膜结构主要材料是高强度薄膜材料和加强构件 (钢结构或拉索) , 在一定方式下其内部会产生一定的预张应力, 并且使结构形成一定的空间形式, 覆盖结构或建筑物承受某些外部载荷[1]。近几年来, 随着建筑空间观点的渗入和科学的不断进步, 人们越来越重视保护环境, 所以“回归自然”、“沐浴自然之温馨”成为现代建筑发展的主体[2]。建筑设计更多倾向于节约资源、保护环境, 从而展现出里外结合、相互联系的不定空间, 如:动物园和植物园, 公园广场、舞台、体育馆、运动场等。由于薄膜的透光性, 太阳光可以通过薄膜形成漫光, 因此结构内部的效果基本上与外部效果相同。从而可以看出膜结构是现代建筑的典型代表。

但是, 大大小小膜结构损伤事故频繁发生, 强风暴雪等环境因素会导致膜结构损坏。同时膜结构自身节点连接不合理、预应力不达标也会造成膜结构的破坏。除此之外, 建筑膜材随着时间的推移会出现老化, 造成各项机理退化, 从而导致膜结构破坏, 导致事故的发生[3]。因此, 对建筑膜材老化及其性能退化的研究对于确保膜结构的安全性具有实际意义。

在人类起源时代, 膜结构的支架是树木, 树皮或兽皮做成帐篷[4]。20世纪中期, 现代膜结构才开始兴起, 其作为一种新型建筑结构, 是21世纪的代表性建筑, 改变了原来纯直线建筑风格, 给人一种柔和的感觉, 让人焕然一新。

如今, 膜结构被大规模百富策略白菜网到大跨度建筑物中, 例如体育建筑、购物中心、展览中心、运输服务、航空和停车设施等。而且膜结构已在发达国家使用了50多年, 1970年日本大阪万国博览会上的美国馆和富士馆百富策略白菜网了大量建筑膜材, 它是世界上第一个现代膜结构, 将膜结构引领世界[5]。自此, 膜结构建筑在世界上快速发展。例如美国亚特兰大的佐治亚穹顶, 240m×192m的索膜结构覆盖在椭圆形的屋顶;为了庇护朝圣者, 沙特阿拉伯的米拿分三期建造与吉大机场类似的膜结构, 总面积在100万平方米以上, 可谓称作“帐篷之城”[6], 德国汉堡联合利华办公楼等等。

近几年来我国膜结构发展飞快, 但与国外相比起步相对较晚。目前我国还有许多大跨度膜结构建筑, 例如上海80000人体育场、上海国际赛车场副看台等。但是我国缺乏一些自主研发的建筑膜材, 在建筑膜材材料性能、检测标准、计算和设计理论等方面与国外也相差甚远, 它限制了中国膜结构的进一步发展。而且从国外引进膜材或自主开发的膜材成本高, 膜材种类、产量、功能等与国外先进产品对比存在着一定的差距, 主要体现在研究材料不充足, 实验数据少, 原材料、半制品及成品质量的检测方法、控制方案与评估体系等尚未创建良好的规范[7]。

膜结构由于建筑外貌美丽、质量轻等特点, 受到建筑师、结构工程师和其他研究人员的欢迎, 但它对外部环境也很敏感[8]。一方面, 膜材表面一般都是直接暴露于自然环境中, 遭到阳光、温度、水汽、大气污染物的影响;另一方面, 涂层聚合物自身的化学不稳定和其基布材料本身的性质不稳定等因素也容易造成建筑膜结构老化, 聚合物涂层仅仅只是起到了延缓基材老化的作用, 起不到阻止老化的作用, 从而会改变膜结构材料的外观, 降低材料的性能和强度。建筑膜材的老化导致膜结构整体性能的变化。建筑膜材一旦老化就会影响其拉伸性能、撕裂强度、正交异向性等性能, 从而缩短膜结构的使用寿命[9]。与传统的建筑材料相比, 土木工程中对膜结构老化性能的研究还缺乏经验以及有效的实验方法, 可借鉴纺织工业和化学工业对老化性能的研究方法。

