膜结构建筑是“21世纪的建筑”, 造型设计自由独特、可充分体现建筑师的构想, 堪称建筑上的艺术品, 主要应用于大型体育场馆、入口廊道、购物场、娱乐场、停车场、展览会场、植物观光园等建筑[1]。膜结构建筑与普通建筑的最大不同就是它是通过建筑膜结构材料 (简称建筑膜材) 来诠释这一独特的建筑形式。建筑膜材按照材质主要分为聚酯纤维膜材和玻璃纤维膜材。聚酯纤维膜材主要以PVC为涂层材料, 应用该类膜材的建筑常称为“临时性建筑”, 一般使用年限为5~10, a;还有采用比PVC表面涂覆稳定性更好的聚二氟乙烯 (PVDF) 或聚偏氟乙烯 (PVF) , 应用该类膜材的建筑常称为“半永久性建筑”, 一般使用年限为10~15, a。玻璃纤维膜材多采用聚四氟乙烯 (PTFE) 为涂层材料, 该类膜材耐候性佳、难燃、且具有自清洁性, 使用寿命长, 一般可达25~50, a或更长久, 因此应用该类膜材的可称为“永久性建筑”。膜结构建筑按建筑类型可分为:充气式膜结构建筑、骨架式膜结构建筑和张拉式膜结构建筑。其中以张拉式膜结构最为现代建筑常用模式, 且该建筑模式多采用玻璃纤维建筑膜材。我们重点就研究用于张拉式膜结构建筑的玻璃纤维建筑膜材 (以下简称玻纤膜材) 的性能评价方法, 我们希望通过本文能为如何评价和选择玻纤膜材提供一些帮助。

玻纤膜材所用的织物为玻璃纤维机织物, 织物的性能很大程度影响到膜材的性能。因此在评价玻纤膜材时, 我们需要先了解其织物结构及具体的织物设计参数, 这样才能更好地掌握与评价其力学性能。玻璃纤维机织物常见的组织结构为平纹、斜纹、缎纹和纱罗组织[2]。膜材多采用平纹结构, 如图1所示。平纹组织结构紧密、坚牢、不易变形, 是适合选用的组织结构。目前国内外常见玻纤膜材均采用此类组织结构。

据有关资料介绍, 目前玻纤膜材的织物设计出了一种新的“巴拿马结构” (见图2) 。该结构基本形态为平纹, 但其为双经、双纬的交织方式。该结构能有效减少纱线的弯曲, 提高织物的经纬向纱线强度。

玻纤膜材的织物除了组织结构的确定, 更重要的是选用纱线的单丝直径、织物经纬纱线密度等。目前常用的国外玻纤膜材织物结构设计见表1。

在表1中可以看出, 目前常用玻纤膜材的织物中所选用的纱线一般是B级纱。这种单丝直径只有3.5μm的纱线最早由美国欧文斯科宁公司在20世纪60年代初研制成功, 主要用于和其他纤维织物结合制作宇航服和航天飞机的其他防火制品。自80年代以来, 最大的应用就是制作建筑膜材, 仅美国一年的用量就在500~800, 万, m2[3]。B级纱能为膜材提供好的拉伸断裂强力、撕裂强力和耐折性。

玻纤膜材不但要求使用寿命长, 且往往用于大跨度建筑都是使用在室外环境, 因此对其力学性能有着很高的要求。玻纤膜材在实际环境中要承担各种荷载如恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载等, 及预应力、气压力、温度变化、支座沉降等各种因素。膜材的刚度和稳定性是通过预应力和曲度来达到静态的平衡。膜材的形态为双曲抛物面 (见图3) , 它在平衡状态下有2个弯曲方向, 如图4所示的方向1和方向2。在这两个方向上, 曲面是一个向上, 另一个向下的, 因此膜材受到的是空间的张拉力, 如图4中的方向1上的张拉力和方向2上的张拉力[4]。

玻纤膜材由于其平纹组织结构, 我们可认为其属于双向正交异性材料, 其经纬向力学性能有很大差异。玻纤膜材只能承受拉力, 不能受压或受弯。强力指标和弹性常数是膜材最为重要的力学性能特征量, 前者主要包括评价拉伸断裂强力、断裂伸长率、撕裂强力。由于玻璃纤维是脆性材料, 具有不耐折叠的特性。为了评价玻纤膜材的耐折性能, 往往我们还需评价折叠后的拉伸断裂强力。后者主要包括评价膜材弹性模量、泊松比及剪切模量。

拉伸断裂强力和断裂伸长是表征玻纤膜材力学性能的最重要指标。对于一般玻璃纤维涂层织物的拉伸断裂强力我们主要采用GB/T 7689.5《增强材料机织物第5部分玻璃纤维拉伸断裂强力和断裂伸长的测定》进行单向拉伸强力及伸长率的性能评价。国外膜材的评价方法主要采用德国、美国、日本的标准。我们具体比较一下我们的测试标准和国外各种标准的差异, 见表2。

