胶玻璃梁和玻璃柱。图 22 为上海苹果店 12m 长 SGP 五夹层玻璃柱。现在更长的 SGP 多重夹胶玻璃已经制造成功（图 23、图 24） 。图 23 15m 长五夹胶超白玻璃柱 图 24 为香港苹果店生产的 15m 长六夹胶超白玻璃柱六、 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。图 25 上海东方艺术中心 图 26 多孔金属板夹胶玻璃SGP 夹层玻璃在公共建筑中应用，提高了幕墙的安全性，减轻了玻璃的自重，而且使幕墙更为通透（图 27、图 28） 。 图 27 上海东方明珠 SGP 夹层玻璃护拦板 图 28 意大利 BOLZAN 博物馆点支幕墙七、 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） 。图 29 上海中心，高度 632m 图 30 上海中心双层幕墙之间的热通道空间 图 31 上海中心玻璃幕墙 图 32 广州塔，高度 600m 图 33 广州塔幕墙双夹层中空玻璃 图 34 广州塔的楼层，落地三角形大块 SGP 夹层玻璃 图 35 深圳京基大厦顶部采用 SGP 夹层玻璃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