PTFE膜材力學性能及抗力不定性分析

張營營，張其林，宋曉光

（1.中國礦業大學 江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；3.山東省建筑科學研究院，山東 濟南 250031）

由于對膜結構抗力及荷載作用影響缺乏足夠認識，現行各國膜結構設計規程（如中國CECS158：2004《膜結構技術設計規程》等）大多采用了基于經驗的容許應力設計法，而沒有采用基于結構可靠度的膜結構概率極限狀態設計法，這使得膜結構設計和施工中容易出現較大偏差.

建立基于結構可靠度的膜結構概率極限狀態設計法，需要對影響膜結構抗力的各種不確定因素進行詳細的統計分析，得出相應的影響規律，然后通過膜結構抗力與各種不確定因素的函數關系，推求出膜結構抗力的統計特征參數［1］.影響膜結構抗力的不確定因素很多，一般可以歸納為三類：膜材力學性能的不定性、構件幾何參數的不定性和結構計算模式的不定性.當然這三者之間是相互關聯、相互影響的，但其中膜材力學性能的不定性影響最重要、最復雜，是進行膜結構可靠度研究、實現膜結構概率極限狀態設計的關鍵所在［2］.

作為高分子復合材料，膜材力學性能受制作工藝、使用環境影響明顯.為了考慮雙軸折減、材料老化及施工過程中局部損壞等諸多因素對膜材力學性能的影響，在膜結構設計時往往采用較大的安全系數，但這樣容易導致安全儲備過大，造成浪費.因此，有必要深入把握膜材力學性能，進行膜材抗力不定性分析，為膜結構可靠度分析奠定基礎.

目前國內外應用的建筑膜材主要包括熱塑化合物類膜材和涂層織物類膜材兩大類，其中熱塑化合物類膜材主要為ETFE 膜材（乙烯－四氟乙烯共聚物），而涂層織物類膜材主要有PTFE 膜材（外涂聚四氟乙烯的玻璃纖維類膜材）和PVC 膜材（外涂聚氯乙烯的聚酯纖維類膜材）兩類.熱塑化合物類膜材屬近各向同性材料，性能相對比較明確［3］，而涂層織物類膜材屬各向異性材料，其力學性能受加載大小、加載比例及加載次序等因素影響明顯，比較復雜.目前對涂層織物類膜材的研究主要集中在常溫荷載狀態下膜材力學性能及力學參數的研究［4］，而對于環境方面的影響則研究較少［5－6］.作為一種高分子復合材料，膜材在使用過程中會受到光、熱、風、雨、雪、大氣污染物等多種環境因素的影響，造成材料發生力學性能的衰變.另外，膜材作為建筑結構的一部分，大都暴露在空氣中，其不可避免地要受到風荷載的循環作用.在風荷載的循環作用下膜材必然會產生殘余變形，減小原有的預張力，這對膜結構的長期使用性能、使用壽命等造成很大影響.因此環境作用對膜材力學性能的影響成為膜結構設計和分析時必須考慮的問題.

本文測試了2種常見PTFE 膜材（圣戈班公司SHEERFILL－Ⅱ膜材和中興化成公司（日本）FGT－800膜材）的基本力學性能，進行了膜材的抗力不定性分析，研究了循環拉伸、溫度、損傷、接縫連接、人工加速老化等對PTFE 膜材拉伸性能的影響規律，從而為膜結構可靠度研究提供參考依據.

1 試驗概況

1.1 拉伸試驗

拉伸試驗（單軸拉伸試驗和循環拉伸試驗）采用長條形試件，試件的有效寬度應為（50.0±0.5）mm，有效長度應為（1 000±1）mm，應變測距應為（200±1）mm，如圖1所示.試樣的裁剪應盡可能沿著膜材相鄰2組纖維紗線的中間位置進行，保證試樣長度方向邊緣與相應方向的纖維紗線平行，并使試樣兩側邊不能有纖維紗線的散失.拉伸試驗在配有高低溫度箱的微機控制電子萬能（拉伸）試驗機中進行，拉伸速率取100mm／min［7］.進行拉伸試驗時，先用纏繞夾具把試件固定在高低溫度箱內，然后將高低溫度箱溫度調到預定的溫度（－20，0，10，23，40，50，60，70℃），恒溫1h后進行拉伸試驗，記錄膜材拉伸曲線.

