外涂聚氯乙烯的聚酯纤维类膜材(一般称为PVC膜材)质地柔软,有较好的拉伸性能,对裁剪误差有较好的适应性,而且价格便宜,在工程中有广泛的百富策略白菜网,但其耐久性和自洁性相对较差.建筑用PVC膜材大多采用平织,在编织过程中,先把经向纱线拉紧,然后将纬向纱线上下交替绕过经向纱线,因此平织PVC膜材经、纬向的力学性能差别较大.

目前国内外对平织PVC膜材力学性能的研究主要集中于获取规范/规程推荐的标准试验条件下的膜材主要力学参数(抗拉强度、断裂延伸率)[1,2,3].作为各向异性的黏弹性材料,偏轴角度、加载比例、加载顺序等都会对膜材力学性能产生显著影响[4,5].已经有不少学者对PVC膜材的偏轴拉伸性能(一般包含0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°这7个偏轴角度)进行了试验研究,讨论了材料的各向异性和破坏模式.但同时发现:在做小角度拉伸试验时,拉剪耦合应力状态下膜材的抗拉强度会急剧下降,现有的材料强度准则很难对其做出精确预测和合理解释[6,7,8].因此有必要减小偏轴试验的角度间隔,重点研究拉剪耦合状态下的膜材破坏机理.另外,现有研究主要在某一确定拉伸速度下进行,并未研究不同拉伸速度对膜材力学性能的影响,而膜材作为一种典型的高分子复合材料,拉伸速度对于其力学性能的影响非常明显[9],尤其是对于分析膜结构的风致灾变来讲至关重要.但是,平织PVC膜材的相关研究却鲜有公开报道.

本文以两种常见的平织PVC膜材作为研究对象,采用单轴拉伸试验方法,研究不同偏轴角度α以及拉伸速度vε对其力学性能的影响,重点研究了拉剪耦合状态下材料的拉伸性能和破坏机理,讨论了拉伸速度对膜材主要力学参数及破坏模式的影响规律.

试验采用上海申达科宝公司生产的科宝MH56021-1500/902型膜材和浙江星益达增强材料有限公司生产的星益达1670型膜材.其中科宝膜材的厚度为0.80mm,纱线密度为6×6根/cm,面密度为1 500g/m2;星益达1670型膜材的厚度为0.78mm,纱线密度为6×6根/cm,面密度为1 250g/m2.两种膜材均采用平织编织而成,且采用双面PVDF处理.

试验参照上海市地方规程DG-TJ08-2019—2007《膜结构检测技术规程》进行.此类试验一般采用长方形试件,但是试验过程中试件经常在夹持端处断裂或者发生滑脱,导致试验结果失效,因此本试验采用哑铃型试件.试件尺寸见图1.应力根据试验过程中作用于试件上的拉力与截面面积之比计算得到,不考虑伸长后截面面积的变化.应变根据标线间距离变化,由大变形位移计测试而得.

采用ANSYS软件对哑铃型试件和长方形试件进行对比分析,单元类型选择shell41单元,材料选择正交异性材料,经、纬向弹性模量分别为800MPa和600 MPa,泊松比为0.3,加载按照控制位移实现.试验结果见图2.分析发现,长方形试件在进行偏轴拉伸时,受力相对均匀,夹持端处部分应力较大,容易在夹持端发生破坏,加上PVDF涂层表面比较光滑,容易滑脱,这与试验现象比较一致(见图2(a)).对于哑铃形试件(见图2(b)),在有效区域(夹持线间)内,其应力分布规律与长方形试件比较一致,加之夹持端宽度较大,能够保证不发生滑脱,并在有效区域内破坏,因此,可以用该试件来分析膜材料的偏轴拉伸性能.

分析试验结果后发现,由于两种型号膜材皆采用平织,且编织密度比较接近,所以它们的力学性能及试验数据规律比较一致,后续研究均以星益达1670型膜材作为研究对象.

首先以规程DG-TJ08-2019—2007规定的正常拉伸速度100mm/min进行拉伸试验,结果见图3(以纬向为基准方向)和表1.由图3可知,平织PVC膜材表现出了明显的各向异性特性.由表1可知,当偏轴角度为90°和0°时膜材的抗拉强度最大,且经向强度略大于纬向,断裂延伸率则远小于纬向,这主要跟编织密度和编织方法有关.破坏时首先是部分纤维发生断裂,这些纤维被拉断后将卸下的应力迅速传递给其两侧的纤维,由于纤维与涂层界面的黏结强度相对较强,纤维很难从涂层界面中拔出,导致大部分纤维在同一部位断裂,断口的破坏形式以整齐断裂为主(见图4(a)),属于纤维破坏.当偏轴角度为85°和5°时,膜材的抗拉强度会有明显减小,原因是那些在试件受拉区域内的纤维总数不变,但在拉剪耦合应力状态下,纤维的利用率普遍降低,此时纤维仍以整齐断裂为主,但是部分纤维会从周围的纤维与涂层界面中拔出而导致材料破坏(见图4(b)),致使其断裂延伸率也会略小于0°和90°的膜材.

当偏轴角度为75°和15°,65°和25°时,膜材的抗拉强度会进一步降低,而断裂延伸率逐渐增加.此时试件的断裂截面中间部分整齐断裂,两侧部分会出现大量的纤维拔出破坏,纤维同时受拉力和涂层界面的约束,部分纤维整齐断裂,部分纤维与涂层界面分离,导致试件的断裂延伸率迅速增大,断口参差不齐.当偏轴角度为55°和35°,45°时,膜材的抗拉强度降到最低,断裂延伸率达到最大,此时试件的破坏模式以界面破坏为主,纤维与涂层界面能够对纤维起到一定的约束作用,剪应力在破坏过程中起控制作用,断口的破坏形式以纤维拔出破坏为主(见图4(c)),试验过程中能在试件边缘看到明显的纤维断裂和界面破坏现象[10].

