膜材料是以高强纤维织物为骨架材料,表面涂覆高性能涂层材料的新一代复合材料,被誉为建筑界的“第五代建筑材料”[1]。作为建筑物的覆盖材料,膜材暴露于大气环境中,直接受到日光辐射、风霜雨雪、温度变化和大气污染物等作用,物和力学性能会随着时间退化,从而对膜结构建筑的长期使用性能和使用寿命造成很大影响如今对于膜材的力学性能研究较多,主要集中在常温荷载态下的膜材力学性能分析,对于老化影响方面的研究较少[2]。目前评价膜材老化的试验方法主要有三类:自然老化、人工加速老化和实际百富策略白菜网老化[3]。人工加速老化是采用特定实验室条件加速老化,控制一定温度、湿度、辐射能、降雨周期和时间,模拟和强化自然气候条件中的光、热、氧、湿气、降雨等主要环境因素,以加速试样的老化。人工加速老化可以人为控制试验条件,模拟各种使用环境,缩短老化试验的周期,快速获得各种影响因素的作用效果。由于试验条件的可控性和试验结果再现性强,人工加速老化被广泛采用。因此,本次试验利用现有的氙灯耐气候箱对目前比较常用的一种PVC膜材(Ferrari 1202Fluotop T2型)进行人工加速老化以研究老化作用对膜材力学性能的影响。

本次试验选取的膜材力学性能指标包括单轴抗拉强度、断裂伸长率和老化率。同时为研究老化对膜材非弹性和黏弹性的影响还进行了膜材循环抗拉和松弛试验。老化设备采用氙灯耐气候箱,光源采用氙弧灯。根据《膜结构检测技术规程》(DG/T J08—2019—2007)[4](以下简称规程)关于膜材耐候性能的检测要求,设定试验箱的辐照度为800 W/m2,箱内温度为63℃,相对湿度为50%,降雨周期为18 min/102 min(降雨时间/不降雨时间)。根据针对基材为聚酯纤维的涂层织物类膜材的总辐照度要求,计算得出基本周期为86 h。本次共进行了86 h和172 h两组试验,为进行对照对未老化膜材同样进行了相关指标的测定。试验所用氙灯耐气候箱如图1所示。

采用切割条样法准备经向和纬向试样。每块试样的有效宽度为(50±0.5)mm,总长度为(300±1) mm,两端各留出50mm为夹持距离,中间隔距长度保持(200±1) mm,试样尺寸如图2所示。检测仪器采用新三思电子万能试验机试验过程按照规程进行,开试验机调整装置后,夹紧试样,采用预张力夹持,预张力设定为10 N,开启试验机,试验中的恒定伸长速率为100mm/min,张拉试样至断裂,记录最大力值断裂伸长量[5]。

牛晓明等人的试验研究表明,对于PVC涂层织物膜材,循环应力幅的大小是影响膜材循环抗拉性能的最主要因素[6]。PVC膜结构的常用预应力为3 kN/m,本试验将其作为循环应力幅下限。同时试验所用膜材的设计强度取其单轴抗拉强度的1/5,约为21 kN/m。设计强度和常用预应力平均值为12 kN/m,将其作为循环抗拉的应力幅上限。故规定循环抗拉的加载应力幅为3～12 kN/m。试样的裁剪方式和尺寸与单轴抗拉试验相同,试验步骤如下:首先以20 N/s的速度定速张拉试样,直至应力幅上限12 kN/m;然后以20 N/s的速度定速卸载,直至应力幅下限3 kN/m;重复上述步骤,循环抗拉100次,记录荷载—变形曲线。

基于课题组之前的研究成果,膜材的应力松弛与初始松弛应力水平、温度条件密切相关[7]。取试验的松弛应力为设计强度和常用预应力平均值,即12 kN/m。本次PVC膜材应力松弛试验考虑常温下松弛应力对材料性能的影响,应力松弛时间取60 h。试样的裁剪方式和尺寸与单轴抗拉试验相同,试验过程如下:首先以10 mm/min的速度将膜材应力张拉至12 kN/m,记录此时试样达到的位移值;然后保持夹具之间的距离进行60 h应力松弛试验,记录PVC膜材残余应力随时间变化的关系

将试样张拉至断裂后得到最大张拉力,按式(1)换算得到抗拉强度值:

式中σμ——膜材抗拉强度,N/mm2;

P——最大张拉力,N;

b——试样宽度,本次试验为50 mm;

d——试样厚度,本次试验为0.8 mm。

膜材的断裂伸长率按式(2)计算:

式中εu——膜材断裂伸长率;L

0——试样原始标线间距离,本次试验为200mm;

L——试样断裂时标线间距离,mm。

采用老化率γ表示膜材的耐候性能。老化率应首先分别对试样经向和纬向计算,并以各组试样经向、纬向结果的较小值为最终结果,计算公式如式(3)所示:

式中γ——老化率,试样老化前后抗拉强度的

变化率,修约至0.1%;

σμ1——初始抗拉强度;