由此可见, 可能影响建筑膜材物理性质的因素包括化学配方稳定性、聚合物厚度、阳光辐射、制造方法、地理位置、与膜材料结合的其他产品等[10]。膜材老化会使膜结构性能发生变化, 减少膜材的使用寿命, 从而造成经济损失、资源浪费。人类社会可持续发展已经成为一种趋势, 这就要求建筑结构的使用寿命不断提高, 即减少老化, 从而减少资源的消耗和环境的破坏, 膜结构也要遵循这一原则。因此, 有必要考虑建筑结构的年代, 改变中国快速建设和快速拆迁的模式。

目前, 在中国, 最常见的膜材料是聚四氟乙烯 (PTFE) 膜, 聚氯乙烯 (PVC) 膜和表面层PVC膜, PVDF膜材和PVF膜材[11,12,13,14]。PTFE膜材的使用寿命长达25年以上, PVC膜材在10～15年, 然而PTFE材料工程有的已超过25年, PVC材料工程有的已超过20年, 仍继续正常使用, 说明实际使用寿命并不是确定的值, 且建筑膜材的老化是一个循序渐进的过程。但是在膜材使用过程中, 膜材直接与大气环境接触, 遭到大气环境各种因子的影响, 随着时间的延长会产生老化, 缩短材料的使用寿命[15]。

国内外学者已有研究表明, 建筑膜材老化形成的主要原因是太阳光中的紫外线[16,17,18]。所以我们借助实验仪器模拟自然环境加速材料的老化, 每隔一段时间测得材料各项性能, 最后经过对比得出实验结论。

材料的老化一般会影响其使用, 造成性能退化、经济损失, 所以了解材料的老化性能并预测使用寿命能减少经济损失并保证建筑的安全。目前, 有两种主要的评估薄膜老化的测试方法:自然老化和人工加速老化[19]。

自然老化可以采取不同的实验方法, 依据其暴露的方式不同有以下几种实验方法[20,21]:直接暴露法、玻璃板下暴露法和黑箱暴露法。都是在自然大气环境中, 经过一定的时间, 将试样取下, 然后测试材料的各项性能是否变化。这种方法与材料实际使用的情况最接近, 得到的结果最可靠, 但是得到的数据较少且受环境的制约比较大且投入较多, 周期较长。

人工加速老化主要反映在光源的差异上[22,23]。因此, 人工加速老化是利用实验室设备来模拟和增强自然环境中的光、热、氧、水分、降雨等, 从而加速膜的老化[24]。该方法不受气候影响, 缩短实验期, 可快速获得实验结果。

实验膜材采用F1202T两种试样, 试样厚度0.8mm, 两种膜材均从既有膜结构建筑上拆除。第一个建筑位于郑州, 2002年建成, 2017年拆, 历时15年, 膜材表观颜色为银色。第二个建筑位于杭州, 1999年建成, 2015年拆, 历时16年, 膜材表观颜色是黄色。在本实验中, 研究了两种薄膜的性能, 如黄度指数、表观特性、自洁性和拉伸强度。

黄度指数测试实验采用Datacolor 650电脑测色配色仪, 先对未使用的膜材进行测试, 而后测试使用过的目标膜材, 分别取五个不同的点进行测试对比, 两种膜材测试方法相同。最后根据ASTM E313-2005黄白指数测量规程, 测试老化后试样的黄度指数变化[25]。

(1) 开启电脑, 打开测色程序。

(2) 校正测色配色仪。

①校正前, 测色孔径必须一致;②校正黑筒时, 黑筒上的线要朝上, 完成后需将黑筒取下;③开始校正后, 将黑筒放置于测色配色仪上, 按下Ready按钮。然后依次放白板和绿板。

(3) 输入标准样名称, 并把标准样放入孔径, 进行实验, 直至接受目前信息, 保存标准样信息。同理测试样。

(4) 右键按export all导出实验数据。

(5) 整理实验器材并分析数据, 将测出来的结果和标准样进行对比。

随着紫外线辐照的时长增加, 材料的黄度指数也呈上升趋势, 但到一定程度的紫外线辐照, 黄度变化趋势很小, 基本趋于稳定状态。黄度指数只是宏观的表示材料表面颜色变化, 并不能表示其性能的变化。

