第二章 玻璃幕墙材料
本章主要内容
§2.1 玻璃面板 §2.2 铝合金型材 §2.3 建筑钢材（与钢结构用钢一致）
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§2.4 不锈钢 §2.5 胶
《建筑玻璃幕墙结构 》
§2.1 玻璃面板
1、玻璃板材的制作工艺
20世纪初：高质量的玻璃薄板。融化的玻璃穿过辊筒垂直下落然后冷化。 1960年以来浮法玻璃大量地替代了玻璃平板和薄板。 标准纯浮法玻璃的原材料含硅沙晶（72%）、氧化钙、碱、碳酸钾、氧化镁、氧化 铁、白云石、氧化铝和20％左右的回收碎玻璃。 熔化罐：玻璃溶液被加热至1500 度或1600度。流下罐的玻璃通过 在玻璃溶液上吹过的冷空气冷却 至1100度。 浮法池：含有熔化锡，玻璃在其 上以带状流动。玻璃在锡上的稳 定厚度一般在6mm～7mm之间。通 过辊筒将玻璃带快速倒下，可以 得到较薄或较厚的玻璃板材。
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§2.1 玻璃面板
退火韧化炉：是一个密封箱，控制逐 渐加热和逐渐冷却。因此，浮法玻璃 也称退火玻璃。在退火韧化炉里，玻 璃在辊筒上传输。为了释放玻璃中的 应力，玻璃带还要经过特殊的热处理。 当玻璃送出退火韧化炉时，玻璃的温 度被冷却到100度。 自动切割和仓储：玻璃从退火韧化炉内出现后经过一个检查点，被自动切割为具有 标准长度6m的3210mm×6000mm的板材，更长的玻璃可定制。玻璃板料被捡起并堆放 到仓储间的一侧。
2、玻璃的化学成分和抗腐蚀性
玻璃的化学成分如下表所示：
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§2.1 玻璃面板
碱钙硅酸盐玻璃通常具有较好的抵抗酸和 项目 含量(%) 碱溶液的性能。玻璃表面也具有足够的硬度。 二氧化硅（SiO ） 69～74 2 但是，玻璃的硬度只有5～6 Mohs单位,在清 氧化钙（CaO） 5～12 洗玻璃时如果不足够小心的话，尖锐的硬物 氧化钠（Na2O） 12～16 甚至水中的微小沙粒都有可能在玻璃表面产 生刮痕。如果一个水膜长时间地附着在玻璃 氧化镁（MgO） 0～6 表面就会形成浸析。硅和水中氧的结合物会 氧化铝（Al2O3） 0～3 强于玻璃网格空隙中的钠、钙和镁等离子成 分， 这意味着这些离子很快就会与水形成溶液。在水膜中的极少量水中，出现浓 缩碱并侵蚀剩余的酸网格，从而导致玻璃表面的腐蚀。在玻璃窗户和立面上通常不会 产生这样一种侵蚀，除非在水平面上无法排水。水泥矿物质、湿混凝土或强碱清洁剂 也会导致玻璃的浸析。
3、玻璃的微观结构和断裂特性
玻璃的原子粘结性很强，具有原始微观结构和完备表面的玻璃具有极高的理论机械 强度。然而，玻璃体内微观结构的破坏以及玻璃表面的毛孔和刮痕会产生格里菲思 微裂纹。当作用有外荷载时，裂纹尖端会产生极高的应力
峰值。与其他材料相比，
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§2.1 玻璃面板
这样的应力峰值不会因塑性变形而减少。因为表面裂纹在玻璃表面或钻孔周围是不可 避免的，所以玻璃的实际破坏强度要远远低于其理论强度。
当应力峰值达到“临界（拉）应力”时，裂纹在槽口尖端开始扩展。某些情况 下，裂纹以小的增量扩展，增量之间会停顿。断裂力学中，这样的缓慢或“稳定” 的裂纹扩展被称为亚临界扩展，本质上取决于荷载持续时间。短期荷载下的容许应
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§2.1 玻璃面板