σμ2——试验后的抗拉强度

按以上公式计算得到的老化0h、86 h和172 h后的单轴抗拉强度、断裂伸长率和老化率结果如表1所示。

从表1可以看出,当人工加速老化到86 h时,膜材经向抗拉强度减小约1.5%,维向抗拉强度减小约1.3%;当人工加速老化到172小时,经向抗拉强度减小约2.0%,纬向抗拉强度减小约4.2%。86小时和172小时的膜材老化率分别为1.5%和4.2%。断裂伸长率则几乎没有变化。试验表明人工加速老化后膜材抗拉强度呈下降趋势,但由于老化时间较短,强度下降趋势并不明显,老化率较小。膜材单轴拉伸经向和纬向的应力—应变曲线分别如图3、图4所示,将经向和纬向的曲线放到一起得到的对比图如图5所示

由以上膜材应力—应变曲线可以发现,PVC涂层织物类膜材单轴拉伸下的破坏过程分为三个阶段:第一阶段是低应力下少数纤维的早期断裂阶段;第二阶段是损伤的扩展阶段;第三阶段是最终破坏阶段三个阶段的发展都与纤维、基体和界面的性能密切相关。由图3和图4可知,PVC膜材老化后曲线趋势基本保持一致,尤其是低应力阶段曲线几乎重叠,可见低应力作用下老化作用对PVC膜材拉伸性能几乎没有影响。PVC膜材的经向和纬向弹性模量老化后均降低,可见老化作用会导致膜材刚度降低。同时由图5可知Ferrari1202 Fluotop T2型PVC膜材纬向弹性模量比经向弹性模量大,老化后膜材仍然保持此规律,经纬向受老化作用影响具有一致性。

按照试验方案分别对未老化、老化86 h和老化172 h后的膜材进行经向和纬向的循环拉伸试验得到拉伸曲线,得到经向和纬向残余应变与循环次数的变化规律,如图6和图7所示。

由图6和图7可知,老化作用会使PVC膜材在循环拉伸后的残余应变降低,且老化时间越长,残余应变降低越多。同时,可以发现老化后残余应变值更快趋与常数,膜材表现出更强的线性和弹性特征,塑性变形能力降低。对比经向和纬向曲线可以发现纬向残余应变值受老化作用影响较经向大,纬向纤维对老化作用更敏感。

为了更直观地体现膜材的应力松弛性能,定义应力保持率和松弛模量分别如式4和式5所示:

式中ζ——应力保持率,修约至0.1%;

σt——试验进行到t时刻的应力值,N/mm2;

σ0——试验初始应力值,为15 N/mm2;

ε0——初始应变值,由张拉到12 kN/m时试样的位移值计算得到;

G——松弛模量,MPa

全新膜材和老化86h、172 h后膜材的残余应力、应力保持率、初始应变值和松弛模量的数值如表2所示

表2结果表明,老化作用会导致相同条件下PVC膜材松弛残余应力和应力保持率提高,当老化172 h后,经向和纬向应力保持率分别提高了8.46%和12.81%同时松弛模量随着老化时间的增加而变大,老化86 h后经向和纬向松弛模量分别提高了6.22%和10.27%,老化172 h后经向和纬向松弛模量分别提高了17.91%和25.89%。由应力松弛试验结果可知老化作用会使PVC膜材产生松弛硬化,应力松弛现象减弱,粘弹性降低。且老化时间越长,膜材松弛后应力保持率越高,松弛模量越大,松弛硬化效应越明显。对比经向和纬向结果同样可以发现纬向纤维对老化作用更敏感。

本次试验针对Ferrari1202 Fluotop T2型PVC膜材进行了86 h和172 h的人工加速老化处理并将老化后和未老化膜材进行了单轴拉伸至断裂、循环拉伸和应力松弛三种试验,分析了老化作用对PVC膜材单轴强度、弹塑性和粘弹性的影响以及经纬向的差异,为提出更合理的膜结构设计实用表达式提供了试验数据[8]。

(1)人工加速老化86 h和172 h后,膜材老化率分别为1.5%和4.2%。膜材抗拉强度随着老化作用的增强而呈下降趋势,但由于老化时间较短,下降趋势并不明显,老化率较小。

(2)老化时间越长,膜材循环拉伸后残余应变降低越多,残余应变值更快趋于常数,膜材表现出更强的线性和弹性特征。

(3)老化作用会导致膜材产生松弛硬化,松弛现象减弱,粘弹性降低。且老化时间越长,松弛后应力保持率和松弛模量越大,松弛硬化效应越明显。

(4)对比所有测试指标可知,PVC膜材经纬向受老化作用影响具有一致性,但纬向纤维比经向纤维受老化作用影响更大,对老化作用更敏感。

目前膜材耐候性研究还处于起步阶段,人工加速老化是一种有效可行的研究思路。后续应进一步加大老化时间,研究膜材长期耐候性能,同时应对几种类型的膜材进行研究以得到更广泛的老化规律。