按照加工制作方法的不同, 可以将建筑膜材分为涂层织物类膜材和热塑性化合物膜材两类。涂层织物类膜材是一种高分子复合材料, 由基层、涂层以及面层组成[1]。目前工程中常用的涂层织物类膜材有两种:一种是以聚四氟乙烯为面层的玻璃纤维类膜材 (PTFE膜材) ;一种是以聚氯乙烯为面层的聚酯纤维类膜材 (PVC膜材) [2]。建筑膜材中的热塑性化合物膜材多指由乙烯和四氟乙烯共聚物制成的ETFE膜材。与涂层织物类膜材不同, ETFE膜材是将基材通过挤压成型等方法加工而成[3]。PTFE膜材具有强度高、透明性好、使用年限长的特点, 同时具有良好的抗紫外线、抗老化、自洁性、阻燃性和焊接性能, 逐渐成为建筑中最常用的薄膜材料之一。

膜结构的空间曲面是经过裁剪设计, 由许多平面膜片拼接而成, 同时由于PTFE薄膜的出厂幅宽通常为3~5m, 因此膜片间的接缝不可避免。为保证膜结构整体具有良好的受力性能, 膜片的接缝应具有足够的强度和耐久性。

薄膜的连接方法有机械连接、缝纫连接、热合连接、粘合连接等。粘合连接与缝纫连接的耐久性较差, 其接缝强度可能因受紫外线和高温作用而降低;机械连接常用于大中型结构膜面与膜面的现场拼接;缝纫连接通常用于无防水要求的网状薄膜结构中, 或者是与热合连接同时百富策略白菜网在PVC涂覆聚酯织物的边角处理上。缝纫连接与机械连接易造成截面削弱;热合连接又称焊接, 是通过让薄膜接触加热物体或向薄膜吹热空气等手法, 使薄膜获得相应的热量从而使织物上的涂层熔融, 然后施加压力并冷却使膜片结合在一起, 是薄膜最佳的连接技术之一。薄膜的主要受力接缝宜采用热合方法连接[4], 当薄膜采用热合方法连接时, 薄膜的热合缝宽度对材料的连接强度、断裂延伸率都有一定的影响:热合缝宽度过小, 则搭接区域成为一个薄弱区, 造成强度下降;而当热合缝宽度达到一定程度后, 继续加宽也无法提高热合缝的强度。规程[4]要求, PTFE薄膜热合处的拉伸强度应不低于母材强度的80%。

实际工程百富策略白菜网中, 膜片之间的热合连接常采用搭接或对接的形式, 如图1所示, 其中屋面膜片主要以搭接形式为主。

本文对不同搭接宽度下的PTFE薄膜进行单向拉伸试验, 研究搭接宽度对PTFE薄膜连接强度和断裂延伸率的影响, 为相关工程设计和规范修编提供理论支撑。

参照《膜结构检测技术规程》 (DG/TJ 08-2019—2007) [5], 选取型号为FGT-800的PTFE薄膜, 此薄膜厚度为 (0.8±0.10) mm, 每平方米质量为 (1 300±130) g。FGT-800使用的玻璃纤维布的经纱、纬纱是采用将8根B纱线合捻而成的纱线, 其经向、纬向编织密度分别是25根/25mm, 19根/25mm。拉伸试验时采用长条形试件, 按照切割条样法制备试件, 试件的有效宽度为50mm、长度为900mm, 应变测距即夹具间初始距离为200mm, 搭接宽度分别取20, 30, 40, 50, 60, 70, 80mm, 共7种, 每种搭接宽度分别沿经向与纬向各取5个试件 (编号分别为1#, 2#, 3#, 4#, 5#) , 试件的尺寸均相同, 见图2。

如图3所示, 试验时采用微机控制电子万能 (拉伸) 试验机, 配置高精度拉力传感器和大变形测试仪, 用缠绕式夹具固定试件。试验过程中, 作用于试件上的力可通过拉力传感器实时输出, 应变根据标线间距离变化得出。规程[4]规定, 对于G类薄膜统一采用N/5cm作为抗拉强度标准值单位, 故后文中关于PTFE薄膜的应力均以N/5cm为单位。拉伸试验在 (23±2) ℃的室温下进行, 拉伸速度为100mm/min。