影响膜材拉伸断裂强力性能测试结果的主要因素包括起始有效长度、试样宽度和拉伸速度, 其中前两个影响因素较大。我们的国标方法与DIN, 53354、ISO, 1421的测试条件是基本相同的。因此我们认为膜材的拉伸断裂强力可以按照GB/T, 7689.5, 类型Ⅰ的方法进行测试。

膜材为了方便运输和现场制作, 不可避免地会遇到折叠问题。而玻纤膜材又由于玻纤本身材质是不耐折的, 为了评价玻纤膜材能否经受必要的折叠, 我们认为需要建立这一性能评价指标。在国外玻纤膜材产品如圣戈班的Fabrasorb®系列与Sheerfill®系列中也有该项指标, 具体见表3。

圣戈班的Fabrasorb®系列与Sheerfill®系列玻纤膜材的折叠后的拉伸断裂强力的评价方法主要采用的是ASTM, D, 4851。该方法主要是采用4.5, kg、直径90, mm钢辊往复滚压玻纤膜材成圈试样10次后, 测定折叠后的拉伸断裂强力。该方法是模拟现实场景的方法, 具有可靠性。与常用玻璃纤维涂层织物所采用的MIT耐折度仪法相比, 又具有快捷的特点, 因此是一种较实用的评价玻纤膜材耐折叠性能的方法。

建筑膜材的撕裂破坏是在膜结构安装应力或预应力作用下, 由膜材料上的初始小洞、裂缝或其他缺陷等引发, 再迅速扩大并导致膜材料整体破坏的过程。由于它与膜材的安装和使用安全有密切关系, 因此受到膜结构工程界的普遍重视[5]。

建筑膜材的撕裂强力与拉伸强力这对性能是有着相互影响的。一般玻纤织物都有着高的拉伸断裂强力、弹性模量 (见表4[2]) 和低的撕裂强力, 因此在膜材设计中要综合考虑拉伸强力与撕裂强力之间的平衡。玻璃纤维涂层织物的撕裂强力我们一般采用双舌法。但在评价玻纤膜材时, 采用双舌法 (见图5) , 不能顺着“舌形”撕裂开, 往往是顺着一个夹具端发生断裂, 造成不能准确反映撕裂强力。

目前国外通常采用的评价玻纤膜材撕裂强力的方法为“梯形撕裂法” (见图6) 。例如ASTM D4851[6]、JIS L1096、BS 3424 (Method 7B) 、DIN53363都等同采用了此方法。采用此法玻纤膜材顺着梯形方向发生撕裂, 实验结果稳定。因此我们认为可采用此法判断膜材的撕裂性能。

建筑膜材的弹性常数是对膜结构进行恰当结构分析的基础和保证。由图4可以看出膜材在张拉过程中及完成后是受到双向拉伸力作用, 因此为了反映出实际受力情况, 评价其弹性常数最好通过双轴向拉伸试验来完成。评价膜材的弹性常数主要是通过弹性模量、泊松比及剪切模量来反映的。

试验步骤:采用双轴向拉伸试验机在膜材经纬向施加的载荷比例为1:1、2:1、1:2、1:0、0:1 (见图7) ;然后采用应变计或非接触传感器同步采集膜材中心点处的应变值 (见图8) 。从应力-应变关系可求出膜结构设计所需的弹性模量和泊松比。本例中的弹性模量经纬向分别为1270, k N/m和866, k N/m;经纬向泊松比分别为0.87和0.59。

剪切模量的求解具体方法仍以日本中兴化成公司测试FGT-600为例。

试验方法:按照MSAJ/M01-1993标准;

试验设备:剪切模量试验机;

初期张力:29.4, N/cm;

拉伸速度:2, mm/min;

变位:4, mm;

反复次数:4次。

试验步骤:将试样固定在边框铰接构成的正方形框中, 并在经纬向上引入与初期张力相等的预应力, 通过变位使膜材在面内产生剪应力和剪应变, 并计算出剪切模量。本例中的剪切模量平均值为57.6, k N/cm。

弹性常数是与膜材应力状态关系极大的物理量。但该性能的评价要通过双轴向拉伸试验来完成, 我国在此项研究工作中尚缺乏经验, 这是下一步我们对膜材的力学性能开展评价的一个重点课题。

玻纤膜材作为永久性建筑用材料必须经受得住各种气侯的考验。评价膜材的耐候性主要是评价其经各种恶劣条件处理后, 其各项力学性能 (特别是拉伸断裂强力、撕裂强力) 的变化情况。在美国主要是采用加速老化性能评价。在日本, 例如中兴化成对于玻纤膜材的耐候性主要评价了: (1) 加速老化性能。 (2) 自然暴露性能。 (3) 耐雨水性能。 (4) 耐寒性能。在我国我们根据试验条件和我国的多酸雨气候特点重点考虑评价: (1) 加速老化性能 (耐湿热) 。 (2) 耐酸性能。

