高分子聚合物建筑物膜材暴露于大气环境中, 在室外使用时经受太阳光照、温湿度、风雨、大气污染等外界环境因素的影响, 材料将发生物理化学性能的老化行为, 如褪色、强度衰减等。其中, 温湿度和紫外线照射是导致材料老化的关键因素。上海地区某大型展馆, 屋面采用聚四氟乙烯涂面PVC聚酯纤维类膜面覆盖, 屋面膜材已经使用了15 a左右, 经现场踏勘, 发现了屋面膜材出现了不同程度的自然老化现象, 主要表现为膜材颜色加深、膜面污染、表面涂层粉化和个别部位膜面松弛等。针对膜材自然环境下的老化影响因素, 国内外学者进行了不同方面的研究。谭志乐等[1]对PVC膜材进行了力学性能及物理性能变化的相关研究, 研究表明高温高湿环境下膜材力学性能及物理性能均有所降低;W.F.Polfus等[2]在全球不同地区进行了PVC膜材自然老化试验, 试验结果表明环境条件对PVC膜材的破坏起着重要的影响;Ulrich Eichert[3]对PVC膜材进行了为期10的自然室外暴露试验, 对暴露后膜结构材料的拉伸强度和撕裂强度进行测试, 试验证明大气污染程度的严重与否直接决定了膜结构材料耐候性能。

膜材强度指标是其最基本的力学性能, 它能够直接反映材料抵抗外力的作用能力, 本次试验选取的膜材力学性能指标包括膜材抗拉强度及断裂伸长率、撕裂强度、膜片与膜片的连接强度, 既有膜材采用的是美国法拉利1002T2—LOWE膜材 (聚四氟乙烯涂面PVC聚酯纤维类膜面) , 厚度为0.78 mm, 如图1所示。试验方法均按照上海市工程建设规范DG/TJ08—2019—2007《膜结构检测技术规程》[4]进行, 检测仪器采用电子万能试验机, 如图2所示。试验样品取自单榀膜结构的屋脊线与膜结构外悬挑部位, 从膜结构整体的受力状态来说, 该部位膜材应力水平较高, 取样具有代表性。

取径向和纬向试样各一组, 每组试样为5块, 试样为长条形, 试样膜材的径向平行于长度方向, 垂直于纬度方向, 试样与夹持情况如图3、图4所示。试验机调整装置后, 采用预张力夹持, 设定膜材试样的预张力值为10 N, 设定恒定伸长速率为100 mm/min, 精度为±10%, 数据采集频率大于8 Hz, 预张力设定为10 N。

取径向和纬向试样各一组, 每组试样为5块, 每组试样为5块, 采用切割样条法制备试样, 剪取试验的膜材的径向平行于长度方向, 垂直于纬度方向, 试样与夹持情况如图5所示。设定隔距长度为50±1 mm, 拉伸速率为100±10 mm/min, 选定合适的负荷范围, 保证撕裂强度落在仪表满量程的10%~90%之间。

本试验中既有膜材的原始膜片与膜片连接形式为热合焊接形式, 焊缝宽度为5 cm, 试样直接取自既有膜结构中的焊缝范围。剪取试验的膜材焊缝与膜材的纬向垂直, 试样的制作数量为6块, 试样与夹持情况如图6所示。

当试样拉伸至断裂, 记录最大力值和断裂伸长量, 根据记录的预张力试样, 拉伸强度试验结果见表1。

涂层织物类膜材属于各向异性材料, 经、纬向力学性能有很大的差异, 接近于一种双向正交异性材料, 在单轴拉伸荷载作用下的应力-应变曲线分为线性阶段、变形强化阶段、应力强化阶段3个阶段[5]。由图7可以看出, 既有膜材受力变化特征与原始膜材基本一致。

由表1试验结果数据可以看出膜材的纬向抗拉强度略小于经向抗拉强度, 与原设计膜材标准值相互一致, 经过15 a的自然老化, 膜材径向抗拉强度保持率为86.0%, 纬向抗拉强度保持率为84.6%, 经向试件的拉伸强度高于纬向, 从数值上看, 二者相差不是很大。根据文献中试验开展的同类型该膜材断裂延伸率[6], 对比显示膜材的径向和纬向断裂延伸率保持率分别为90.7%、71.4%, 膜材的纬向断裂延伸率折损相对明显。

由于工程上关心的主要是膜材的拉伸强度, 根据CESS 158:2004《膜结构技术规程》[7], 一般PVC膜材设计使用年限为15~20a, 材料质保年限为10~12 a, 在各种荷载组合下, 膜面各点的最大主应力部位的膜材设计强度应不小于膜材设计抗拉强度的75%。因此认为, 该工程中的膜材虽超出了质保年限, 但仍可继续工作使用。

根据撕裂试验过程可知, 曲线的一系列波峰值代表膜材纤维破断力, 膜材的撕裂强度则取为波峰值的统计结果。一般取撕裂荷载-位移曲线波峰值的5个最大负荷峰值的平均值, 如图8所示。

由表2计算出, 经过15 a的自然老化, 该建筑物的经、纬向试件的撕裂强度保持率分别为55.1%、56.1%, 试件的纬向撕裂强度保持率略高于经向, 在该地区强度折损较大。

既有膜结构原膜材的连接形式为热合焊接, 采用的是单面背贴连接, 其主要破坏形式分为接缝处断裂、连接区破坏、混合破坏形式三种形式, 该实验中膜片与膜片的连接破坏发生在连接区, 如图9所示。

由表3试验结果数据计算出膜片与膜片连接强度比膜材的抗拉强度高0.6%, 且两者的受力变化曲线基本一致, 如图10所示。连接强度与设计标准强度的比值为0.8646, 可见原膜材施工焊接质量保持相对较好, 同等条件下, 焊缝部位可不做为最不利受荷部位。

(1) 通过对既有膜材的力学试验研究, 既有膜材的抗拉强度保持较好, 以建筑膜材的拉伸强度为控制指标, 认为该工程的屋面膜材仍可继续工作使用。

(2) 建筑膜材是使用寿命与其所处环境密切相关, 该工程膜结构已经历了15年的自然老化, 撕裂强度折损比较明显。该工程中原膜材施工焊接质量保持相对较好, 同等条件下, 焊缝部位可不做为最不利受荷部位。

(3) 既有建筑膜结构的剩余寿命评估可通过先得到既有膜材的力学性能参数数据, 再对既有膜材进行人工加速老化试验, 获得不同周期下加速老化试验下膜材力学性能的离散结果数据, 拟合出加速老化率函数, 考虑与既有膜材自然老化率的相关系数, 可推算评估出膜材的剩余生命。