武 岳，葉瑾瑜，徐 旺，李宗晟

（1.哈爾濱工業(yè)大學 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000；4.華潤深圳灣發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518054；5.日本中興化成工業(yè)株式會社，東京107－0052）

建筑用織物膜材是由基層、涂層和面層復(fù)合而成的高分子復(fù)合材料.目前工程中常用的織物膜材主要有兩類，一類是以聚酯纖維織物為基層，聚氯乙烯（PVC）為面層，通常稱為PVC 膜材；另一類是以玻璃纖維織物為基層，聚四氟乙烯（PTFE）為面層，通常稱為PTFE 膜材.前者的設(shè)計使用壽命約為15a，后者為25a.從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，要求膜材的性能和外觀在設(shè)計使用年限內(nèi)能夠保持基本穩(wěn)定.但是由于建筑膜材屬于聚合物復(fù)合材料，在光、熱、臭氧、溫濕度等因素的影響下，必然會出現(xiàn)老化現(xiàn)象［1］，因此對膜材性能受環(huán)境因素影響的變化規(guī)律進行研究，從而在設(shè)計階段預(yù)先考慮這種不利因素就顯得十分重要.

1 建筑膜材的耐候性研究現(xiàn)狀

對于建筑膜材的耐候性問題，國內(nèi)外學者已開展了一些研究工作.譚志樂［2］對ePTFE 和PVC 膜材進行了熱、濕、光作用下的加速老化試驗，發(fā)現(xiàn)2種膜材均能較好地抵抗紫外線作用，但對熱、濕作用敏感.Toyada等［3］采用室外暴露試驗和人工加速老化試驗研究了PVC膜材和PTFE膜材的耐候性，并通過拉伸強度測試和SEM 表面觀察評定了2種膜材的耐候性能，建立了兩者之間的聯(lián)系.小川華子等［4］對PTFE膜材進行了20a的耐候性跟蹤測試，得出經(jīng)過20a自然暴露試驗后，PTFE 膜材的拉伸強度約有80%保持率的結(jié)論.Razak等［5］在熱帶濕熱環(huán)境條件下對PTFE和PVC膜材進行了為期2a的室外暴露試驗，通過對膜材表面性能的評定，證明了經(jīng)過特殊表面處理的PVC 膜材和PTFE 膜材具有更好的耐候性能.Polfus［6］在不同地區(qū)對PVC 膜材進行了自然老化試驗，研究發(fā)現(xiàn)高溫高濕、長時間光照以及工業(yè)污染均是導致PVC 涂層織物性能下降的原因.

從以上介紹可以看出，以往的研究主要集中在人工老化試驗以及熱濕環(huán)境下的自然暴露試驗方面，專門針對寒冷地區(qū)膜材耐候性能的研究較少.為探究PTFE膜材在寒冷氣候條件下的力學性能變化規(guī)律，本文對PTFE 膜材進行了為期7a的寒冷地區(qū)室外暴露試驗，分別測試了自然暴露1，2，4，7a的PTFE 膜材拉伸強度和撕裂強度，并擬合出這2個強度指標隨時間的變化曲線，為PTFE 膜材在寒冷地區(qū)的使用壽命預(yù)測提供參考.

2 PTFE膜材的暴露試驗

2.1 暴露場地氣候情況

試驗在黑龍江省哈爾濱市某建筑樓頂進行，起始時間為2006年12月.哈爾濱屬寒溫帶氣候，冬季長夏季短，氣候嚴寒，該地區(qū)近10a的四季平均氣溫及平均降水量情況如表1［7］所示.

表1 哈爾濱近10a的平均氣溫及降水量Table 1 Weather data of exposure location in recent 10a［7］

2.2 暴露試驗方法

根據(jù)日本工業(yè)標準JIS A1410［8］和國家標準GB／T 3681—2000［9］的要求，暴露試驗應(yīng)遠離工業(yè)區(qū)、污染等復(fù)雜有害環(huán)境因素的影響，選擇開闊無遮擋的場地.本試驗暴露場所地處哈爾濱市開發(fā)區(qū)，樓頂視野開闊，周圍無高大建筑物，無遮擋無障礙，滿足暴露試驗場所要求的條件.試驗?zāi)げ倪x用日本中興化成工業(yè)株式會社的SKYTOP FGT－800型PTFE膜材，材料出廠性能指標如表2所示.