在美国, 玻纤膜材的加速老化处理按照ASTM G23[7] (方法1) , 即120, min为一周期的太阳碳弧灯照射与水淋相结合的方法进行试样处理后, 再进行性能对比及评价。在日本玻纤膜材的加速老化性能评价主要采用了JIS, A1415, 即120, min为一周期的太阳碳弧灯照射和水淋相结合, 总时长为5, 000, h的试样处理后, 再进行拉伸断裂强力保留率和撕裂强力保留率的评价。

在我国橡胶或塑料类的有机涂层织物的加速老化性能评价多采用GB/T, 24135, 该标准等同采用了ISO, 1419-1995。根据玻纤膜材的使用条件, 我们考虑应该采用GB/T, 24135中最为苛刻的方法C (湿热试验) 进行加速老化处理, 即在70, ℃、空气相对湿度95%的恒温恒湿试验箱中放置168, h后, 再进行拉伸断裂强力保留率和撕裂强力保留率的评价。

为了评价玻纤膜材在自然环境中含有污染物的雨水对其耐久性的影响, 我们认为应该建立此项评价方法。日本根据本国气候特点采用的方法是将试样在混合药液 (SO4-2、NO3-、NH3-) 中浸渍7, d后, 再进行拉伸断裂强力保留率的评价。我们根据我国酸雨较多的实际情况, 考虑建立玻纤膜材耐酸性的评价。具体方法是将试样在0.8, mol/L的亚硫酸溶液的密闭干燥皿中常温浸泡试样28, d, 再进行拉伸断裂强力保留率的评价。

建筑膜材作为现代建筑又一充满时代感的是其白色的半透明质感, 既美观又节能。为了有效地评价膜材的透光性能, 目前美国采用的评价方法为ASTM, E424[8]。玻纤膜材由于采用的是PTFE涂层, 该涂层经烧结处理后会发生黄变, 但随着日光照射, 会逐步脱色成为白色, 因此玻纤膜材的透光率在使用初期会随着使用时间的延长而提高。日本中兴化成工业株式会社采用该公司的FGT-600进行了透光率变化的实验, 评价方法为采用岛津制作所提供的光谱光度计UV-240, 具体结果见图10。

为了评价膜材的透光率建议采用与ASTM, E424类似的方法进行测定。目前国外典型的玻纤膜材产品的透光率性能见表5。

建筑膜材作为建筑材料必须符合建筑物材料防火的性能要求。玻纤膜材由于基材的不燃和涂层PTFE材料的难燃使其该项性能远好于化纤膜材。目前比较完备的评价玻纤膜材的防火性能的体系就属美国了。美国膜材产品的防火性能评价主要是采用ASTM, E84[9]、ASTM, E108[10]、ASTM, E136[11]及NFPA701[12]。

《ASTM, E84建筑物表面燃烧性能》的测试方法适用于暴露出表面的顶篷或墙面。通过测量表面的火焰蔓延速度和膜材产生的烟气指数来评价防火性能。火焰蔓延速度分为Ⅲ级 (0~25为Ⅰ级;25~75为Ⅱ级;75~200为Ⅲ级) 。产生的烟气指数的评价以矿物纤维水泥板定为指数0;红橡木地板定为指数100;最高指数为450。

《ASTM, E108, 屋顶覆盖物外部燃烧性测试》, 该标准适用于评价屋顶覆盖物抵抗外部火灾的能力。Class A的测试适合于表征屋顶能有效地抵御严重的火灾;Class B的测试适合于表征屋顶能有效地抵御中等强度的火灾;Class C的测试适合于表征屋顶能有效地抵御较小的火灾。同时, 在任何的情况下, 屋顶不能从原来的位置脱落或飞出。

《ASTM, E136, 基体材料在750, ℃烟囱炉中的性能评价》, 该标准是用来测试织物基材 (俗称“本色产品”) 的防火性能, 而非层压材料或涂层织物的防火性能。具体方法是放置约9.7, cm2的一堆织物基材于750, ℃的烟囱炉中。观察其在开始30, s内, 是否能达到无烟且材料温升不超过30, ℃。以此来评价织物基材的防火能力。

《NFPA, 701, 织物和薄膜防火性能测试》, 该测试方法评价了阻燃型织物和薄膜点火难度以及暴露在火焰中传播火焰的难度。通过火源的大小来评价阻燃性能的大小。

该项性能评价体系的建立能全面反映出建筑膜材的防火性能, 美国圣戈班公司的系列玻纤膜材产品均采用此评价体系, 具体测试情况见表6。

因此, 作为一类新型建材我国也需要尽快建立完善的防火性能评价体系并建立相关的测试评价实验室。

建筑膜材作为现代建筑用材料, 其各项性能研究与评价是使该类材料得到广泛应用和推广的基础。玻纤膜材作为“永久性建筑”用膜材的性能评价更为重要。目前国内能够生产玻纤膜材的企业很少, 同时评价方法也不健全。本文通过对国外典型产品的各项性能、国外已建立的膜材评价方法以及国内一些具备测试条件的膜材测试项目研究, 希望能为我们玻纤建筑膜材的发展尽绵薄之力。