按前述的7种搭接宽度, 包括母材共8种类型, 分别沿经向与纬向取样, 共80个试件, 对其进行单向拉伸试验, 得到的PTFE薄膜应力-应变曲线如图4所示。

由图4可见, PTFE薄膜在不同搭接宽度下的应力-应变曲线形状基本一致, 呈现典型的各项异性现象。在文献[6]中, 将PTFE薄膜的拉伸曲线分为三个阶段, 第一阶段为弹性阶段, 第二阶段为基层纤维和涂层之间逐渐脱离形成的整体变形迅速增加阶段, 第三阶段为应力强化阶段。从图4中可以明显看出, 应力-应变曲线符合三阶段发展特征。

从图4中还可以看出, 经向拉伸强度一般大于纬向拉伸强度, 而经向断裂延伸率则小于纬向断裂延伸率。主要原因如下:PTFE薄膜基层纤维采用平织法, 经、纬向纤维交替卷曲, 编织过程中纬向纤维的卷曲度较大[6];在拉伸过程中, 无论是经向还是纬向, 都有一个纤维从卷曲变成平直的过程, 而由于纬向卷曲度大, 随着荷载的增加, 纬向的应变会大于经向应变, 破坏时纬向的断裂延伸率也会大于经向断裂延伸率。如前文所述, FGT-800薄膜的纬向编织密度小于经向编织密度, 而编织密度直接影响了材料的强度、模量等, 编织密度增大, 薄膜断裂时能达到的强度也增大, 因此会出现图4中经向拉伸强度大于纬向拉伸强度的现象。

通过试验结果来看, 试件典型的破坏形式有以下6种:1) 搭接处的滑移破坏。其特征是试件在搭接热合区完全脱开, 薄膜纤维未受破坏, 如图5 (a) 所示。这种破坏形式发生于搭接宽度为20 mm的拉伸试验中。2) 搭接处的平截面断裂破坏。其特征是所有纤维在搭接热合区的同一位置断裂或者未断裂但纤维在同一位置均被拔出, 如图5 (b) 所示。这种破坏形式发生于搭接宽度为20~30 mm的拉伸试验中。3) 搭接边缘处的平截面断裂破坏。其特征是薄膜纤维在搭接热合区边缘处的同一位置被拔出, 如图5 (c) 所示。这种破坏形式发生于搭接宽度为30mm的拉伸试验中。4) 搭接边缘处的斜截面撕裂破坏。其特征是试件在热合区边缘处开始产生一个切口, 继而薄膜撕裂导致纤维被拔出或拉断, 如图5 (d) 所示。这种破坏形式发生于搭接宽度为30~40mm的拉伸试验中。5) 热合区外的平截面断裂破坏。其特征与搭接处的拉断破坏相似, 只是位置发生在热合区外一定距离处, 如图5 (e) 所示。这种破坏形式发生于搭接宽度为40~80mm的拉伸试验中。6) 热合区外的斜截面撕裂破坏。其特征是在热合区外一定距离处, 试件一侧的边缘部位纤维被拉断形成一个切口, 沿该切口向试件内部发展形成一条贯通全截面的斜向撕裂面, 如图5 (f) 所示。这种破坏形式情况发生于搭接宽度为40~80mm的拉伸试验中。

从图5可以看出, PTFE试件在拉伸时破坏形式主要有三种, 分别是:1) 热合面的滑移破坏;2) 拉力作用下的平截面断裂破坏;3) 斜截面撕裂破坏。当搭接宽度为20~30mm时, 试件破坏位置多发生于搭接热合区内或者热合区边缘处;当搭接宽度大于30mm时, 破坏位置多发生于热合区外的位置。从破坏模式来看, 搭接宽度小于或等于30mm时, 热合缝处就会成为截面削弱区, 造成薄膜的破坏;当搭接宽度大于30mm时, 试件破坏位置就不再受热合区的影响。

对图4所示应力-应变曲线进行分析, 得到不同搭接宽度下的PTFE试件的连接强度, 如表1所示, 其中的强度折减系数为不同搭接宽度下试件连接强度的平均值与母材抗拉强度平均值的比值。规程[4]指出, 对于PTFE薄膜, 热合处的拉伸强度应不低于母材强度的80%。

