Lepené spoje u skleněných konstrukcí

1. Úvod

Sklo v současné architektuře nabývá stále většího významu. Z materiálu, jehož výroba sebou původně přinášela příliš vysoké náklady, se postupně stala neodmyslitelná součást moderních staveb. Dnes je již běžnou praxí, že sklo je majoritní položkou při výstavbě, která obvykle plní tepelnou, akustickou, dělicí, nebo i nosnou funkci.

Navzdory progresivnímu výzkumu v oblasti materiálových vlastností skla a chování konstrukčních prvků, kterého bylo dosaženo v posledních letech, stále postupující vývoj a měnící se architektonické požadavky staví projektanty a inženýry před nové technické výzvy. Nejvýznamnějším problémem je u nosných konstrukcí ze skla křehký lom.

Křehké materiály nepodléhají plastickému přetváření. To má za následek, že jejich porušení je náhlé a bez předchozích viditelných varování. Pokud se ve skleněné konstrukci vytvoří špička pole napětí, nedojde v tomto místě ke vzniku plastické oblasti a následné redistribuci napětí, jako je tomu například u oceli, ale dojde zde přímo ke křehkému lomu skla. Z toho důvodu je u skleněných konstrukcí nutné věnovat maximální pozornost zejména spojům a jednotlivým detailům.

a)

b)

Obr. 1: Celoskleněná konstrukce zastřešení historických nádob pro zkapalněné helium, IFW Drážďany

1.1 Spoje skleněných prvků

Budeme-li sledovat aktuální trendy v architektuře, zjistíme, že se stále více zaměřují na vizuální dopad spojů na skleněnou konstrukci [1]. I proto vývoj směřuje především k lepeným spojům, které mohou být, stejně jako samotné sklo, transparentní, a které vytvářejí dojem spojitosti konstrukce (viz obr. 1) [2].

Lepené spoje do jisté míry omezují vznik špiček napětí ve skle, a pokud má vrstva lepidla duktilní chování, umožňuje redistribuci napětí na rozhraní mezi jednotlivými spojovanými prvky. Bohužel značnou nevýhodou lepených spojů může být nízká odolnost lepidel proti zvyšující se teplotě, nebo nízká životnost při vystavení UV záření či běžným povětrnostním podmínkám.

Je zřejmé, že nelze výhody a nevýhody lepených spojů jednoduše zobecnit, protože jejich vlastnosti závisí především na vlastnostech lepidel, které mohou být značně rozdílné.

Druhým tradičnějším způsobem spojování jsou mechanické spoje. Šroubované spoje jsou typické vznikem špiček napětí v místě kontaktu šroubu a skleněného prvku, proto je nezbytné vložit do otvoru pružnou vložku, která zajistí plynulejší přenos napětí mezi ocelí a sklem [3]. Další nevýhodou je nutnost předvrtání otvoru. Pokud se jedná například o tvrzené sklo, je potřeba otvor vyvrtat již před vytvrzením, protože při pokusu provrtat tvrzené sklo, dojde k porušení celé skleněné desky.

Nespornou výhodou šroubových spojů však je, že lépe vzdorují vyšším teplotám, UV záření či vlhkosti než lepené spoje. Z toho důvodu můžeme nalézt i kombinaci obou spojů, tedy lepené spoje, které jsou navíc zajištěny šrouby, sloužícími ke zvýšení spolehlivosti konstrukce.

Na obr. 2 je celoskleněná konstrukce s nosným polorámem, která byla realizována v rámci přestavby Staroměstské brány v Praze v roce 2023. Součástí této konstrukce je i rámový roh, který je tvořen transparentním lepeným spojem, doplněným o šroubový spoj. Detail tohoto spoje je zobrazen na obrázku vpravo.