圖1 拉伸試件尺寸Fig.1 Size（mm）of tensile specimen

由于荷載作用下PTFE 膜材的最小應力可能為3kN·m－1，并且PTFE 膜結構常用預應力為4kN·m－1，膜材常用設計拉伸強度為20kN·m－1，兩者平均值為12kN·m－1，因此循環拉伸試驗所采用的應力幅分別為3～12kN·m－1，4～12kN·m－1，3～20kN·m－1，4～20kN·m－1.

1.2 撕裂試驗

撕裂試件尺寸如圖2所示.進行撕裂試驗時，先在試件上標記出等腰梯形，然后在等腰梯形上面短邊中央處垂直切出切口，切口長度為（25.0±0.5）mm.沿梯形兩腰線夾住試件，并保持等腰梯形上面短邊張緊，然后撕裂試件.在撕裂過程中試件會沿著切口裂開并逐漸擴展直至全部被撕斷.記錄撕裂過程中膜材的荷載－位移曲線.

圖2 撕裂試件尺寸Fig.2 Size（mm）of tear specimen

1.3 損傷試驗

PTFE膜材由玻璃纖維編織而成，而玻璃纖維比較脆，抗彎折性能比較差，因此需要根據生產、運輸、施工過程中可能出現的最不利損傷情況，對膜材進行損傷試驗.本文以某實際工程為背景，通過控制試樣折疊位置和折疊次數來模擬試樣損傷，然后分析試樣損傷對膜材拉伸強度的影響.具體試驗步驟：（1）按照實際結構膜面區域做一個1／3縮尺模型，中間圓拱取4跨，然后選取典型膜面區域（見圖3（a））.（2）將現場使用的PTFE膜材制成樣片（見圖3（b））并粘貼到縮尺模型上的典型膜面區域。折疊膜材，放置7d后再展開。（3）取下粘貼在模型上的膜材，在幾個不同的位置（見圖3（b））取樣（每組至少取5塊試樣）.以恒定拉伸速率100mm／min拉伸試樣，將試樣拉伸至破壞，記錄試樣拉伸強度.

圖3 損傷試驗取樣示意圖Fig.3 Sketch map of sampling for damage test（size：mm）

1.4 接縫連接試驗

接縫連接試驗中所用試件的接縫連接形式為單面熱合搭接，搭接長度取75mm.為便于與母材的拉伸強度進行比較，搭接膜材尺寸與母材尺寸應保持一致.

1.5 老化試驗

老化試驗試件（經向試件和緯向試件）尺寸同單軸拉伸試驗試件尺寸.

圖4 氙燈耐氣候試驗箱Fig.4 Xenon－lamp weather resistance test chamber

采用氙燈耐氣候試驗箱（見圖4）對膜材進行人工加速老化試驗.試驗中采用氙弧燈光源對膜材進行連續光照，并控制一定的溫度、濕度、輻射能和降雨周期，模擬自然氣候環境中光、熱、濕氣、降雨等對膜材的老化，然后測試膜材拉伸強度.根據有關規程［7］，氙弧燈光的輻射波長應控制在300～1 050nm，輻照度應大于800W／mm2，且整個試件輻照面積內輻照度允許偏差為10W／mm2.另外，控制相對濕度為（50±5）%，溫度為（63±3）℃，降雨周期為降雨18min／不降雨102min.老化試驗終止時，總輻照度應不小于1 350MJ／m2.

2 試驗結果與分析

2.1 基本力學性能

受篇幅限制，本文僅以SHEERFILL－Ⅱ膜材為例進行力學性能試驗結果分析.

膜材單向拉伸曲線和主要力學參數分別見圖5和表1.由表1可以看出：膜材的經向斷裂延伸率小于緯向斷裂延伸率，經向拉伸強度略大于緯向拉伸強度.

圖5 SHEERFILL－Ⅱ膜材單軸拉伸曲線Fig.5 Uniaxial tensile curves of SHEERFILL－Ⅱmembrane material

膜材荷載－位移曲線見圖6.由圖6 可以看到，膜材荷載－位移曲線由一組波峰和波谷組成，顯示膜材在撕裂過程中其受力不斷發生變化，而這是由膜材的組成結構所決定的.在拉伸荷載作用下，膜材裂縫根部的部分縱向紗線率先承載，隨著荷載的增加，受力區內能夠承受縱向拉力的紗線數目逐漸增多；當荷載增大到一定程度時，膜材裂縫外側不斷有紗線因變形過大而發生斷裂，同時又不斷有新的紗線開始承載，此時膜材荷載－位移曲線便進入了相對穩定的波動階段.以試件5個最大荷載峰值的平均值作為膜材的撕裂強度.膜材撕裂強度實質上是組成膜材紗線單根破斷力的統計結果，其值遠低于膜材的抗拉強度，因此實際工程中存在微小瑕疵或者裂縫膜材在雙向張力的作用下極易發生撕裂并迅速擴展到整個膜面，造成較大的安全隱患.