力高于长期荷载下的值。裂纹尖端的化学反应会影响亚临界的裂纹扩展，例如，周围 环境的潮湿会加速裂纹的扩展，但是有时也能观察到裂纹闭合。 一旦超过临界裂纹扩展速度，裂纹就会失稳，即裂纹宽度迅速增加，这会导致玻 璃单元的突然断裂。 当亚临界裂纹扩展在长期荷载下增加以及在裂纹尖端发生相应的化学反应时，必 须将使用多年的玻璃单元的实际最大容许应力降低到根据短期荷载试验所得值之下。 玻璃强度和裂纹深度及荷载作用时间的关系见下图所示。
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§2.1 玻璃面板
4、玻璃的表面结构
由于建筑结构会承受不同的荷载，可以预 期玻璃表面会因不同的机械原因（如刮擦、清 洗、风蚀等）而损伤。此外，机械和化学处 理，如切割、打磨、喷沙、酸蚀、涂层或印花 等，会影响玻璃的表面结构和强度。更严重的 内在损伤是玻璃边缘特别是钻孔周边引起的， 这样的损伤很难通过抛光处理予以消除，因为 抛光很难消除较深的裂纹。 玻璃的实际强度可以通过给玻璃施加保护 层来改善。应用这样一个概念，在一定条件下 可以给夹层或中空玻璃的内表面分配较高的最 大应力。但是，必须同时注意到玻璃边缘的强 度通常在设计中是起控制作用的。
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§2.1 玻璃面板
5、玻璃的强度和应力-应变曲线
（1）玻璃的强度
从强度角度出发，玻璃不是一个传统意义上的材料。玻璃的应力抗力很大程度 上取决于玻璃表面的完备性。根据已知的玻璃晶格的化学粘结性和破断所需的能量 ，玻璃抗拉强度的理论值要远远高于玻璃成品所达到的值，这主要是因为玻璃表面 存在缺陷。表面许多随机微观裂纹和宏观裂缝的存在使玻璃的实际强度值要远远低 于其理论值。由于玻璃没有明显的塑性发展能力，裂缝扩展会导致没有预兆的突然 的脆性断裂。因为玻璃尺寸越大其表面存在缺陷的几率越高，小片玻璃的测试强度 高于大片玻璃，这就导致了玻璃强度值的高度离散性。因为玻璃裂纹在长期荷载作 用下会扩展直至玻璃
破坏，玻璃的强度还与荷载作用时间的长短有关。 玻璃的实际强度不是其理论机械强度，而是取决于其表面（包括端部和钻孔周围） 损伤程度的变量。只有通过统计方法才能确定与临界损伤相对应的玻璃强度。微裂纹 的尺寸和分布是关键因素。刚从生产线下线的玻璃的强度分布也很广，但高于玻璃强 度的平均值。玻璃安装后及在其使用期间，玻璃表面的损伤会累积，其临界裂纹的形 成概率会提高。因此，带损伤的玻璃具有较低的平均强度，但相对较窄的概率分布。 同样，1000m2玻璃面板的破坏概率是1m2玻璃面板的1000倍。
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§2.1 玻璃面板
（2）玻璃的物理力学参数以及应力-应变曲线
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§2.1 玻璃面板
玻璃与其他材料的物理力学参数比较
数值 项目 自重(kN/m3) 弹性模量(MPa) 剪切模量(MPa) 泊松比 抗拉强度(MPa) 抗压强度(MPa) 熔点(oC) 热膨胀系数(K-1) 玻璃 25 70000 28000 0.2 28～84 800 600 9×10-6 钢材 78.5 206000 80000 0.26 235～345 235～345 1450～1430 12×10-6 铝合金 27.0 65800 27000 0.3 90～265 90～265 658 24×10-6
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§2.1 玻璃面板
玻璃与其他材料的应力—应变关系曲线比较
6、玻璃的类型
（1）退火玻璃