两种膜材分别取三个试样进行实验。对实验用膜材进行表面镀铂, 用电子显微镜进行观察试样表面及其截面特征, 记录现象。

(1) 制样, 对实验用膜材进行表面镀铂。

(2) 开机启动程序

(3) 对样品室释放压力, 完全释放压力后, 打开样品室, 取出样品座, 将样品固定在样品座上, 然后关上样品室, 进行抽空, 当达到真空要求后进行样品分析。

(4) 找到被测样品, 调整放大倍数、光线强弱, 并进行对焦、聚光等。

(5) 将最具有代表性的进行扫描拍照并保存。

(6) 整理实验器材并分析数据。

图1为不同倍数下法拉利F1202T涂层表面形态扫描电镜图。从图1中可以看出, 法拉利F1202T涂层表面在长期暴露在阳光下后开始变得非常不均匀, 并且出现大量白色颗粒物质并形成裂缝;随着老化时间的延长, 试样涂层表面裂纹数量增加、宽度变大、深度变深。

实验用膜材是疏水性材料, 实验取用20mm×20mm的试样, 如图2所示。用全自动单一纤维接触角测量仪测量, 在薄膜表面取5个点进行观察和测量。获得实验结果, 判断薄膜的自洁性和疏水性。

(1) 启动程序, 设置参数。

(2) 进行实验操作, 确保针头干燥, 从针头中滴入大约2μm的水, 然后针头向下, 直到快要接触膜面, 不能过度向下, 以免针头弯曲损坏。针头向上, 将水滴留在膜面上, 直至针头消失在镜头里。选取其他位置, 重复以上操作。

(3) 保存数据并将其导出。

(4) 整理实验器材并分析数据。

(1) θ<90°, 固体表面是亲水性的, 则液体较易润湿固体, 其角越小润湿性越好。

(2) θ>90°, 固体表面是疏水的, 因此液体不易润湿固体, 容易在表面上移动。

润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上, 当达到平衡时, 形成的接触角与各界面张力之间符合杨氏公式 (Young Equation) :

γsG-γsL=γLGcosθ

由它可以预测如下几种润湿情况:

①当θ=0, 完全润湿;②当θ<90°, 部分润湿或润湿;③当θ=90°, 是润湿与否的分界线;④当θ>90°, 不润湿;⑤当θ=180°, 完全不润湿。

图3 (a) 左边接触角度数分别是50.7°、50.3°、47.2°, 右边分别是53.2°、50.5°、46.2°, 那么左边平均接触角度数为49.4°, 右边平均接触角度数为50.0°。

图3 (b) 左边接触角度数分别是63.0°、50.8°、54.7°, 右边分别是64.3°、51.0°、53.8°, 那么左边平均接触角度数为56.2°, 右边平均接触角度数为56.4°。

然而建筑膜材是疏水性材料, 其接触角度数应大于90°, 可见随着时间的延长, 建筑膜材表面疏水性降低, 润湿程度越来越高, 固体的表面自由能越大。

拉伸实验取经向与纬向试样各一组, 每组试样样本数量为5根, 采用长方形试件, 试件的有效宽度为 (50.0±0.5) mm, 有效长度为 (1300.0±1.0) mm, 应变测距为 (200.0±1.0) mm, 两端各留有550mm的加夹持距离, 试样尺寸如图4所示[26]。

通过万能试验机测试膜的机械性能, 主要包括断裂拉伸应力、拉伸强度、拉伸屈服应力、最大力和弹性模量。在试验机调节装置之后, 使用预张力夹具将膜样品的预张力值设定为10N, 并且恒定伸长率设定为100mm/min, 精度为±10, 数据采集频率大于8Hz[27,28]。