表1 膜材主要力學參數Table 1 Main mechanical parameters of membrane material

圖6 SHEERFILL－Ⅱ膜材的荷載－位移曲線Fig.6 Load－displacement curves of SHEERFILL－Ⅱmembrane material

對涂層織物類膜材而言，決定其主要力學性能的膜材基層是由玻璃纖維編織而成.平織法是基層纖維最常用的編織方法，在編織過程中，經向紗線張緊，緯向紗線上下纏繞、交替繞過經向紗線.因此，荷載作用下經、緯向紗線力學特性有很大差別.經向纖維受拉時，基本僅伸展變形；而交替編織的緯向紗線在受拉時，需要克服編織過程產生的卷曲度后才開始伸展變形.纖維的卷曲程度主要決定了膜材在受力初始階段的力學特性.經過最初的紗線卷曲階段，經、緯向紗線均張緊并彼此緊靠、相互影響，此時膜材的力學特性主要取決于纖維自身的性能.

PTFE膜材的單向拉伸破壞過程可分成3個階段：第1階段是低應力下少數纖維的早期斷裂階段；第2階段是膜材損傷的擴展階段；第3階段是膜材最終破壞階段.3個階段的發展都與纖維性能及纖維－涂層界面黏結性能密切相關.PTFE 膜材采用的高強脆性玻璃纖維的性質及其強度的離散性，決定了在應力較低時就有少數纖維首先斷裂.纖維一旦斷裂，其斷口端部就釋放形變能，而纖維－涂層界面的黏結作用阻止斷裂纖維斷口的收縮，纖維斷口裂紋處以及附近纖維－涂層界面上有較大的應力集中，并將斷裂纖維卸下的應力傳遞到相鄰纖維，使斷口附近的纖維出現應力集中，即“過應力”.纖維及纖維－涂層界面應力集中的程度，以及纖維損傷將如何進一步發展，完全取決于纖維性能和纖維－涂層界面黏結性能，以及它們之間的相互作用.

在膜材單軸拉伸試驗中發現，膜材的破壞形式主要有3種：（1）纖維拔出破壞.這種破壞一般發生在纖維－涂層界面黏結強度相對較弱的情況.高模量纖維斷裂將造成較大的纖維－涂層界面應力集中，而較弱纖維－涂層界面黏結強度將使其發生更長范圍內的脫黏，不能發揮纖維的最高強度，最終形成纖維拔出破壞.（2）整齊斷裂破壞.這種破壞一般發生在纖維－涂層界面黏結強度相對較強的情況.由于玻璃纖維比較脆，纖維斷口裂紋會直接造成相鄰纖維更大的應力集中而相繼發生斷裂，最終表現為纖維整體斷裂，斷面比較齊平.這種破壞形式下纖維強度利用率最低.（3）復合型破壞.這種破壞一般發生在纖維－涂層界面黏結強度比較適中的情況.部分纖維早期斷裂產生的纖維－涂層界面和基層纖維的應力集中，會造成纖維－涂層界面范圍不大的脫黏或纖維的屈服并局限在較小范圍內不再擴展.隨著外荷載的不斷增大，膜材隨機分布的局部損傷區域不斷增多，直至在其某一截面上因包含過多的損傷區域而發生整個截面的斷裂.在膜材損傷積累過程中，隨著纖維薄弱處的逐個斷裂，連續纖維變成不連續，斷口截面上呈現出長短不齊的較短纖維拔出.這種情況下膜材的拉伸強度最大［8］.

2.2 抗力不定性分析

膜結構抗力與膜材力學性能、構件幾何參數、結構計算模式等密切相關，因此，膜結構抗力應當是考慮多因素的隨機變量函數.嚴格來講，膜材力學性能和膜構件幾何參數等因素都是隨時間變化而不斷變化的，因此膜結構抗力應該采用隨時間變化的隨機過程來描述.但是，考慮到上述變化很緩慢，分析時往往將影響膜結構抗力的諸多因素簡化為與時間無關的隨機變量.當研究膜結構抗力的概率分布與統計特征參數時，應該對相同條件下相同母材的抗力實測數據進行統計分析.由于實際條件限制，要取得這樣一批同條件同母材的抗力數據非常困難.所以，對膜結構進行抗力分析通常采用間接分析方法，即先對影響它的各種主要因素分別進行統計分析，確定其統計參數；然后通過膜結構抗力與各個有關因素之間的函數關系，求出抗力的統計特征參數.