按浮法玻璃加工工艺生产的退火玻璃是目前应用最为广泛的玻璃类型。工业化 的生产流程可以制作大量具有理想平面的厚度在2～19mm的高质量、高清晰度的玻 璃。在加工过程中可以对退火玻璃着色制造有色玻璃，或去色制造白色玻璃。退火 玻璃的热疲劳抗力约为30℃（最大40℃），即：如果在玻璃的两个表面存在这一温 差，玻璃将碎裂。退火玻璃的碎裂图样如图所示。
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§2.1 玻璃面板
（2）钢化玻璃
退火玻璃的碎裂后状态
回火钢化工艺的主要目的是将预压应 力导入玻璃表面，以提高玻璃抵抗外部效应 的强度。钢化玻璃也称为预应力玻璃。热回 火是最常用的钢化方法。将玻璃加热到约 650℃，然后通过空气喷射以淬火使玻璃表 面比其内部更快冷却。在玻璃表面冷却后， 内部继续冷却收缩使表面产生压应力，而内 部产生拉应力以与表面压应力相平衡。最终 沿玻璃厚度方向产生了二次函数形的应力分 布，如图所示。
钢化玻璃中的预应力分布
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§2.1 玻璃面板
经过热处理的钢化玻璃的机械性能得到了明显提高。它对均匀荷载、热应力和 大多数冲击荷载的效应，大约是退火玻璃的4倍。钢化玻璃的抗弯强度比普通平板 玻璃大4～5倍。钢化玻璃的厚度最大可加工至19mm。一旦玻璃中有裂纹扩展到受拉 区，因玻璃所固有的应变能的迅速释放，整面钢化玻璃会立
即碎裂。玻璃的破坏会 形成许多碎小玻璃粒。所以，同玻璃裂成尖锐片相比，钢化玻璃造成人员伤害的几 率会大大降低。正因为如此，在我国钢化玻璃也称安全玻璃。 钢化玻璃不能被切割，因此板材的切割和钻孔必须 在回火钢化工艺前完成。在回火钢化后，玻璃必须经历 一个热浸试验。玻璃被加热到290℃后，在此温度下放 置数小时以检查硫化镍（NiS）的存在，硫化镍能够导 致玻璃在暴露于高温下的裂爆，即所谓的“自爆”。 为强化玻璃薄板，可特别采用化学钢化方法。在罐 中，离子交换反应可以导致玻璃表面的钠离子被大量的 钾离子所替换，使玻璃表面受压。化学钢化玻璃很少用 于建筑用途。
钢化玻璃的碎裂后状态
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§2.1 玻璃面板
（3）半钢化玻璃
半钢化玻璃的加工工艺类似于钢化 玻璃，但其冷却过程较慢。半钢化玻璃 强度的增加约为钢化玻璃的一半，加工 厚度可达12mm。与退火玻璃类似，半钢 化玻璃的破裂块是大片的，如图所示。
（4）夹层玻璃
半钢化玻璃的碎裂后状态
两片或多片玻璃，浮法玻璃、钢化或半钢化玻璃，可以被一层或多层聚乙 烯醇缩丁醛树脂（PVB）内夹层粘在一起，单层PVB内夹层的厚度是0.38mm，如 图3-11所示。再经电热高压器加热到140 oC，在12Pa压力下维持6小时，以消 除玻璃与内夹层之间的空气。在冲击荷载下，玻璃层可能会破碎，但碎片会牢 固粘在内夹层里。所以，夹层玻璃是真正的安全玻璃。多层组合的玻璃可以提 供对于包括高速子弹在内的任何射击作用的抵抗力。夹层玻璃中的玻璃碎片可 以留至方便时再行更换。
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§2.1 玻璃面板
采用PVB内夹层的夹层玻璃边缘的粘结可能长期承受潮湿作用。由于内夹层最 初是干的，它可以吸收潮气，使得边缘粘结弱化，因此，夹层玻璃的边缘必须放置 在具有均衡蒸汽压力的防止长期潮湿的玻璃槽口内。否则，不可能完全排除弱化的 效应。即使在运输和储存中也要避免玻璃边缘过度潮湿。 国内常用夹层玻璃的中间层一般为两层PVB，厚度为0.76mm；常用玻璃板材的 厚度有3mm、5mm、6mm、8mm等。夹层玻璃的厚度和面积可根据用户的需要而定。
（5）中空玻璃
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§2.1 玻璃面板