Obr. 2: Realizace celoskleněné konstrukce s nosným polorámem, Staroměstská brána v Praze

2. Povrchové vlastnosti skla ovlivňující lepené spoje

Únosnost lepených spojů je značnou měrou ovlivněna i vlastnostmi spojovaných ploch, které mají dopady na adhezi lepidla k povrchu spojovaného materiálu. Jednou z nich je volná povrchová energie.

Volná povrchová energie materiálu má vliv na smáčivost kapalin umístěných na jeho povrch. Čím vyšší je povrchová energie pevné látky, nižší povrchová energie kapaliny a nižší volná energie rozhraní, tím lepší je smáčivost kapaliny na povrchu pevné látky, a tím nižší je jejich kontaktní úhel [4]. U kapalin s nízkým povrchovým napětím, které lépe smáčí pevné látky, navíc stoupá vliv drsnosti povrchu na únosnost lepeného spoje [5].

Je zřejmé, že lepidlo, které lépe vyplní všechny nerovnosti a póry na povrchu skla (viz obr. 3 a), bude tvořit spoj s vyšší únosností. Zároveň platí, že na únosnost takového spoje bude mít vliv i množství těchto nepravidelností, protože k čím většímu povrchu lepidlo přilne, tím vyšší bude únosnost spoje. Pokud naopak užijeme lepidlo, které sklo příliš nesmáčí, a kterým nebudou vyplněny jednotlivé póry (viz obr. 3 b), potom drsnost nebude mít zásadní vliv na celkovou únosnost spoje.

Obr. 3: Smáčivost povrchu skla: a) dobrá smáčivost – menší kontaktní úhel, b) špatná smáčivost – velký kontaktní úhel

2.1 Povrchové vlastnosti ovlivněné procesem výroby skla

Výroba stavebního skla dnes probíhá převážně kontinuálním procesem plavení. Základní surovina (SiO2) je smíšena s tavivy (CaO, Na2O) a vzniklá směs je roztavena ve sklářské peci při 1600 °C. Vzniklá sklovina se rozlévá na hladinu roztaveného cínu, kde díky vysoké hustotě cínu utvoří jednolitou vrstvu. Aby bylo dosaženo co nejvyšší kvality vyrobeného skla, zmíněný proces probíhá v ochranné atmosféře. Tak je dosaženo vysoké přesnosti v tloušťce skleněné desky, kvality, vynikající rovinnosti a lesku skla [6].

Zároveň kvůli procesu plavení na každé tabuli plaveného skla vznikají dva povrchy, tak zvaná „vzdušná“ a „cínová“ strana, které se liší svým chemickým složením.

Bylo zjištěno, že vzdušná strana se vyznačuje zvýšeným výskytem reaktivních silanolových skupin (SiOH) a zároveň většina hydroxylových skupin (OH) na této straně je obsažena právě uvnitř silanolových skupin. Silanoly hrají svou roli v organické adsorpci a umožňují úpravu vlastností povrchu pomocí silanů a alkoholů [2].

Oproti tomu na cínové straně byl zjištěn vyšší výskyt atomů sodíku. Sodík může zpětně ionizovat již neutrální ionty helia, které jsou rozptýleny v hlubších vrstvách vzorku. To vede ke snížení energie potřebné k oddělení elektronu od povrchu, tak zvanému snížení pracovní funkce plochy [7].

Obsah hydroxylových skupin na povrchu má vliv na volnou povrchovou energii skla. Zvýšený obsah hydroxylů na vzdušné straně vede k vyšší povrchové energii, a to se projeví zmenšením kontaktního úhlu kapalin na vzdušné straně. Kapaliny na vzdušné straně tedy obecně smáčejí sklo lépe než na straně cínové.

