反復(fù)加載下PVC建筑膜材的應(yīng)力松弛行為

陳妍 汪澤幸 李洪登 何斌

摘?要：為進(jìn)一步研究膜材的松弛性能，對PVC膜材的反復(fù)應(yīng)力松弛性能進(jìn)行了測試，并討論了初始松弛應(yīng)力、松弛次數(shù)、單次松弛時間對殘余應(yīng)力、反復(fù)應(yīng)力松弛率和反復(fù)應(yīng)力松弛速率的影響。分析結(jié)果表明：殘余應(yīng)力隨松弛次數(shù)和初始松弛應(yīng)力的增加而增加，隨單次松弛時間的增加而降低;反復(fù)應(yīng)力松弛率隨初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間的增加而增加，隨松弛次數(shù)增加而降低;反復(fù)應(yīng)力松弛速率隨單次松弛時間和松弛次數(shù)的增加而增加，隨初始松弛應(yīng)力的增加而減少。

關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu)材料;反復(fù)應(yīng)力松弛;殘余應(yīng)力;反復(fù)應(yīng)力松弛率;反復(fù)應(yīng)力松弛速率

中圖分類號：TS101.923;TB332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）02-0025-05

Abstract：To further investigate the stress relaxation property of membrane materials， the repeated stress relaxation property of PVC membrane was tested in this study， and the effects of initial relaxation stress， relaxation number and single relaxation time on the residual stress， repeated stress relaxation ratio and repeated stress relaxation rate were also discussed. The analytical results showed that residual stress increased with relaxation number and initial relaxation stress， and decreased with relaxation time. The repeated stress relaxation ratio increased with initial relaxation stress and single relaxation time， and decreased with relaxation number. The repeated stress relaxation rate increased with single relaxation time and relaxation number， and reduced with initial relaxation stress.

Key words：membrane structure material; repeated stress relaxation; residual stress; repeated stress relaxation ratio; repeated stress relaxation rate

膜結(jié)構(gòu)作為一種利用張力保持其獨特外形的新型建筑結(jié)構(gòu)，在其長期工作過程中，其膜材內(nèi)部應(yīng)力會隨著時間的增加而呈現(xiàn)逐漸衰減的變化趨勢[1-2]，即產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

相對于蠕變，應(yīng)力松弛過程中，外加伸長或應(yīng)變保持不變，因而不存在外界力源能量的消耗，只是由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的弱化而引起內(nèi)部應(yīng)力的降低，在此弱化過程中，伴隨著以初始累積的變形能為代價的內(nèi)摩擦對能量的消耗，應(yīng)力松弛行為不會導(dǎo)致材料宏觀破壞，但會導(dǎo)致外形產(chǎn)生變化，從而降低或喪失使用性能，因此對膜材的應(yīng)力松弛行為進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，眾多學(xué)者對各類膜材的應(yīng)力松弛行為及模型進(jìn)行了大量的研究，陳昭榮等[3]對比分析了人工加速老化前后聚氯乙烯（PVC）膜材的應(yīng)力松弛性能;孟雷等[4-6]在對PVC與聚四氟乙烯（PTFE）膜材的應(yīng)力松弛性能進(jìn)行測試的基礎(chǔ)上，采用粘彈性理論模型對其進(jìn)行了擬合分析，并研究了應(yīng)力松弛對成形曲面的影響;郭郁等[7]、朱勇奕等[8]對機(jī)織和雙軸向經(jīng)編滌綸織物增強(qiáng)PVC柔性復(fù)合材料的應(yīng)力松弛性能進(jìn)行了測試與分析，并基于標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型、四元件模型及歐林模型對應(yīng)力松弛性能進(jìn)行了模擬分析;許珊珊等[9]、Zhang等[10]研究認(rèn)為分?jǐn)?shù)指數(shù)階模型能較好地描述不同溫度下膜材的應(yīng)力松弛行為。此外，Xu等[11]、Meng等[12]、Zhang等[13]、Schiessel等[14]也對膜材應(yīng)力松弛性能及粘彈性模型進(jìn)行了研究。