中空玻璃由两片，有时三片玻璃，通过边缘处的间隔条和密封胶相互连接而成。 第一层的密封位于间隔条和玻璃面板之间，以防止潮气进入面板之间的空间；第二 层的密封设置在间隔条之后和玻璃面板之间，同时将间隔条和玻璃面板粘成一体， 如图所示。
面板之间的空间与外部空气隔绝，间隔条中的吸湿物质能够使这
一空间保持干 燥。这样可使密闭空气的结露点降低到负30℃。这一密封系统可以防止密闭空间中 的气体与外部空气交换，以及潮气进入密闭空间。
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§2.1 玻璃面板
密闭空间内的空气压力与制作时的大气 压力相等。密闭玻璃单元制作后，当大气 压力上升超过密闭空间内的空气压力时， 两个玻璃面板将被向内挤压；当大气压力 降低时，面板将向外鼓出。当设计大面积 的带有反射效果的玻璃时必须十分小心这 一“鼓吸”效应。仅仅通过改变玻璃厚度 以满足结构要求很难克服这一效应。目前 的计算玻璃厚度的方法是将荷载分布在两 个面板上，这会导致一个较小的面板厚度 ，较小的刚度及较大的“鼓吸”效应。可 以试用的设计方法是使外层面板（即带反 射涂层的面板）较厚而内层面板较薄，当 然必须通过计算确保内层厚度足够。优化 玻璃面板的厚度并不仅仅意味着减小面板 厚度，而是使面板厚度与可以预期的各种 物理现象相匹配。
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§2.1 玻璃面板
（6）防火玻璃
预应力或半钢化的硼硅酸盐玻璃能够维持其完整性大于或等于2个小时。硼硅酸 盐玻璃是一种含有至少5%氧化硼的硅酸盐玻璃,它的热膨胀系数约为碳钙玻璃的1/3 ，因而具有较强的抵抗热变能力。钢化玻璃的多层层状结构和纳硅酸盐层，或聚合 凝胶层也会导致极佳的抗火性能。 按结构分类，防火玻璃可分为复合防火玻璃（FFB）和单片防火玻璃 （DFB）。FFB是由两层或两层以上玻璃复合而成,或由一层玻璃和有机材料复合 而成，并满足相应耐火等级要求的特种玻璃。DFB是由单层玻璃构成，并满足相 应耐火等级要求的特种玻璃。 按其耐火性能，防火玻璃可分为A、B、C三类： A类防火玻璃：同时满足耐火完整性、耐火隔热性要求的防火玻璃； B类防火玻璃：同时满足耐火完整性、热辐射强度要求的防火玻璃； C类防火玻璃：满足耐火完整性要求的防火玻璃。
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§2.1 玻璃面板
A、B、C三类防火玻璃按耐火等级可分别分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，其耐火 性能应分别符合下表的规定。 A类防火玻璃的耐火性能（耐火完整性、耐火隔热性） 耐火等级 耐火时间， ≥1min Ⅰ级 90 Ⅱ级 60 Ⅲ级 45 Ⅳ级 30
B类防火玻璃的耐火性能（耐火完整性、热辐射强度） 耐火等级 耐火时间， ≥1min Ⅰ级 90 Ⅱ级 60 Ⅲ级 45 Ⅳ级 30
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§2.1 玻璃面板
C类防火玻璃的耐火性能（耐火完整性） 耐火等级 耐火时间， ≥1min Ⅰ级 90 Ⅱ级 60 Ⅲ级 45 Ⅳ级 30
制造防火玻璃可选用普通平板玻璃、浮法玻璃、钢化玻璃等材料作原片，复
合 防火玻璃也可选用单片防火玻璃作原片。
（7）磨沙玻璃
磨沙是在玻璃表面纹刻的另一种方法。玻璃表面的打磨通过由蒸汽、空气 或水喷射沙流实现。磨沙玻璃通常用作为需要在表面采取防滑措施的路面楼 面等的玻璃铺板。磨沙工艺一般会使玻璃强度降低40%左右。
（8）陶釉玻璃