表2 PTFE膜材的出廠性能指標Table 2 Properties of PTFE membrane material product

試驗?zāi)げ墓?片，每片長1.5m，寬1.2m，安裝在由角鋼制成的試驗支架上.6片膜材均取自同一生產(chǎn)批次.試驗支架均朝正南方向固定，支架傾斜角θ按下式確定［10］：

式中：γ為試驗地緯度.哈爾濱地區(qū)位于北緯45°，根據(jù)式（1）確定試驗支架的傾斜角為35°.如此可以獲得最大的年太陽輻射總量，同時也可使積雪自然滑落，避免膜材在冬季長期被積雪覆蓋.

2.3 暴露試驗過程

按照計劃，自然暴露試驗自2006年12月開始，共進行10a，取樣時間分別為1，2，4，7，10a.目前已完成前4次取樣工作，對暴露1a（2007年12 月取樣）、2a（2008 年12 月取樣）、4a（2009 年12 月 取樣）和7a（2013年12月取樣）的膜材樣本進行拉伸強度和撕裂強度測試后，將所得結(jié)果與出廠數(shù)據(jù)進行對比.

3 PTFE膜材的拉伸性能測試

3.1 試驗方法

衡量材料拉伸性能的指標有拉伸斷裂強度Pf和斷裂延伸率εf，由于測試結(jié)果的離散性，結(jié)果通常取多組試件測試結(jié)果的算術(shù)平均值.斷裂延伸率εf的定義為：

式中：Lt為任意時間下試件的夾持間距；L0為初始時刻試件的夾持間距.

建筑膜材的拉伸強度測試方法目前國際上尚無統(tǒng)一標準，各國常用的標準有ISO 1421，英國的BS3424，德國的DIN53354，日本的JIS L1096［10］等.本文參照JIS L1096標準進行PTFE 膜材的單軸拉伸強度測試.

3.2 試驗夾具

考慮到PTFE 膜材硬度較高，表面較光滑，如果采用夾持式夾具易出現(xiàn)膜材試件在夾持端滑移、破壞的情形.為解決上述問題，本試驗采用了基于自鎖原理的纏繞式夾具，如圖1所示.通過夾具中纏繞滾軸的相對運動來實現(xiàn)對膜材拉伸試件的固定，有效消除了試件在夾持端的滑移和破壞現(xiàn)象.

圖1 拉伸測試用纏繞式夾具Fig.1 Roller clamps for tensile test

3.3 試件制作

較常使用的試件制作方法有拆紗條樣法和切割條樣法［11］.本文試驗采用切割條樣法.試件呈矩形長條帶，寬度（30.0±0.5）mm，長度（800.0±1.0）mm，初始標距取200.0mm.沿試件長度方向，從中點向兩側(cè)各畫1條間距為100.0mm 的基準線，用于斷裂延伸率及試件應(yīng)變測量.試件尺寸如圖2所示.每次取樣后選取合適部位制作經(jīng)緯向各5條試件，分別進行單軸拉伸強度試驗.

圖2 膜材拉伸試件尺寸Fig.2 Dimension of specimen for tensile test（size：mm）

3.4 試驗過程

試驗采用德國產(chǎn)Zwick／Roell Z010萬能材料試驗機，考慮到PTFE膜材的拉伸強度及精度要求，安裝量程為10kN，精度為0.5%的力傳感器及夾持式大變形光柵引伸計，其最大引伸位移可達200mm，能充分滿足試驗要求.試驗加載速率為200mm／min，加載至試件斷裂.

