楊 彬， 嚴玉洪， 李赟婷， 喻澤良

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種重要的建筑結(jié)構(gòu)形式，它具有輕質(zhì)、透光、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點[1].建筑膜材作為膜結(jié)構(gòu)最重要的組成部分，是以高強纖維織物為骨架材料，表面涂覆高性能涂層材料的新一代復(fù)合材料，被譽為建筑界的“第5代建筑材料”[2-3].然而，將膜材作為建筑物的覆蓋材料，會長期受到陽光、雨雪、溫度變化和大氣污染物的影響，導(dǎo)致膜材料的物理力學(xué)性能及美觀性不斷退化，降低膜材料的使用價值,并且會給膜結(jié)構(gòu)建筑帶來潛在的安全隱患[4],影響膜結(jié)構(gòu)建筑的安全性和使用壽命.而對老化膜材展開研究，可以了解膜材老化后的物理力學(xué)性能，并為膜結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的完善提供依據(jù).

近年來，膜材老化對膜材性能的影響已經(jīng)受到了很多研究者的關(guān)注.Berdahl等[5]考慮諸多環(huán)境因素對膜材老化的影響，如陽光、溫度、風(fēng)、濕度、大氣、污染物及微生物生長等，并指出有機物老化的主要原因是光降解.Triki等[6]研究了聚酯基涂層紡織品熱氧老化后的撕裂行為，結(jié)果表明老化會導(dǎo)致膜材撕裂強度降低.陳昭榮等[7]對聚氯乙烯(polyvinyl chloride， PVC)膜材進行了加速老化試驗研究，結(jié)果表明膜材的抗拉強度、撕裂強度、單軸彈性模量及拉伸循環(huán)后的殘余應(yīng)變均隨膜材的老化而降低，老化后的膜材表現(xiàn)出更強的線性和彈性特征.并且指出，PVC膜材經(jīng)緯向受老化作用影響具有一致性，但緯向纖維比經(jīng)向纖維受老化作用影響更大，對老化作用更加敏感.武岳等[8]對聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene， PTFE)膜材在寒冷地區(qū)的耐候性能展開了連續(xù)7a的試驗研究，擬合出了PTFE膜材抗拉強度和撕裂強度隨時間的變化曲線.Li等[9]對自然老化13a的聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)膜材進行了一系列的力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)老化后膜材的抗拉強度、撕裂強度、連接強度及彈性模量都出現(xiàn)了不同程度的降低，相比于抗拉強度，撕裂強度對老化作用更加敏感.

1 試驗材料

膜材試樣共2組，1組取自安徽省蕪湖市的蕪湖體育場，取樣面積為13m2，該組試樣在后文中統(tǒng)稱為試樣1.蕪湖體育場于2002年建成，并在2017年對其展開了修復(fù)工作，取得試樣1.另1組為修建蕪湖體育場所剩余的材料，存放在北京市紐曼帝·萊蒙膜建筑技術(shù)有限公司的倉庫當(dāng)中，取樣面積為6m2，該組試樣在后文中統(tǒng)稱為試樣2.試樣1和試樣2均為德國Mehler FR-1000型PVDF膜材，其基層為聚酯纖維，表面涂層為聚偏氟乙烯和二氧化鈦，膜材的主要性能指標見表1(表中dtex為線密度單位，表示10000m長的紗線在公定回潮率下的質(zhì)量，g).

表1 FR-1000型PVDF膜材性能指標

2 試驗方案

2.1 厚度測量

膜材厚度測量依據(jù)FZ/T 01003—1991《涂層織物厚度試驗方法》進行，試驗儀器為元茂YM 141數(shù)字式織物厚度儀.對于試樣1，膜材表面附著有較厚的灰塵，用清水沖洗并擦拭干凈后，從整個膜面對稱選取12個區(qū)域，再從每個區(qū)域均勻選取10個測點，測量其厚度值；對于試樣2，僅從膜面均勻?qū)ΨQ地選取30個測點，測量其厚度值.

2.2 抗拉強度、連接強度、撕裂強度測定

試驗依據(jù)DG/T J08—2019—2007《膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)規(guī)程》進行.試驗中采用切割條樣法來制作經(jīng)向和緯向試樣，試樣尺寸如圖1所示.試驗的加載設(shè)備采用新三思電子萬能試驗機，夾緊試樣后，按規(guī)程設(shè)定預(yù)張力，然后均以100mm/min的恒定速率拉伸試樣至斷裂，記錄拉伸過程中的拉力值.對于抗拉強度及連接強度，取為拉伸過程中的最大拉力值；對于撕裂強度，取為拉伸過程中5個最大負荷峰峰值的平均值.