上釉的关键是在620～650℃的温度将陶瓷墨水融化在玻璃表面。玻璃的 轻微软化产生了一个融化结合层，冷却后可形成非常坚硬的釉面。陶釉玻璃 产品是钢化玻璃。然而，上釉工艺大约使玻璃的强度降低40%左右。
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§2.1 玻璃面板
（9）弯曲玻璃 ① 热弯玻璃
热弯玻璃的弯曲是建立在将玻璃的加热控制在玻璃软化的温度点上的，即 玻璃从固体转化为“软化”状态的温度点640oC左右。通过放置或压制“面团” 状态的玻璃可以形成不同形状的弯曲玻璃，弯曲后的玻璃可以正常冷却或通过 其他工艺产生预应力。建筑和结构上采用的许多玻璃可以被弯曲，最大可弯曲 的玻璃厚度可达10mm，最小弯曲半径可至150mm（与玻璃厚度有关）。夹层玻璃 的弯曲需要特殊工艺。
② 冷弯玻璃
冷弯玻璃是指在环境温度下通过固定架和外力作用被弯曲并最终固定在 结构物上的单片或夹层钢化玻璃。由于钢化过程使玻璃存在预应力，完全有 可能在钢化玻璃的冷弯曲过程结束后在玻璃表面不产生拉应力。玻璃片越薄 ，可达到的弯曲半径越小。由于冷弯改变了玻璃的初始应力分布，使玻璃的 承载能力明显减小。克服这一问题的方法是采用多于一片的夹层玻璃来承受
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§2.1 玻璃面板
单片玻璃的荷载。夹层玻璃中内夹层PVB的特殊性能使得其既能牢固连接两个单片玻 璃来承受外部荷载作用，其柔度又足以容许连接其上的各单片玻璃被冷弯曲。
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§2.2 铝合金材料
铝合金是玻璃幕墙的主要材料，尤其是在明框玻璃幕墙、隐框玻璃幕墙、单元式 幕墙中。目前使用的主要是30号锻铝（6061）和31号锻铝（6063、6063A）经高温挤 压成型、快速冷却并人工时效（T5）[或经固溶热处理（T6）]状态的型材，经阳极 氧化或涂漆、粉末喷涂、氟碳化喷涂表面处理。
1、铝合金材料的基础状态定义
代号 F O H 名称 自由加工状态 退火状态 加工硬化状态 热处理状态 （不同于F、O、H状态） 说明与应用 适用于在成型过程中，对于加工硬化和热处理条件 无特殊要求的产品，该状态产品的力学性能不作规 定 适用于经完全退火获得最低强度的加工产品 适用于通过加工硬化提高强度的产品，产品在加工 硬化后可经过（也可不经过）使强度有所降低的附
加热处理 适用于热处理后，经过（或不经过）加工硬化达到 稳定状态的产品
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§2.2 铝合金材料
2、铝合金材料的物理性能
下表列出了室温条件下铝材的主要物理性能与钢材和不锈钢的比较。
物理 性能 材 料 铝 2700 658 24e-6 65800 钢 7850 1450-1530 12e-6 206000 不锈钢 7900 1450 17.3e-6 206000
平均密度（kg/m3） 熔点（0C） 线膨胀系数（0C-1） 弹性模量（Nmm-2）
由上表可以看出： ① 铝的密度近似地为钢密度的1/3（在不同的合金中，其密度在2600～2800kg/m3 之间变化）。 ② 铝的弹性模量也近似地为钢的1/3（在不同的合金中，其弹性模量在68500～ 74500N/mm2之间变化），因而，变形和稳定问题显得更为重要。 ③ 铝的热胀系数是钢的2倍（在不同的合金中，其热胀系数在19e-6～25e-6之间 变化）。这就意味着结构对温度变化更敏感，因而，当它不受约束时，会有较
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§2.2 铝合金材料
