Поведение тонкой адгезивной вспененной ленты в несущем остеклении

Введение

Вспененная акриловая лента с двухсторонним липким (клеящим) слоем появилась на рынке несущих конструкций в качестве альтернативы силиконовым уплотнителям. Новое применение таких лент — несущее остекление окон и фасадов. Использование вспененных акриловых лент с двухсторонним клеящим слоем может существенно сократить время изготовления и снизить затраты на производство фасадных конструкций за счет удобства применения быстроты нанесения и меньшей стоимости по сравнению с конструкционным силиконом.

Определения и область применения

Двухсторонняя клейкая акриловая лента состоит из акриловой пены толщиной от 1 до 4 мм, порезанной на полосы шириной от 15 до 200 мм. Такие ленты сворачиваются в рулон, а клейкие стороны покрываются защитным слоем, устраняющим слипание ленты в рулоне и предотвращающим загрязнение ленты при транспортировке и хранении. Поверхность, к которой приклеивается лента, выступающая в дальнейшем несущей поверхностью, предварительно подготавливается перед приклеиванием ленты путем очистки, обезжиривания и нанесения грунтовочного состава. Для этого рекомендуется применять специфичные чистящие средства и грунтовочные составы, которые учитывают особенности стекла, алюминия или ПВХ. Применение вспененной акриловой ленты допускает большую деформацию, что определяется вязкоэластичными свойствами материала ленты, однако во многом ее поведение зависит от условий приложения нагрузки.

Первая процедура оценки такой ленты относилась к системе фасадного остекления.

В научном центре CSTB была проведена валидация применимости двухсторонней клейкой ленты взамен силиконового уплотнителя между обрамлением из алюминия или ПВХ и стеклянной панелью в виде изолирующего стеклопакета (ИСП). Оценка базировалась на процедуре 002, которая была специально разработана для учета влияния температурных воздействий и величины напряжений.

Существует два различных типа применения липкой вспененной ленты вместо силиконового конструкционного уплотнителя. В фасадном остеклении лента выполняет роль несущего клеящего слоя, который размещается непосредственно между стеклом (ИСП) и металлическим поддерживающим элементом конструкции. Рис. 1 показывает сечение окна, в котором липкую ленту размещают между рамой и стеклом ИСП через вкладыш-адаптер.

Рис. 1. Схема применения конструкционной вспененной ленты в окнах

Во всех изделиях лента выполняет функцию передачи механических усилий. Цель — перенос механических возмущений и нагрузки (вес, ветер, и т.д.) на несущую конструкцию. В зависимости от расположения ленты в системе остекления, механическая передача может осуществляться прямо на несущую структуру или через элемент-посредник (рама окна). Это приводит к изгибным и сдвиговым деформациям в ленте в зависимости от направления приложения внешней нагрузки.

В остеклении обычно система поддержки выдерживает следующие нагрузки:

• Собственный вес стеклянных панелей (ИСП).
• Температурный диапазон в пределах от –20°C до +80°C.
• Действие ветра с продолжительностью порывов от нескольких секунд (обычно — 3 сек).
• Старение от влаги, УФ-излучения и действия солей.
• Вес от налипшего снега (особенно на маркизы и наружные жалюзи).

Расширение протокола испытаний

Обычно применяемые в технологии остекления уплотнители сделаны из силикона, поведение которого достаточно изучено для постоянных условий. Сжимаемость силиконового уплотнения остается практически стабильной при изменении температуры, что показано на рис. 2. Воздействие температуры влияет по большей мере только на несущую способность уплотнителя, которая снижается с увеличением температуры от –20°C до +80°C. Эта тенденция справедлива для сжатия и напряжения сдвига.

Рис. 2. Напряжение растяжения в конструкционном силиконовом уплотнителе (a) и его поведение при изгибе (b) при различных температурах

В результате проведения испытаний в соответствии с процедурой ETAG 002 на образцах, состоящих из стекла и алюминиевой подложки с уплотнительной секцией 12 мм толщиной и шириной с длиной 50 мм, был получен ряд результатов. Все результаты, представленные ниже, относятся к одному и тому же типу подложки. Испытания также проводились между стеклом и стеклом, стеклом и ПВХ. Величины разнились, но тенденции сохранялись. В соответствии с принципом эквивалентности [1], можно утверждать, что поведение образцов будет подобным при изменении уровня напряжений, хотя это и не было испытано экспериментально.

Образцы акриловой вспененной ленты длиной 50 мм (согласно процедуре ETAG 002) были подвергнуты испытаниям. Однако процедура была расширена для проведения дополнительных серий испытаний при различных скоростях 5 мм/мин., 50 мм/мин. и 300 мм/мин. Цель такой модификации — получить различные уровни напряжений соответственно длительности действия нагрузки. Параметры такой расширенной процедуры установлены EOTA в документе «Общее понимание процедуры оценки» (Common Understanding for Assessment Procedure, CUAP) [2]. Тестирование проводилось минимум на пяти образцах для каждого из условий нагружения (рис. 3).

Рис. 3. Деформация вспененной ленты (простое сжатие)

Результаты

Рис. 4 представляет результаты тестирования вспененной двухсторонней клейкой ленты при различных температурах и скоростях растяжения и сдвига. Показано, что имеется высокая зависимость поведения вспененной ленты — повышение жесткости при уменьшении температуры и увеличении уровня нагрузки. Это вызывает большую деформацию вспененной ленты при постоянной нагрузке и высокой температуре.