圖1 試樣尺寸Fig.1 Specimen size(size：mm)

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 外觀及厚度

3.1.1外觀

2組膜材試樣的外觀為：試樣1的表面附著有較厚的灰塵，膜面顏色變?yōu)辄S灰色，陽面的顏色要深于陰面的顏色，膜面較為粗糙，與文獻[9]所述相符；試樣2仍保持為白色，膜面光滑并具有光澤.

此處的對比結(jié)果表明，膜材老化后，外觀顏色的變化是由室外因素引起.在文獻[10]中認為，膜材顏色的改變與其表面涂層高分子材料的降解直接相關(guān).膜材表面涂層的降解主要有3種原因：熱氧老化、光氧老化及化學(xué)降解[2，10].處于室外自然環(huán)境中的試樣1熱氧老化和化學(xué)降解這2種老化過程均會發(fā)生；存放于倉庫中的試樣2，更多發(fā)生的是熱氧老化過程.這表明光氧老化和化學(xué)降解是膜材表面涂層降解的主要原因.此外，一般認為膜面進行二氧化鈦處理后會具有良好的抗污性[9]，試樣1的外觀顏色改變表明，對于長期處于自然環(huán)境中的膜材，在其表面涂層中加入二氧化鈦對膜材白度的維持作用有限.

3.1.2厚度

戀愛、婚姻與家庭，本是兩性幸福的根源?？上У氖?，在新舊思想交替的轉(zhuǎn)型期間，人們沒有意識到“婚姻自主”與“婚姻幸?！敝g并不能畫上等號?？偨Y(jié)來說，這分為以下幾種情況：

表2為試樣1及試樣2的厚度試驗結(jié)果.圖2為試樣1及試樣2的厚度分布曲線.由表2和圖2可以看出：試樣1的厚度有較大范圍的變化，并呈現(xiàn)出正態(tài)分布的趨勢，其均值為0.960mm，相比于出廠厚度增加了6.67%.試樣2的厚度與出廠厚度差異不大，穩(wěn)定在0.90±0.01mm以內(nèi).

一般認為膜材的老化主要是其表面涂層的老化[2]，膜材厚度的增加會使膜材表面涂層分子間的距離變大，進而減小分子間的作用力，使得涂層與基布及涂層內(nèi)部的結(jié)合能力變差，導(dǎo)致膜材力學(xué)性能發(fā)生改變[11].

表2 厚度測量結(jié)果統(tǒng)計

圖2 厚度分布Fig.2 Thickness distribution

3.2 抗拉強度

3.2.1抗拉強度

抗拉強度的試驗結(jié)果見表3(Cable為帶索痕試樣).由表3可見：試樣1及試樣2的經(jīng)向抗拉強度平均值分別為4674N和5160N，相比于出廠經(jīng)向抗拉強度分別下降了22.10%和14.00%；緯向抗拉強度平均值分別為4329N和4629N，相比于出廠緯向強度分別下降了21.29%和15.84%.可以看出試樣1及試樣2經(jīng)緯向抗拉強度的降低具有較好的一致性，這與文獻[7]中通過人工加速老化試驗得到的結(jié)論相同，但在文獻[9]中，自然老化的PVDF膜材經(jīng)向抗拉強度降低得更多.

表3 抗拉強度試驗結(jié)果

對比2組試樣的抗拉強度試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：試樣2經(jīng)緯向抗拉強度的降低幅度分別為試樣1的63.35%和74.40%.這表明，膜材生產(chǎn)后，不做任何處理，僅長期存放于空氣中，也存在老化現(xiàn)象，且是膜材抗拉強度損失的主要因素.真實環(huán)境下的陽光、溫度、風(fēng)、污染物及真實應(yīng)力等因素只是膜材抗拉強度損失的次要因素.

圖3為試樣1及試樣2經(jīng)緯向抗拉強度的數(shù)據(jù)分布情況.由圖3可以看出：2組試樣經(jīng)緯向抗拉強度的離散性較大.在文獻[9]中，經(jīng)過自然老化后，膜材經(jīng)緯向抗拉強度的相對標準差是新膜材的3～4倍，這表明老化會使膜材的抗拉強度出現(xiàn)較大的離散性，若仍采用抗拉強度的平均值作為設(shè)計強度，將偏于不安全.

圖3 抗拉強度分布Fig.3 Tensile strength distribution

3.2.2索痕處的抗拉強度

試樣1是從實際工程結(jié)構(gòu)上取下的膜材試樣，其中包含了1條垂直于緯向的索痕.

在索痕處共取出了35條包含索痕在內(nèi)的緯向抗拉強度試樣，試驗時有11條(表3括號內(nèi))斷裂在索痕位置，約占試樣總數(shù)的31.43%.由表3可見，在索痕處斷裂的11條試樣緯向抗拉強度平均值與35條試樣的緯向抗拉強度平均值僅相差1.61%，且兩者的相對標準差基本一致，這表明索痕的存在會影響試樣破壞時斷裂的位置，但對抗拉強度的影響可以忽略.