3.5 拉伸試驗結(jié)果分析

圖3 為2007 年，2008 年，2010 年，2013 年（即試件自然暴露1，2，4，7a）試件的平均拉伸荷載－位移曲線；其具體測試數(shù)據(jù)見表3.

圖3 2007年～2013年P(guān)TFE膜材拉伸荷載－位移曲線Fig.3 Tensile load－displacement curves of PTFE membrane material（2007－2013）

表3 暴露不同時間的PTFE膜材拉伸測試結(jié)果Table 3 Tensile test results of PTFE membrane material for different exposure duration

通過對全部試件曲線的研究分析，可以大致得出該材料在拉力作用下的受力過程分為3 個階段［12］：（1）拉力在0%～20%拉伸斷裂強度之間，此階段基層和涂層共同受力；（2）超過拉伸斷裂強度20%后，涂層開始出現(xiàn)斷裂及與基層剝離等破壞現(xiàn)象而逐漸退出工作；（3）拉力超過拉伸斷裂強度60%，此時涂層完全失效，拉力由基層承受，基層拉伸斷裂強度即為試件的最終拉伸強度.

結(jié)合圖3和表3可以看出，材料經(jīng)緯向拉伸荷載－位移曲線的不同主要存在于第一、二受力階段，說明暴露過程中膜材試件的涂層首先受到環(huán)境影響.Eichert［13］通過對不同涂層厚度的織物類膜材在紫外線作用下的性能變化進行研究后發(fā)現(xiàn)，脆性的塑料涂層會對材料性能起到相反的作用，并指出材料的長期性能取決于材料的編織方式和涂層的共同作用.考慮到基層材料纖維不同的排列方式，環(huán)境對經(jīng)向試件的影響主要集中于第一受力階段和最終的拉伸強度，對于緯向試件的影響則僅在其最終拉伸強度上.由于工程上關(guān)心的主要是膜材的拉伸強度，故以下主要對拉伸強度進行探討.

為探究在寒地氣候自然暴露環(huán)境下PTFE 膜材拉伸強度隨時間的變化規(guī)律，采用拉伸強度保持率α及拉伸斷裂延伸率保持率β 作為評價參數(shù)：

式中：Pf，n為暴露n 年的膜材拉伸強度；Pf0為原始試件的拉伸強度；εf，n為暴露n 年的膜材斷裂延伸率；εf0為原始試件的斷裂延伸率.

采用最小二乘法對2007年～2013年拉伸試驗結(jié)果進行非線性數(shù)據(jù)擬合.根據(jù)拉伸強度保持率隨時間的變化曲線，分別采用4種函數(shù)對其進行擬合，以衡量樣本回歸線對樣本觀測值擬合程度的可決系數(shù)作為判定依據(jù)，最后決定采用y ＝ax－b這一函數(shù)形式進行擬合.得到PTFE 膜材在哈爾濱地區(qū)自然暴露環(huán)境下拉伸強度保持率的擬合公式如式（5），（6）所示，擬合結(jié)果見圖4.

圖4 膜材拉伸強度保持率擬合曲線Fig.4 Tensile strength retention rate fitting curves of PTFE membrane material

從擬合曲線來看，在綜合環(huán)境因子的影響下，PTFE膜材的經(jīng)向和緯向拉伸強度均隨時間推移而呈下降趨勢，拉伸強度的下降主要集中在膜材試樣暴露的第1 年內(nèi)，之后下降的趨勢不斷變緩.最初1a內(nèi)，經(jīng)向和緯向試件拉伸強度保持率近似相同，隨著時間的推移，1a后，緯向試件的拉伸強度保持率高于經(jīng)向試件.

根據(jù)CECS158：2004《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》可知，一般PTFE膜材的質(zhì)量保證期為10～15a，而采用PTFE膜材的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限通常在25a以上.用式（5），（6）來預(yù)測25a后PTFE 膜材的拉伸強度保持率，可得經(jīng)向為77.83%，緯向為79.20%，與小川華子等［4］指出的暴露20a后的PTFE 膜材拉伸強度保持率為80%這一結(jié)論基本吻合.