Odlišení cínové a vzdušné strany není složité, protože obě strany jsou rozlišitelné pod ultra fialovým zářením. Pod UV světlem by se vzdušná strana měla jevit čirá, oproti tomu u cínové strany je možné zahlédnou drobné ojínění. [8]

Na chemismus povrchu skla má kromě výroby vliv i mnoho dalších jevů v průběhu celé životnosti výrobku. Sledovat nepřetržitě od výroby až po zabudování do konstrukce všechny vlastnosti okolního prostředí jako je teplota, vlhkost, způsob skladování apod. není možné. Nelze tedy přesně určit vliv působení okolního prostředí na finální vlastnosti skla a pro účely této práce bude tento vliv zanedbán.

3. Provedené zkoušky a jejich výsledky

V průběhu roku 2021 byly provedeny pilotní zkoušky transparentních lepidel s cílem vybrat vhodná lepidla pro spoje skleněných konstrukcí, která budou mít nejen dostatečnou únosnost, ale budou odolná vůči stárnutí působením okolního prostředí. Stárnutí lepidel, v závislosti na jejich chemickém složení, ovlivňuje nejen mechanické vlastnosti, ale i jejich vzhled [9].

Životnost lepidel byla experimentálně ověřena pomocí laboratorního (urychleného) stárnutí. Během tohoto procesu byla zkušební tělesa vystavena několika opakovaným cyklům změn teploty a vlhkosti, po nichž následovalo ozařování UV světlem. U některých transparentních lepidel došlo vlivem stárnutí k výraznému zežloutnutí, nebo rozlepení spoje. Zkušební tělesa, která odolala zatěžovacím cyklům bez viditelných změn, vykazovala výrazné snížení únosnosti oproti vzorkům, které nebyly vystaveny procesu stárnutí.

Na základě výsledků těchto pilotních experimentů bylo vybráno transparentní lepidlo LOCTITE® EA 9455, které bylo použito v navazujících experimentech. Následně byl výzkum rozšířen z hlediska povrchových vlastností skla o vliv drsnosti a volné povrchové energie na únosnost jednostřižného spoje sklo-sklo, přičemž byla rozlišována cínová a vzdušná strana skleněné tabule [2].

Nejprve byla provedena dynamicko-mechanická tepelná analýza (DMTA) [10, 11] vybraného lepidla LOCTITE® EA 9455. Obdélníkové vzorky o rozměrech 60×10×2 mm3 byly zatěžovány dvoubodovým ohybem (ohybem na konzole) cyklickou silou s amplitudou 1N. Zároveň byl vzorek zahříván rychlostí +3 °C/min.

Obr. 4: Kumulativní modul pružnosti získaný z dynamicko-mechanické teplotní analýzy (DMTA) [2]

Obr. 5: Zkušební těleso pro tahovou zkoušku

Obr. 6: Pracovní diagramy lepidla získané z tahové zkoušky [2]

Výstupem z DMTA jsou hodnoty kumulativního modulu pružnosti, zobrazené na obr. 4. Zřetelná je zde oblast skelného přechodu, ve které dochází k přechodu lepidla ze skelné fáze do fáze kaučukovité. Tato oblast se vyznačuje značným poklesem modulu pružnosti v závislosti na teplotě a z této změny pak lze určit i teplotu skelného přechodu Tg, která je u tohoto lepidla +36 °C. Při teplotě nižší než Tg je polymer tuhý a pevný, při teplotě nad Tg je naopak měkký a ohebný.

Pak byla provedena tahová zkouška na vzorcích lepidla (viz obr. 5) [10, 11]. Tahová zkouška byla realizována při pokojové teplotě (23 °C) a při zvýšené teplotě 40, 60 a 80 °C a jejím výstupem byly tahové pracovní diagramy lepidla zobrazené na obr. 6. Z pracovních diagramů je zřetelná závislost tahové meze pevnosti a tahového mezního přetvoření na teplotě.