筆者依照文獻［5］，采用單一變量控制法分別考察每種因素對膜材拉伸強度的影響，以對膜材抗力不定性進行分析.在進行每一組試驗時，都分別進行1組原材料拉伸對比試驗，通過拉伸強度折減系數來表示各種因素對膜材抗力的影響.在進行抗力不定性分析時，對于大量的試驗數據，應進行合理、科學的處理，得到相應的統計結果，而對于抗力的概率分布類型，一般按照主要影響因素的概率分布類型應用數學分析方法或者經驗判斷方法確定.試驗中，先結合破壞模式來排除不可靠數據.對于在夾持鉗口附近5mm 以內斷裂的試件且該試樣試驗值小于樣本平均值，則認定該試件結果無效，應舍去.在此基礎上，采用經典的偏度、峰度檢驗法對試驗數據進行正態性檢驗.對正態分布而言，偏度和峰度均為0，即無偏無峰.對本文的試驗數據進行處理分析，發現試驗結果在顯著性水平α＝0.05的水平下均符合正態分布.

2.2.1 循環拉伸

SHEERFILL－Ⅱ膜材循環拉伸試驗結果［9］表明：（1）膜材在第1次循環拉伸結束后，其殘余應變比較大.隨著循環拉伸次數的增加，膜材殘余應變越來越小并趨近于常數，同時滯回曲線所包含的面積也在不斷減小.（2）隨著循環應力幅最大值的增加，膜材滯回曲線所包含的面積逐漸變大，殘余應變也逐漸變大；循環應力幅最小值對膜材殘余應變的變化影響不明顯.（3）在較低應力幅（3～12kN·m－1，4～12kN·m－1）作用下，第1次循環拉伸之后的緯向殘余應變約為0.069，經向殘余應變約為0.053，殘余變形發展相對較慢，達到穩定值的速度也比較慢，50次循環拉伸之后殘余應變還在緩慢增長；在高應力幅（3～20kN·m－1，4～20kN·m－1）作用下，第1次循環拉伸之后膜材的經向殘余應變約為0.074，緯向殘余應變約為0.080，明顯大于低應力幅循環拉伸后的殘余應變，這主要是因為應力為20kN·m－1時材料處于應力強化階段，膜材在此階段殘余應變增加比較明顯.此時，每次循環拉伸之后的殘余應變大于低應力幅循環拉伸相應次數后的殘余應變，但是殘余應變達到穩定值的速度較低應力幅循環拉伸快，約45次循環拉伸后殘余應變可以達到穩定值.

對循環拉伸之后的膜材進行單向拉伸試驗，以100mm／min的速度拉伸至破壞，獲得其拉伸曲線，并與未經循環拉伸膜材的拉伸曲線進行對比，結果見圖7.由圖7可見，未經循環拉伸膜材的拉伸曲線呈現明顯的非線性，而經循環拉伸膜材的拉伸曲線則接近線性，拉伸剛度明顯增大，尤其是經過高應力幅拉伸后；循環拉伸后膜材的拉伸強度與未經循環拉伸膜材相比沒有明顯變化.這是因為：循環拉伸主要改變了經、緯向纖維在編織和涂層過程中形成的卷曲程度，使得材料的線性化比較明顯，再加上試驗循環拉伸次數較少，并沒有對纖維造成明顯的損傷，因此膜材的拉伸強度變化不明顯.

2.2.2 損傷試驗

損傷膜材（SHEERFILL－Ⅱ膜材）的拉伸強度及其折減系數（參照組膜材抗拉強度與損傷膜材抗拉強度之比）見表2.表2顯示：L5處的膜材（試樣沿緯向纖維方向截取且無折疊）拉伸強度基本沒有變化；L1，L2處的膜材（試樣沿緯向纖維方向截取，且折疊過1次，折疊方向與緯向纖維方向平行）拉伸強度折減相對比較明顯，拉伸強度折減系數分別是1.08和1.05；L3，L4處的膜材（試樣折疊方向及裁剪方向與L1，L2處的膜材相同，但是折疊次數為2），其拉伸強度折減更加明顯，拉伸強度折減系數分別是1.14和1.10，其中L3處膜材的拉伸強度折減系數略大（這與其處于母材的邊緣有關）；L6 上、中（最長）、下3部分膜材（試樣沿經向纖維方向截取，且折疊2次）拉伸強度折減相對比較明顯，拉伸強度折減系數分別是1.11，1.08和1.11.綜上可知，經過損傷處理后的膜材拉伸強度有明顯的折減，折減程度同折疊方向、折疊次數有直接關系，因此在膜結構設計時應考慮膜材在搬運和折疊中出現的拉伸強度折減.