3.3 連接強度

表4為膜材連接強度的試驗結(jié)果.

表4 連接強度試驗結(jié)果

試樣1及試樣2均采用緯向連接，在試樣1的連接焊縫處共取出24個試樣.試驗時有7個試樣(表4括號內(nèi))斷裂在連接處，約占試樣總數(shù)的29.16%.由表4可見，斷裂在連接處的7個試樣與24個試樣的連接強度平均值僅相差0.64%.試樣2的10個連接強度試樣均斷裂在連接焊縫位置.同時，相比于非連接部位的緯向抗拉強度，連接焊縫分別導(dǎo)致試樣1和試樣2的抗拉強度下降9.84%和16.12%.這表明連接焊縫既會影響膜材的抗拉強度，也會影響膜材破壞時斷裂的位置.

3.4 撕裂強度

膜材撕裂強度的試驗結(jié)果見表5.

由表5可見：試樣1及試樣2的經(jīng)向撕裂強度分別為473N和509N，相比于出廠經(jīng)向撕裂強度分別下降了47.44%和43.44%；緯向撕裂強度分別為 556N 和505N，相比于出廠緯向撕裂強度分別下降了30.5%和36.88%.與試樣1，2的抗拉強度相比，其撕裂強度的下降更為顯著，離散程度也更加明顯.

圖4為試樣1及試樣2的撕裂強度分布規(guī)律.從圖4中所示的撕裂強度分布規(guī)律來看，試樣1及試樣2的經(jīng)緯向撕裂強度不再服從正態(tài)分布規(guī)律，在文獻[7,9]中，也得到了相同的結(jié)論.

文獻[1]認為膜材的撕裂強度實質(zhì)上是反映組成膜材的經(jīng)緯向單根纖維破壞力的統(tǒng)計結(jié)果.在文獻[12]中提到了撕裂三角區(qū)del的概念，認為在del區(qū)中的紗線性質(zhì)決定了織物的撕裂強度，撕裂強度與紗線的強度大約成正比，并且認為影響梯形撕裂強度的因素由3部分構(gòu)成：組織結(jié)構(gòu)、織物中紗線的強度及試驗參數(shù).本試驗中，試樣1和試樣2均為同一種膜材，試驗設(shè)備及試驗參數(shù)均相同，因此其撕裂強度的降低只能來源于織物中紗線強度的降低.這表明老化作用對膜材的影響不僅僅是其表面的涂層，也會影響基層的纖維，且基材纖維老化是導(dǎo)致膜材撕裂強度降低的主要因素.

表5 撕裂強度試驗結(jié)果

圖4 膜材撕裂強度分布Fig.4 Tearing strength distribution

4 結(jié)論

(1)膜材經(jīng)自然老化后，膜面顏色變?yōu)辄S灰色，陽面顏色深于陰面顏色，而同期室內(nèi)保存的膜材，膜面顏色仍為白色，并具有光澤；膜材老化引起的顏色改變與膜材表面高分子涂層的降解直接相關(guān)，其中光氧老化和化學(xué)降解是膜材表面涂層降解的主要原因；此外，對于長期處于自然環(huán)境中的膜材，在其表面涂層中加入二氧化鈦對膜材白度的維持作用有限.

(2)膜材老化后，其撕裂強度的降低比抗拉強度的降低更為顯著，并表現(xiàn)出更大的離散性；2種試樣經(jīng)緯向撕裂強度的試驗結(jié)果表明無論是自然老化還是非自然暴露情況下的老化，膜材基層纖維的老化具有一致性.

(3)膜材長期存放在室內(nèi)空氣當(dāng)中，其經(jīng)緯向抗拉強度也會降低，表明膜材在非自然暴露情況下也存在老化現(xiàn)象，而此種老化并未導(dǎo)致膜材厚度的變化.

(4)膜材經(jīng)過自然老化后，其厚度會增加，進而影響膜材的力學(xué)性能，這表現(xiàn)在發(fā)生自然老化后，膜材經(jīng)緯向抗拉強度的降低幅度大于同期室內(nèi)保存的膜材；此外，索痕只會影響膜材破壞時斷裂的位置，而不會降低其抗拉強度.

(5)連接焊縫既會影響膜材的抗拉強度，也會影響膜材斷裂的位置.

(6)不論是經(jīng)過自然老化還是非自然暴露情況下的老化，PVDF膜材的抗拉強度、連接強度和撕裂強度都會出現(xiàn)不同程度降低.膜材力學(xué)性能的降低同膜材涂層的老化和基材的老化具有一定的關(guān)聯(lián)性，下一步工作應(yīng)對同一批老化后的膜材進行涂層強度和基材強度的測定，研究涂層老化和基材老化對膜材力學(xué)性能的影響，為建立人工加速老化試驗和自然老化試驗之間的關(guān)系提供依據(jù).