采用同樣方法對PTFE 膜材拉伸斷裂延伸率保持率隨時間的變化規(guī)律進行擬合，結(jié)果如圖5所示.通過圖5可以看出：

（1）膜材拉伸斷裂延伸率保持率隨時間變化的離散性較大，總體隨時間呈下降趨勢.

（2）緯向試件的拉伸斷裂延伸率保持率均高于經(jīng)向試件，說明PTFE 膜材在緯向具有良好的變形能力.

（3）對PTFE膜材經(jīng)向和緯向的拉伸斷裂延伸率保持率采用與拉伸強度保持率相同的函數(shù)關(guān)系即y ＝ax－b進行曲線擬合，得到的擬合公式為：

式（7），（8）中：βnwarp和βnweft分別為暴露n 年后的膜材經(jīng)向、緯向拉伸斷裂延伸率保持率.

圖5 膜材拉伸斷裂延伸率保持率擬合曲線Fig.5 Elongation retention rate fitting curves of PTFE membrane material

3.6 不同儲存環(huán)境下拉伸試驗結(jié)果分析

為了驗證寒地自然暴露條件對膜材拉伸強度的影響，本文還進行了室內(nèi)儲存4，7a的PTFE膜材拉伸強度測試.室外暴露和室內(nèi)儲存條件下的PTFE膜材拉伸強度結(jié)果見表4.通過對比可知，同原始試件比較，室內(nèi)儲存和室外暴露4，7a的PTFE膜材的拉伸強度均有下降，但室內(nèi)儲存條件下試件的拉伸強度要明顯高于室外暴露條件下的試件，說明在自然環(huán)境下PTFE膜材的拉伸強度發(fā)生了較大的衰減.

表4 不同環(huán)境條件下PTFE膜材的拉伸強度Table 4 Tensile strength of PTFE membrane material in different environmental conditions

4 PTFE膜材的撕裂性能測試

4.1 試驗方法

目前常采用的膜材撕裂試驗方法有雙舌撕裂法、單舌撕裂法、梯形撕裂法、中心撕裂法等，常用測試標準有英國的BS3424、德國的DIN53356、美國的ASTM4851以及的日本JIS L1096等.英國和德國標準采用的雙舌撕裂法相同，日本和美國標準采用的梯形撕裂法一致.本文采用JIS L1096［10］的梯形撕裂法進行PTFE膜材的撕裂強度測試.

4.2 試驗夾具

試驗采用平板式夾具，由加載連桿、夾具軸承、夾持墊板三部分組成，見圖6.加載連桿為φ8 的圓柱狀鋼桿，與夾具軸承和試驗機機夾頭配合；夾具軸承為一φ10的銷軸，連接2塊夾持墊板，實現(xiàn)可開合功能，以方便操作；夾持墊板與軸承相連，主體部分尺寸為120mm×100mm，夾持墊板上開有5個φ7的螺孔，利用M6螺栓夾緊墊板以提供撕裂試件所需要的夾持力；夾持墊板內(nèi)側(cè)粘貼2塊橡膠片以提高夾持摩擦力［14］.

圖6 撕裂夾具Fig.6 Clamp for tear test

4.3 試件制作

依據(jù)規(guī)范［10］對梯形撕裂法的要求，在長為180.0mm，寬為75.0 mm 的矩形條帶試件上繪制一等腰梯形作為夾持線，梯形的長邊取100.0mm，精確到1.0mm，長邊平行于經(jīng)向的為經(jīng)向試件，長邊平行于緯向的為緯向試件.在梯形短邊沿著與試件受力方向垂直的方向（橫向）裁出一切口作為撕裂起點，切口長度為10.0mm.試件制作圖見圖7.每次取樣后選取合適部位制作經(jīng)、緯向各5條試件分別進行撕裂強度測試.