圖7 循環拉伸前后SHEERFILL－Ⅱ膜材拉伸曲線對比Fig.7 Comparisons of tensile curves of SHEERFILL－Ⅱmembrane material before and after cyclic tensile tests

表2 損傷膜材（SHEERFILL－Ⅱ膜材）的拉伸強度及其折減系數Table 2 Tensile strength and its reduction factor of SHEERFILL－Ⅱmembrane material damaged

2.2.3 接縫連接試驗

在接縫連接試驗中，搭接膜材主要發生接縫附近處的破壞（見圖8（a）），這說明該種搭接方式是有效可用的.發生這種破壞是因為靠近接縫處的膜材存在應力集中的緣故.另外搭接膜材還發生纖維拔出破壞（見圖8（b）），這主要是由于纖維－涂層界面黏結強度不足而造成的.

圖8 搭接膜材的主要破壞形式Fig.8 Failure modes of overlap welding membrane material

不同溫度下母材拉伸強度和搭接膜材接縫拉伸強度如表3所示.由表3可見：搭接膜材接縫拉伸強度受溫度影響明顯，隨著溫度的升高，搭接膜材接縫拉伸強度下降，這與母材拉伸強度的變化規律一致.

表3 不同溫度下母材和搭接膜材接縫拉伸強度Table 3 Tensile strengths of base material and seam of overlap welding membrane material under different temperatures

SHEERFILL－Ⅱ膜材（母材）經、緯向高溫影響系數（23℃拉伸強度與70℃拉伸強度之比）分別是1.068和1.150（見表3），取2個方向中的較大值為1.150；SHEERFILL－Ⅱ膜材經、緯向低溫影響系數（－20 ℃拉伸強度與23 ℃拉伸強度之比）分別是1.106和1.128（見表3），取2個方向中的較大值為1.128.即SHEERFILL－Ⅱ膜材高溫影響系數是1.150，低溫影響系數是1.128；同理，FGT－800膜材高溫影響系數是1.076，低溫影響系數是1.113.

不同溫度下搭接膜材接縫拉伸強度與母材拉伸強度的比值如表4 所示.由表4 可見，在不同溫度下，搭接膜材接縫拉伸強度能夠達到母材拉伸強度的90%以上，這表明該接縫連接方式在不同溫度下均有效.

表4 不同溫度下搭接膜材接縫拉伸強度與母材拉伸強度比值Table 4 Ratios of tensile strength of seam of overlap welding membrane material to tensile strength of base material under different temperatures

2.2.4 老化

膜材經老化試驗后，可見其表面出現污漬、斑點，且色澤略微變暗、泛黃，同時出現較明顯的軟化.

老化430h之后，經向試件拉伸強度折減系數（母材平均拉伸強度與老化后膜材平均拉伸強度之比）為1.044，緯向試件拉伸強度折減系數為1.032；老化860h 之后，經向試件拉伸強度折減系數為1.075，緯向試件拉伸強度折減系數為1.052（見表5），也就是說，老化處理后膜材的經、緯向拉伸強度均有一定程度的折減，但不明顯.

PTFE膜材的涂層材料為聚四氟乙烯，為惰性材料，故PTFE膜材抗老化性能較好.

表5 老化前后膜材的拉伸強度Table 5 Tensile strength of membrane materials before and after aging kN·m－1

3 結論

（1）膜材的經向斷裂延伸率小于緯向斷裂延伸率，經向抗拉強度略大于緯向抗拉強度.

（2）隨著溫度的升高，膜材拉伸強度逐漸減小.不同溫度下搭接膜材接縫拉伸強度能夠達到母材拉伸強度的90%以上.

（3）損傷膜材的拉伸強度有明顯的折減，折減程度同取樣位置、折疊次數有直接關系.

（4）循環應力幅較大時，經循環拉伸后的膜材拉伸曲線更接近線性.由于循環拉伸次數較少，循環拉伸后的膜材拉伸強度沒有明顯的折減.

（5）人工加速老化會使膜材表面出現污漬、斑點，膜材色澤變暗、泛黃，并出現較明顯的軟化.人工加速老化后膜材的拉伸強度有一定程度的折減，但并不明顯，這是因為PTFE 膜材的涂層材料為惰性的聚四氟乙烯的緣故.

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