Pro vzdušnou i cínovou stranu skleněných destiček byla provedena měření drsnosti povrchu. Vzdušná strana skla se oproti cínové obecně vyznačuje vyšší naměřenou drsností povrchu, což je důsledek použité technologie výroby skla plavením. Následně byl pro tři různé kapaliny opticky změřen kontaktní úhel zvlášť pro cínovou a vzdušnou stranu. Z porovnání na obr. 7 vyplývá, že kapka vody umístěná na vzdušné straně smáčí sklo lépe, než kapka vody umístěná na cínové straně (má nižší kontaktní úhel). Stejného výsledku bylo dosaženo i pro jiné zkoušené kapaliny.

Z výsledků zkoušek smáčivosti a drsnosti skla lze usuzovat na lepší adhezi lepidla ke vzdušné straně a v důsledku toho i na větší únosnost spoje lepeného na vzdušných stranách skleněných tabulí.

a)

b)

Obr. 7: Smáčivost vody na povrchu skla, a) na vzdušné straně, b) na cínové straně [2]

Tento předpoklad byl ověřen smykovými zkouškami jednostřižných spojů. Zkušební tělesa byla tvořena ze dvou destiček plaveného skla o rozměrech 50×50×19 mm3, které k sobě byly přiloženy s přesahem 12 mm. Obě destičky pak byly spojeny transparentním lepidlem LOCTITE® EA 9455, čímž vznikl jednostřižný spoj 50×12 mm2, viz obr. 8. Smykové zkoušky byly provedeny pro dvě sady zkušebních vzorků, kde v první sadě byl lepený spoj proveden na vzdušné straně a ve druhé pak na straně cínové. Obě sady byly testovány při pokojové teplotě a při 40, 60 a 80 °C.

Na základě vyhodnocení experimentů lze konstatovat, že zvyšující se teplota výrazně ovlivňuje únosnost spoje. Ze závislosti napětí na relativní deformaci (obr. 9) je zřetelný pokles smykové únosnosti spoje při překročení teploty skelného přechodu Tg mezi pokojovou teplotou a 40 °C. Se zvyšující se teplotou rovněž dochází ke snižování mezního protažení. Zároveň výsledky prokazují rozdílnou únosnost spoje ve smyku pro vzdušnou a cínovou stranu, viz obr. 10.

Lepený spoj o tloušťce 1 mm
Ocelový přípravek pro fixaci skleněných vzorků
Pružné podložky
Skleněné vzorky
Kluzný spoj umožňující podélný posun

Obr. 8: Uspořádání smykové zkoušky [2]

Obr. 9: Výsledky smykové zkoušky pro spoj provedený na vzdušné straně [2]

Obr. 10: Porovnáni průměrných smykových pevností spojů provedených na vzdušné a cínové straně [2]

4. Závěr

Z výsledků experimentů je zřetelný vliv zvyšující se teploty na pevnost spojů. Pro testované lepidlo LOCTITE® EA 9455 byl ve spoji sklo-sklo zaznamenán pokles pevnosti smykového spoje při teplotách blížících se teplotě skelného přechodu Tg, a to o celý řád. Pokles pevnosti je navíc doprovázen výrazným poklesem tuhosti. Další zvýšení teploty se pak projeví poklesem mezního přetvoření a dalším pozvolnějším poklesem celkové pevnosti spoje.

Lepené spoje vyrobené pomocí výše uvedeného lepidla je tedy možné použít pouze ve vnitřních prostorách, kde je zajištěno, že teplota nedosáhne 36 °C. To sebou nese zvýšené nároky na technická zařízení budov a s tím spojené dodatečné náklady na realizaci stavby. Další možností je výběr lepidla s vyšší teplotou skelného přechodu.

Výsledky zkoušek také prokázaly nezanedbatelnost vlivu rozdílných vlastností cínové a vzdušné strany skla. Pevnost lepených spojů provedených na vzdušné straně byla až o 17 % vyšší než na cínové straně [2]. Tento rozdíl je možné vysvětlit díky různému obsahu hydroxylových skupin na každé straně, protože ty hrají důležitou roli v charakteristikách povrchu skla. Rozdílné vlastnosti cínové a vzdušné strany ovlivnily i typický tvar porušení. Zatímco v případě cínové strany došlo ve všech případech k typickému adheznímu porušení, na straně vzdušné šlo o kombinované adhezně-kohezní porušení pro všechny zkoušené teploty [2].