(1) 打开电源, 启动万能试验机, 万能试验机的空气开关都打开。

(2) 启动电脑, 打开程序。

(3) 检查夹头。

(4) 检查横梁距离, 确保膜材试样上端在上夹头中间位置。

(5) 夹好试样。然后进行实验, 直至试样拉断, 重复以上操作。

(6) 保存数据并将其导出。

(7) 整理实验器材并分析数据。

当样品拉伸至断裂时, 记录拉伸强度和断裂伸长率见表1和表2。

涂层织物状膜是各向异性材料, 经线和纬线机械性能差异很大, 接近双轴正交各向异性材料。单轴拉伸载荷下的应力-应变曲线分为三个阶段:线性阶段, 变形强化阶段和应力强化阶段[29]。从表1和表2的试验结果可以看出, 薄膜的纬向拉伸强度略小于经向的拉伸强度[30]。经向试样的拉伸强度, 拉伸断裂应力和拉伸屈服应力均高于纬向, 其弹性模量近似[25]。根据倪佳女的文献, 对PVC膜材的机械性能进行了测试。

如前所述, 各国有很多学者在研究膜结构老化及其性能退化的问题, 但目前尚不能较好解决这一问题。在今后的研究中, 我们需要确保建筑膜材的可靠性, 减少事故的发生, 提高建筑膜材的安全系数, 准确、快速地预测实际百富策略白菜网中建筑膜的寿命, 并确定其性能是否降低。

我国自主研发的用于测量膜结构各项性能的实验仪器较少, 大部分都是从国外引进, 成本较大, 限制了相关实验研究的进展。且实验数据、资料不够完善, 未形成比较完善的原材料、半制品及成品质量的检测方法、控制方案与评估体系等[6]。

建筑膜材的老化问题主要受环境影响。通常, 环境中的各种影响因素会影响建筑物膜的老化。例如, 环境中的灰尘颗粒会影响建筑物膜材的自清洁性能, 降低建筑薄膜的泛黄指数, 导致薄膜老化;长期暴露在紫外线下会损害建筑膜材的拉伸性能并导致材料老化;PVC薄膜的拉伸强度随温度的升高而降低, 断裂伸长率随温度的升高而增大[31], 导致薄膜变质。所以我们需要对环境进行定量评估, 综合评价建筑膜材在环境作用下的承载力, 获得膜结构性能退化的定量解答, 建立和完善全寿命技术。

耐久性是指材料长期抵抗自身和外在破坏作用的能力, 耐久性越好, 材料的使用寿命越长。耐久性对膜结构建筑十分重要, 若耐久性降低造成结构失稳, 会降低膜结构的使用寿命, 所以提升膜结构耐久性是一项重要的研究课题, 但我国提升膜结构耐久性的技术不够发达, 有待开发研究。

膜材从国外引进成本高, 且长途运输过程中有一定风险, 因此我国需要自主研发一些新型的膜材, 以减少从国外进口膜结构材料的数量。但我国自主研发缺乏经验方法, 且自主研发的产品与国外先进产品相比还有一定差距, 需要进一步深入研究。新型膜材的自主研发是中国在不久的将来迫切需要解决的一个重大问题。

(1) 膜结构大量百富策略白菜网至今已经近50年了, 目前已出现较为严重的老化问题, 并可预见其将来的老化问题会更加突出。因此, 研究膜结构老化问题具有重要的意义。

(2) 建筑膜材老化问题是一个系统性问题。建筑膜材的老化主要与环境作用有关, 建筑膜材的老化会导致膜结构的性能退化。膜结构的老化与大多结构的老化问题是互通的。

(3) 建议膜结构老化性能退化尚需进一步解决的问题, 包括以下5个方面:实验仪器、标准、环境作用定量模型、耐久性提升技术、自主研发。

综上所述, 膜结构在我国被大规模使用, 但随着使用年限的增长, 出现了许多问题, 所以研究建筑膜材的老化问题急不可待。如果能有效缓解建筑膜材老化, 就能一定程度上解决膜结构性能退化的问题, 增长建筑膜结构的使用寿命。符合我国绿色环保、可持续发展的方针政策, 减少建筑垃圾, 减少施工问题、成本问题等, 为建筑工程的行业发展作出一定贡献。