秦夢婷 周國寶 崇 磊

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

膜材作為一種新興的建筑材料，已被公認(rèn)為是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之后的第六種建筑材料[1]。目前在膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行建筑設(shè)計中最重要常用的有PTFE膜材料和PVDF膜材料。PTFE膜材料是將聚四氟乙烯(PTFE)涂覆在超細(xì)玻璃纖維編織物上形成的一種復(fù)合材料。PTFE膜具有強(qiáng)度高、耐久性好、阻燃性好、自潔性好、不受紫外線輻射影響、使用壽命超過25年等特點(diǎn)。它的透射率高，透射率為13%，對熱能的反射率為73%，吸熱小。PVDF膜是將聚氯乙烯(PVC)涂在聚酯纖維編織的基布上，加上100%聚偏氟乙烯(PVDF)的表面涂層后形成的復(fù)合材料。PVDF膜結(jié)構(gòu)(PVC膜材)的強(qiáng)度及耐火性與PTFE對比具有一定差距，另外其自潔性和耐久性均不如PTFE建筑膜材。其使用壽命隨表面涂層的不同而不同，一般可達(dá)12年～25年。國內(nèi)外對這兩種常用的建筑膜材料已經(jīng)開展了各類力學(xué)性能試驗與研究。

本文所研究的EVA膜材是由乙烯—醋酸乙烯共聚物(也稱為乙烯—乙酸乙烯共聚物)，乙烯(E)和乙酸乙烯(VA)共聚而制得，英文名稱為：Ethylene Vinyl Acetate，簡稱為EVA。對于EVA材料，由于工藝與添加劑配比比較復(fù)雜，相關(guān)研究非常少。EVA膜材作為一種新型膜材，其除了擁有傳統(tǒng)膜材的優(yōu)點(diǎn)外，最大的特點(diǎn)是可降解，無污染，在當(dāng)今環(huán)保越來越重視的今天，其發(fā)展前景是不言而喻的。但對其力學(xué)性能相關(guān)的研究仍相對滯后，本文對EVA膜材進(jìn)行了單軸拉伸試驗，得出其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)以及拉伸斷裂機(jī)理。

1 試驗概況

本次試驗所采用的單軸拉伸試驗機(jī)如圖1所示。試驗環(huán)境參考GB/T 6529—2008標(biāo)準(zhǔn)，溫度(20±2)℃、濕度(65±4)%、1個大氣壓。單軸拉伸試驗試件為長帶型，膜材試樣如圖2所示，試樣尺寸如圖3所示，試樣總長度L=300 mm，寬度B=50 mm，膜材料的中間自由有效長度L0=200 mm，夾具夾持段為50 mm，厚度為0.7 mm。膜材料的長度方向稱為經(jīng)向(0°)，垂直于長度方向的寬度方向稱為緯向(90°)。本次單軸拉伸試驗變量為偏軸角，即切縫與經(jīng)向的夾角，取值0°～90°，以相差15°為一組，共7種不同偏軸角度試驗工況。每種試驗工況取3個試件，試驗等速加載，加載速度取200 mm/min。

2 試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

2.1 單軸拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

分別對繞經(jīng)向0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°七種情況進(jìn)行試驗，來分析拉伸方向與紗線之間夾角對EVA膜材料力學(xué)性能的影響。圖4分別給出了7種情況下應(yīng)力—應(yīng)變曲線的試驗結(jié)果。

根據(jù)EVA膜材料在不同方向下的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線(如圖5所示)可見，EVA膜材0°(經(jīng)向)的拉伸強(qiáng)度最大。斷裂延伸率最??；90°(緯向)斷裂延伸率高于經(jīng)向，拉伸強(qiáng)度略低于經(jīng)向；15°和75°的抗拉強(qiáng)度最??；45°的斷裂延伸率最大。應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中還可以看出，EVA膜材0°和90°，15°和75°，30°和60°的應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化規(guī)律相似，呈現(xiàn)出典型的正交各向異性[2]。

膜材基本上呈現(xiàn)雙線性彈性特征。取荷載應(yīng)變曲線的初始線性變形階段的切線作為膜材在該荷載下的彈性模量。塑性段曲線斜率為塑性模量。斷裂延伸率表示為εu=(Lb-L0)/L0(其中，Lb為膜材斷裂時測量長度；L0為有效長度)。單軸拉伸試驗計算結(jié)果見表1。

表1 單軸拉伸試驗結(jié)果

2.2 拉伸斷裂機(jī)理

圖6為膜材試件在不同方向上被拉斷后的斷裂口的形態(tài)。由圖6a)中試件呈現(xiàn)出單純的拉斷破壞形態(tài)，特點(diǎn)是所有纖維都在同一位置斷裂，斷裂垂直于加載方向，通常發(fā)生在經(jīng)緯向(0°,90°)的拉伸試驗中；圖6b)中試件呈現(xiàn)出剪切破壞形態(tài)，特點(diǎn)是在面內(nèi)剪切應(yīng)力的作用下，纖維依次從基體中拔出，導(dǎo)致了膜材的破壞，這種破壞通常發(fā)生在基體與纖維表面之間，一般發(fā)生在45°拉伸試驗中；圖6c)中試件呈現(xiàn)出拉剪混合型破壞，特點(diǎn)是在拉應(yīng)力與面內(nèi)剪切應(yīng)力的共同作用下，試件邊部纖維從基體中拔出，中間部分的纖維被拉斷，導(dǎo)致膜材的破壞，通常發(fā)生在小偏角(15°，30°)的單軸拉伸試驗之中?？偟膩砜?，對于單軸拉伸試驗，破壞總是發(fā)生在強(qiáng)度較低的纖維之中，因為拉應(yīng)力與剪切應(yīng)力的共同作用加速了膜材的破壞，所以其拉伸斷裂強(qiáng)度總是小于單一應(yīng)力作用時的拉伸斷裂強(qiáng)度[2]。

3 結(jié)語

1)EVA環(huán)保膜材的拉伸性能呈現(xiàn)典型的正交各向異性，其沿經(jīng)緯向(0°，90°)的拉伸斷裂強(qiáng)度最大且近似相等，45°的斷裂延伸率最大。

2)EVA環(huán)保膜材拉伸斷裂后，其斷裂方式為單純拉斷破壞、剪切型破壞和拉剪混合型破壞3種。

本文所研究的EVA膜材的極限抗拉強(qiáng)度與文獻(xiàn)[3]中PVC膜材在不同偏軸角度下的抗拉強(qiáng)度對比，除經(jīng)緯向外都要更高一些。膜結(jié)構(gòu)行業(yè)再使用傳統(tǒng)的PVC材料已經(jīng)不符合可持續(xù)發(fā)展的理念了，PVC材料將逐步在不可降解的情況下被淘汰，而EVA膜材的最大的特點(diǎn)就是可降解，無污染，在當(dāng)今環(huán)保越來越重視的今天，其發(fā)展前景是不言而喻的。

注：本文特感謝江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院本科生唐曉玲、佟麗、聶銀江做出的貢獻(xiàn)。