Při realizaci lepeného spoje je nejdůležitější součástí výběr správného lepidla. Je komplikované skloubit požadavky na pevnost, transparentní vzhled lepidla a odolnost proti UV záření, či povětrnostním vlivům. Realizace lepených spojů navíc může být znepříjemněna nízkou viskozitou lepidla, která značně ztěžuje práci s ním.

Nicméně překonání všech těchto obtíží vede k odvážným realizacím, které dokáží uchvátit svým transparentním a velkorysým vzhledem, a které mají své místo nejen v současné, ale i budoucí architektuře.

Oznámení

Tento výzkum vznikl za podpory grantu GAČR č. 23-06016S „Povrchová úprava skla a její vliv na spolehlivost lepených spojů pro skleněné konstrukce za zvýšené teploty“ a za přispění studentské grantové soutěže SGS22/144/OHK1/3T/11.

Reference

Bedon, Chiara a Manuel Santarsiero: Transparency in Structural Glass Systems Via Mechanical, Adhesive, and Laminated Connections – Existing Research and Developments. Advanced Engineering Materials, 20(5):1700815, květen 2018, ISSN 1438-1656, 1527-2648.
Boutar, Yasmina, Martina Eliášová, Petra Tichá a Marketa Zikmundová: Assessment of the mechanical behavior of bonded glass-to-glass transparent epoxy adhesive joint at elevated temperatures for load-bearing elements. International Journal of Adhesion and Adhesives, 127:103526, říjen 2023, ISSN 01437496.
da Silva, Lucas Filipe Martins a Andreas Öchsner: Modeling of adhesively bonded joints. Springer, Berlin, 2008, ISBN 978-3-540-79055-6.
Owens, D. K. a R. C. Wendt: Estimation of the surface free energy of polymers. Journal of Applied Polymer Science, 13(8):1741–1747, srpen 1969, ISSN 0021-8995, 1097-4628.
Naat, Nidhal, Yasmina Boutar, Sami Naïmi, Salah Mezlini a Lucas Filipe Martins Da Silva: Effect of surface texture on the mechanical performance of bonded joints: a review. The Journal of Adhesion, 99(2):166–258, leden 2023, ISSN 0021-8464, 1545-5823.
Bouška, Petr, Tomáš Bittner, Martina Eliášová, Miroslav Špaček, Miroslav Vokáč a Tomáš Mandlík: Flexural Strength of Float Glass. V Applied Methods of the Analysis of Static and Dynamic Loads of Structures and Machines, svazek 732 z Applied Mechanics and Materials, strany 341–344. Trans Tech Publications Ltd, duben 2015.
Tuleta, M.: Effect of Argon Plasma on the Float Glass Surface. Acta Physica Polonica A, 120(1):91–93, červenec 2011, ISSN 0587-4246, 1898-794X.
ASTM International: D 3891–96 Standard Practice for Preparation of Glass Panels for Testing Paint, Varnish, Lacquer, and Related Products, 2002.
Zikmundová, Markéta a Martina Eliášová: Small-Scale Test of Transparent Adhesives in Glass Structures under Shear Stress and Their Ageing Resistance. International Journal of Structural Glass and Advanced Materials Research, 6(1):1–7, leden 2022, ISSN 2616-4507.
Český normalizační institut: ČSN EN ISO 527-1: Plasty – Stanovení tahových vlastností – Část 1: Obecné principy, duben 2020. Norma.
Český normalizační institut: ČSN EN ISO 527-2: Plasty – Stanovení tahových vlastností – Část 2: Zkušební podmínky pro tvářené plasty, říjen 2012. Norma.