如图1所示,偏轴试验时,基布纤维主要有两种受力方式:贯穿试件的纤维两端固定在夹具中,以承受拉力为主,材料利用率相对较高;未贯穿试件的纤维只能承受部分拉力以及涂层界面对其的剪切作用,利用率相对较低.当偏轴角度逐渐增加时,试件中纤维的总数不变,贯穿试件的纤维数目则逐渐减少.试件边缘处的纤维无法贯穿整个试件,承受拉力的能力降低.从图5的有限元分析中可以看出这部分纤维所受剪力迅速增大,在拉剪耦合状态下更易从周围的纤维及涂层界面中拔出,导致试件的抗拉强度迅速降低.当偏轴角度从15°增加到25°(或75°减少到65°)时,贯穿试件的纤维数量减少到0,主受力纤维所受的拉应力继续降低,而剪应力继续增大,此时试件的抗拉强度降低不明显.当偏轴角度从25°增加到45°(或65°减少到45°)时,试件边缘处纤维变短,与周围纤维及涂层界面的黏结强度降低,所受剪力继续增大,最终剪应力起控制作用,试件呈现出剪切破坏的模式.

图6为不同拉伸速度下平织PVC膜材的经向应力-应变曲线.由图6可以看出,拉伸速度对平织PVC膜材的抗拉强度和断裂延伸率有一定的影响,但应力-应变曲线的总体变化趋势保持不变[11,12].运用最小二乘法将试验得到的经向抗拉强度(fu)、断裂延伸率(εu)与拉伸速度(vε)的关系进行拟合分析,所得结果如图7所示.由图7可见:当拉伸速度增加时,膜材的抗拉强度会略微增加,增幅大约在5%至15%,断裂延伸率会略微下降,降幅在5%至10%;膜材的抗拉强度、断裂延伸率与拉伸速度的对数呈线性关系.

拟合得到试件的经向抗拉强度fu、断裂延伸率εu与拉伸速度vε的关系为:

式中:a,b,c,d均为拟合系数,详见表2.

图8为PVC膜材在不同拉伸速度下的破坏形式.如图8所示,不同拉伸速度下,偏轴角度相同的膜材破坏模式比较一致.当偏轴角度较小时,纤维主要以整齐断裂为主,随着偏轴角度的增加,其破坏模式由整齐断裂逐渐变为复合型破坏,最后变为纯粹的纤维拔出破坏.随着拉伸速度的增大,材料变形时的动能变大,能量的损耗增加,纤维吸收能量的速度加快,断裂韧性增大,试件断裂所需要的能量增加,导致其抗拉强度提高,同时由于材料抵抗裂纹扩展的阻力变大,致使试件的断裂延伸率略微减小[13].

试验中还发现在拉伸速度较小时,材料内部缺陷对于材料强度的影响比较明显.以复合型破坏为例,拉伸速度较小时,试件边缘处的纤维易从周围的纤维与涂层界面中拔出,破坏时一般会先在边缘处出现小部分的纤维拔出,而后发展到断裂截面中部;随着拉伸速度的增大,拔出的纤维数量略微减少,大部分试件的破坏模式变成了断裂截面中间部分整齐断裂,同时两侧出现少量的纤维拔出破坏.这是因为拉伸速度较小时,材料的断裂韧性较小,材料抵抗裂纹扩展的阻力很小,试件内部的微裂纹极易扩展;随着拉伸速度的增大,材料的断裂韧性变大,抵抗裂纹扩展的能力增强,试件边缘处的裂纹扩展变慢.

(1)平织PVC膜材是典型的各向异性材料.当拉力方向与纤维方向平行时其抗拉强度最大,断裂延伸率最小;当偏轴角度增大时,其抗拉强度逐渐减小,而断裂延伸率逐渐变大.经向抗拉强度略大于纬向,断裂延伸率则明显小于纬向,这主要跟编织方法和编织密度有关.

(2)当偏轴角度为0°和90°时,由于纤维与涂层界面的黏接强度相对较强,膜材的破坏模式主要以纤维整齐断裂为主,此时纤维利用率最高,膜材的抗拉强度最大;当偏轴角度接近45°时,材料破坏主要是因为纤维拔出而导致,属于界面破坏,此时剪应力起控制作用,纤维强度利用率最低,膜材的抗拉强度最小;在其他角度时,膜材的破坏模式大多为部分纤维拉断和部分界面破坏的复合型破坏,此时材料处于拉剪耦合状态下,纤维利用率较低,膜材的抗拉强度介于纤维整齐断裂破坏和界面破坏之间.

(3)随着拉伸速度的增大,平织PVC膜材的抗拉强度逐渐增大,断裂延伸率逐渐减小,且与拉伸速度的对数呈较好的线性关系.这主要是由于随着拉伸速度的增大,材料吸收能量的速度加快,断裂韧性增大,试件断裂所需要的能量增加,导致其抗拉强度增大;同时材料的内部缺陷对其抗拉强度的影响程度会随着拉伸速度的增加而逐渐减小,材料抵抗裂纹扩展的阻力变大,试件内部的微裂纹不易扩展.