大的变形。这一事实必须在设计支承装置时加以考虑。
3、铝合金材料的力学性能
铝合金的主要力学性能可以由拉力试验得出。拉伸过程的应力—应变曲线没有明显 的屈服点，大致可以划分成：①线弹性部分直至比例极限应力σp（ σp为拉伸过程 中应力与应变保持正比例关系的最大应力，一般为与0.01%残余应变相对应的应 力）；②非线性部分；③应变硬化部分三个区域。通常把与0.2%残余应变相对应的 应力σ0.2假设为超出材料弹性阶段的应力。在结构计算中，与钢材的屈服应力具有 同样的意义。
应力（ ）
0 0.2
应变（％）
铝合金型材6063的σ − ε 曲线
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§2.4 不锈钢材料
不锈钢是在钢中加入了一定比例的铬、镍等。由于铬的化学性质比较活泼， 铬首先与环境中的氧化合，生成一层与钢基体牢固结合的紧密的氧化膜层，使内 部的钢不致生锈。 我国不锈钢国家标准如《不锈钢棒》（GB/T1220）、《不锈钢冷轧钢板》 （GB/T3280）等都列出了各种牌号不锈钢的化学成分和力学性能（包括屈服强度、 抗拉强度、伸长率和收缩率等）。从所列的力学性能指标，可以看出不锈钢具有 较高的强度和较好的塑性变形能力，可以用于点支式玻璃中的拉杆、拉索、支承 结构和连接件。 由于我国尚未制订不锈钢结构设计规范，关于受力构件中不锈钢材料强度设 计值的研究很少，在一定程度上影响了不锈钢的使用。《玻璃幕墙工程技术规范》 规定不锈钢材料的抗拉、抗压强度设计值应按其屈服强度标准值除以系数1.15采 用，其抗剪强度设计值可按其抗拉强度设计值的0.58倍采用。
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§2.5 胶
玻璃幕墙结构中使用的
密封胶有结构密封胶、建筑密封胶（耐候胶）、防火密封 胶等。密封胶的主要成分是二氧化硅。硅酮密封胶的主要原料——硅油是用河沙经 过多道工序加工后得到的，其分子式中含有6个硅氧键。由于紫外线不能破坏硅氧 键，所以硅酮密封胶具有良好的抗紫外线性能，其物理性能很稳定。
1、工作原理
① 胶接原理
结构胶接是指能传递较大静、动荷载，并在使用环境中长期可靠工作的结构 件的胶接技术。 在胶接面上，结构胶主要是依靠表面的化学力和机械咬合力将两个被粘结物 胶接在一起的。 (a)化学力主要是依靠胶粘剂对被粘物表面的湿润，并且取代表面上可能存在 的吸附物，这是产生粘附力的前提条件。如果湿润不充分、不完全就可能造成粘 附强度低，甚至缺胶，从而导致胶结强度和耐久性下降。 (b)机械咬合作用是指胶粘剂渗入到基材表面的凹坑、孔隙中，而形成钉、钩、
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§2.5 胶
锚等机械咬合作用。如图所示，表面突出的 “须状结构”可增强胶粘剂对基体的机械咬合作用。
② 固化原理
须状结构
单组分结构密封胶靠吸收空气中水分而固化，它要求周围环境温度不低于 23℃，相对湿度为不少于70%，否则会影响固化速度，甚至不能完全固化， 影响胶缝强度。双组分结构密封胶包装形态为基胶和固化剂分别放置，在 施工前要用调胶机按一定比例混合均匀，由基胶和固化剂接触而固化，从 而达到胶的强度。
2、物理力学参数
① 抗拉强度 ② 撕裂强度 ③ 弹性模量 ④ 硬度 ⑤ 恢复能力
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本章总结
§2.1 玻璃面板 §2.2 铝合金型材 §2.3 建筑钢材（与钢结构用钢一致）
worse
§2.4 不锈钢 §2.5 胶
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同济大学《建筑玻璃幕墙结构》
谢谢聆听!