由表1可以看出, 随着搭接宽度的增大, 试件连接强度也相应呈增大的趋势。薄膜经向连接强度在20mm搭接宽度时就已经达到母材抗拉强度的83%;在搭接宽度为40mm时基本已接近母材抗拉强度。薄膜纬向连接强度在30mm搭接宽度时为母材抗拉强度的87%;由于薄膜具有一定的离散性, 在搭接宽度为40mm时, 连接强度反而低于搭接宽度为30mm时的连接强度, 为母材抗拉强度的78%, 此时基本可以认为达到母材抗拉强度的80%;在搭接宽度为50mm时已达到母材抗拉强度。由于薄膜强度的离散性, 会出现经过热合处理后的材料连接强度大于母材抗拉强度, 如表1所示, 这种情况可以认为经热合处理后, 试件连接强度达到母材抗拉强度。

前文只对FGT-800一种型号的薄膜进行不同搭接宽度下连接强度的比较, 所得结论不具有普遍代表性。因此下面增加两种不同厂家、不同强度的FGT-250型号与SHEERFILL-II型号薄膜, 对其进行拉伸试验。其中, FGT-250型号薄膜厚度为 (0.35±0.10) mm, 每平方米质量为 (500±100) g, 经、纬向编织密度分别是32.5根/25mm, 22.0根/25mm。SHEERFILL-II薄膜强度与FGT-800类似, 每平方米质量为1 305g。

试验方案同第1节, 由于篇幅限制, 这里仅给出不同搭接宽度情况下试件的连接强度, 如表2和表3 所示。

由表2可以看出, FGT-250经向试件连接强度在搭接宽度为20mm时就已经达到母材抗拉强度的84%, 在搭接宽度为30mm时为母材抗拉强度的95%;由于薄膜力学性能参数的离散性, 在搭接宽度为40~50mm时, 其连接强度反而低于搭接宽度为30mm时的连接强度, 但是仍然大于母材抗拉强度的85%;在搭接宽度为60mm时已达到母材抗拉强度。FGT-250纬向试件连接强度在搭接宽度为40mm时为母材抗拉强度的98%, 基本达到母材抗拉强度。

由表3可以看出, SHEERFILL-II经向试件连接强度在搭接宽度为20mm时为母材抗拉强度的75%;在搭接宽度为30mm时为母材抗拉强度的97%, 基本达到母材抗拉强度。薄纬向试件连接强度时在40mm的搭接宽度时为母材抗拉强度的86%;在搭接宽度为50mm时为母材抗拉强度的90%;在搭接宽度为60mm时已达到母材抗拉强度。

与FGT-800薄膜相似, 由于材料存在离散性, FGT-250与SHEERFILL-II两种薄膜均存在经过热合处理后的连接强度大于母材抗拉强度的情况, 尤其对于FGT-250薄膜, 其离散性体现得较为明显, 如表2所示, 搭接后的FGT-250薄膜连接强度达到了母材抗拉强度的116%。这与薄膜性质有关, FGT-250薄膜涂层较薄, 纱线也比较细, 性质上与网格膜相似, 工程中通常将其作为内膜使用。

本文采用单向拉伸试验方法, 研究了不同搭接宽度下PTFE薄膜连接试件的应力-应变关系和破坏形式, 基本结论如下:

(1) 不同搭接宽度下, PTFE试件的拉伸应力-应变曲线符合典型PTFE薄膜的力学特征, 分为弹性阶段、基层纤维和涂层之间逐渐脱离形成的整体变形迅速增加阶段、应力强化阶段共三个阶段。经向连接强度大于纬向连接强度, 经向断裂延伸率小于纬向断裂延伸率。

(2) 试件破坏形式主要表现为热合面的滑移破坏、拉力作用下的平截面断裂破坏以及斜截面撕裂破坏三种。当搭接宽度为20~30mm时, 薄膜破坏位置多发生于搭接热合区内或者热合区边缘处;当搭接宽度大于30mm时, 薄膜破坏位置基本出现在热合区范围以外的母材区域。

(3) 三种型号PTFE薄膜连接拉伸试验结果表明, 当搭接宽度为30~40mm时, 连接强度可以达到母材抗拉强度的80%;当搭接宽度为50~60mm时, 连接强度可以达到母材的抗拉强度。

致谢:感谢柯沃泰膜结构 (上海) 有限公司的王海明、夏健, 华东建筑设计研究院有限公司的巫燕贞三位同仁在试验过程中给予的帮助。