Рис. 4. Изменение поведения ленты a) при изменении скорости приложения нагрузки во время испытаний на растяжение и
b) при изменении температуры во время испытаний на сдвиг

Рис. 5. Изменение напряжений при изменении продолжительности действия нагрузки

Еще один механический параметр — сопротивление вспененной ленты. Разрыв ленты во время испытаний случался на разных уровнях нагрузки. Этот уровень следует принять во внимание для определения допустимых усилий, прилагаемых к ленте. Изменение сопротивления представлено рис. 5. Здесь показано, что сопротивление уменьшается с ростом температуры и снижением уровня напряжений. Эта зависимость может быть описана законом напряжений, описанный коэффициентами σ₀ и A:

σ_k = σ₀ · t^–A ,
где
σ_k — характерный показатель механического напряжения при растяжении (в МПа);
t — время приложения нагрузки.

Для определения закона напряжений, определяющего поведение, применялся следующий метод.

По испытаниям на растяжение при разных скоростях нагрузки были определены параметры σ₀ и A:

σ_k = 0,944 · t^–0,1878 ,

Затем, по результатам тестов на сдвиг, была определена величина τ₀ :

τ_k = τ₀ · t^–0,1878 = 1,35 · t^–0,1878 ,
где
τ_k — механическое напряжение сдвига (в МПа).

Температура и эффекты старения учитывались путем ввода дополнительных соответствующих коэффициентов k_t , зависящих от типа напряжения (растяжение или сдвиг, влажность, УФ-облучение, соленость, …). Эти коэффициенты вводились в основное уравнение изменения напряжений:

σ_k = k_t · 0,944 · t^–0,1878 = 0,424 · t^–0,1878;

τ_k = k_t · 1,35 · t^–0,1878 = 0,984 · t^–0,1878

Конструктивный параметр определялся по методу, предлагаемому в правилах CUAP, положенного в основу размерного метода Eurocode:

σ_des = σ_k / γ_M

Как видно из предыдущих данных, поведение акриловой вспененной двухсторонней клейкой ленты демонстрирует существенную деформацию при температуре, характерной для температуры окружающей среды. При напряжении 0,2 МПа деформации образца близки к величине 0,08 для силиконового уплотнителя и 0,2 для акриловой вспененной ленты при температуре, соответствующей условиям проведения статического испытания на растяжение.

Деформации приведены к первоначальной толщине испытываемых образцов. Для вспененной ленты деформация 0,2 в абсолютных значениях соответствовала смещению к опоре на 0,46 мм по сравнению с 0,96 мм у силиконового уплотнителя. Это означает, что прогиб на практике будет меньше для уплотнителя из вспененной ленты, который установлен в систему остекления, чем для системы с силиконовым уплотнителем, что удовлетворяет критерию максимального прогиба.

Расчеты для систем с использованием вспененной ленты должны быть более строги и точны, поскольку следует учитывать поведение ленты при критических нагрузках. Жесткость и прочность существенно уменьшаются при длительном воздействии нагрузки и при высокой температуре. Это означает, что постоянное воздействие собственного веса и высокой температуры будет вызывать у ленты большую деформацию и приводить к критично большим отклонениям от опорных элементов.

В оконной технологии, где контакт между стеклом и рамой может быть устранен введением в конструкцию защитных накладок, для обеспечения жесткости системы следует использовать механическое решение, например, путем установки между стеклом и рамой опорных нижних и боковых подкладок, поскольку проседание стеклянного блока на вспененной ленте может быть существенным.

Заключение и выводы

Данные экспериментальные исследования были проведены с целью определить характеристики и поведение двухсторонней вспененной акриловой клейкой ленты как нового изделия для несущего остекления для технологии изготовления окон и фасадов. Результаты позволили установить подходы к процедуре экспериментальной оценки этого клеящего изделия при изменении температуры и длительности нагружения вместо достаточно хорошо изученного силиконового конструкционного уплотнителя.

Полученные результаты показывают основное различие конструкционных уплотнителей: жесткость и прочность вспененной ленты несколько ниже, чем у силикона при обычных температурах окружающей среды. Поведение различается более существенно при высоких температурах и изменении длительности нагрузки с четким снижением показателей для вспененной ленты. Поведение клеящей ленты описывается законом, учитывающим длительность нагрузки, воздействие температуры и факторов старения. Примененная методика соответствует подходам, принятым в европейской процедуре оценки.

Выводы относительно окон и фасадов: прогиб и смещение стеклянного блока при критических условиях может быть больше при использовании именно вспененной несущей ленты, чем силикона, поскольку первоначальная толщина ленты позволяет достичь большей деформации до того, как будут достигнуты критические смещения.

Ссылки

1. M.L. Williams, R.F. Landel, J.D. Ferry, J. Am. Chem. Soc. 77 (1955) 3701–3707.
2. CUAP 04.04/32, Acrylic foam tape for structural glazing or cladding applications, CSTB, 2008

Клара Гренье (Claire Grenier),
Аурелия Барейль (Aurélie Bareille),
Мишель Коссавелла (Michel Cossavella),
Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), Франция.
По материалам доклада на Glass Performance Days, июнь 2011 г., Тампере, Финляндия