圖7 撕裂試件制作圖Fig.7 Dimension of specimen for tear test（size：mm）

4.4 試驗過程

由于PTFE膜材撕裂強度較小，為了保證試驗的準確性，采用量程為1kN，測試精度為0.5%的CSS44300電子萬能材料試驗機進行撕裂試驗.試驗開始前，安裝試件，注意上下對中，給螺栓施加足夠的預(yù)緊力以確保撕裂試件在加載過程中不發(fā)生滑移；將撕裂夾具安裝到試驗機夾頭上，保證梯形撕裂試件的短邊張緊，長邊自然彎曲.試驗過程見圖8.

圖8 撕裂試驗過程Fig.8 Tear test process

在加載開始時，梯形撕裂試件短邊切口處先受力，切口附近的縱向纖維承載，隨著加載的進行，能夠承載的纖維不斷增多，荷載不斷向切口遠端的縱向纖維轉(zhuǎn)移，試件的撕裂切口呈三角形（見圖8），縱向纖維被逐根拉斷.由于PTFE 膜材的纖維基布（一般采用經(jīng)緯向紗線正交編織）是主要的受力構(gòu)件，因此在撕裂過程中試件的橫向纖維基本不承受荷載作用.試驗過程中夾持端未發(fā)生滑移現(xiàn)象.

4.5 撕裂試驗結(jié)果分析

PTFE膜材的撕裂荷載－位移曲線為一波動曲線，見圖9.曲線的一系列波峰值代表膜材纖維破斷力，它們的統(tǒng)計值決定了膜材的撕裂強度.取撕裂荷載－位移曲線波峰值的5個極大點（如圖9中五角星所示）的平均值作為一次撕裂試驗的測量結(jié)果.暴露1，2，4，7a的PTFE膜材撕裂試驗結(jié)果見表5.

圖9 撕裂荷載－位移曲線Fig.9 Load－displacement curve of tear test

表5 暴露不同時間的PTFE膜材撕裂試驗結(jié)果Table 5 Tear test results of PTFE membrane material for different exposure duration

由表5可見，PTFE 膜材的經(jīng)向撕裂強度略小于緯向撕裂強度，且緯向撕裂強度保持率除第1年外均大于經(jīng)向撕裂強度保持率.為了探究PTFE 膜材在寒地氣候自然暴露環(huán)境下撕裂強度隨著時間的變化規(guī)律，采用與拉伸強度試驗結(jié)果同樣的分析方法，取撕裂強度保持率λ作為衡量指標：

式中：PR，n為暴露n 年的膜材撕裂強度；PR0為原始試件的撕裂強度.

對PTFE膜材撕裂強度保持率進行了非線性擬合，擬合曲線見圖10.綜合表5 和圖10 可以看出：

（1）經(jīng)、緯向試件的撕裂強度保持率符合形如y＝ax－b的函數(shù)關(guān)系：

圖10 PTFE膜材撕裂強度保持率擬合曲線Fig.10 Tear strength retention rate fitting curves of PTFE membrane material

（2）根據(jù)擬合公式計算PTFE 膜材暴露25a后的撕裂強度保持率分別為：經(jīng)向80.10%，緯向83.09%.可以認為，在寒冷地區(qū)使用的PTFE 膜材能夠在使用壽命內(nèi)保持較好的撕裂強度.

5 結(jié)語

（1）總體來看，PTFE膜材具有較好的經(jīng)年耐候性，除第1年性能衰減較快外，其后隨著時間的增長其性能趨于平穩(wěn).

（2）環(huán)境對膜材的影響目前主要集中在涂層上，而由于涂層對基層的保護作用，使得環(huán)境對材料基層的影響較小.

（3）由所得擬合公式進行預(yù)測，在25a設(shè)計使用壽命內(nèi)，PTFE 膜材的力學性能將降低20%左右，這需要在設(shè)計階段引起注意.

（4）考慮到實際膜結(jié)構(gòu)中的膜材是在一定的張力作用下工作的，而這種張力作用會對膜材內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進而可能影響到膜材的耐久性能，因此還將開展PTFE 膜材在預(yù)張力作用下的經(jīng)年耐候性研究.

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