在使用過程中，為避免因膜面張力不足而導(dǎo)致膜面下垂，特別是在風(fēng)載荷作用下膜面發(fā)生顫抖現(xiàn)象[15]，需定期對膜面張力進(jìn)行檢測，確定因應(yīng)力松弛行為造成的膜面張力減退，并對膜材張力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。實際使用時，因膜材在預(yù)加張應(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)力松弛行為，而需對膜面張力進(jìn)行反復(fù)調(diào)整的過程，實質(zhì)上是在外加載荷下膜材進(jìn)行反復(fù)應(yīng)力松弛的過程。因而現(xiàn)有實驗研究中，僅研究膜材單次長時間的應(yīng)力松弛性能，不能全面表達(dá)膜材的力學(xué)性能。

基于此，本文以PVC膜材為研究對象，對其在不同初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間條件下的反復(fù)應(yīng)力松弛性能進(jìn)行測試和分析。

1?實?驗

1.1?實驗材料

以1111dtex（1000 D）高強(qiáng)滌綸長絲制備的機(jī)織方平織物為增強(qiáng)骨架，PVC為基體，表層涂覆聚偏氯乙烯（PVDF）耐紫外線防護(hù)層的膜材為實驗對象，織物經(jīng)、緯向紗線密度均為24根/5 cm，膜材厚度為0.72 mm，單位面積重量為800 g/m2。

試樣規(guī)格如圖1所示，為減少實驗過程中試樣與夾具內(nèi)表面之間的滑移及夾具內(nèi)表面對夾持部位的損傷，夾持部位采用高強(qiáng)粘合劑粘合鋁合金薄片來保護(hù)。

1.2?實驗方法

目前，在膜結(jié)構(gòu)建筑施工中，通常采用單面寬度內(nèi)膜材上施加的載荷來表示預(yù)加張力[1]，因而在對膜材松弛性能進(jìn)行實驗研究時，通常采用在設(shè)定張力條件下，對膜材的應(yīng)力松弛行為進(jìn)行研究[4-6，10-12]?；诖?，為探討初始松弛應(yīng)力σ0及單次松弛時間ts對PVC建筑膜材松弛特性的影響，設(shè)定初始松弛應(yīng)力分別設(shè)定為8，12，16 N/mm，單次松弛時間分別選用為60，90，120 s。

反復(fù)松弛實驗在型號為WDW-20C萬能強(qiáng)力機(jī)（上海華龍測試儀器有限公司）上進(jìn)行。以10 mm/min的加載速率加載到設(shè)定載荷，保持伸長，松弛時間為ts s，后以10 mm/min的卸載速率卸載至初始夾持隔距，此后反復(fù)進(jìn)行加載-松弛-卸載過程，設(shè)定松弛次數(shù)N為30次。實驗過程如圖2所示。

2?結(jié)果與分析

2.1?應(yīng)力松弛曲線分析

初始松弛應(yīng)力為16 N/mm，單次松弛時間為120 s時，松弛次數(shù)為30次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及應(yīng)力-時間曲線繪于圖3中?；趯嶒灚@得的應(yīng)力-時間數(shù)據(jù)，提取各次應(yīng)力松弛過程的應(yīng)力-時間曲線，以便對各次應(yīng)力松弛的特征進(jìn)行分析和討論。圖3（b）中對應(yīng)的30次應(yīng)力松弛曲線繪于圖4中。

圖4?反復(fù)松弛過程對應(yīng)的各次松弛曲線

圖4表明，各次應(yīng)力松弛曲線之間具有很好的相似性，表明各次應(yīng)力松弛時，其松弛機(jī)理具有一致性。同時，隨著松弛次數(shù)的增加，應(yīng)力松弛曲線之間的差異性明顯減少，并呈現(xiàn)重合的趨勢。

為進(jìn)一步分析松弛次數(shù)對各次應(yīng)力松弛行為的影響，以-dσ（t）/dt來表征單次松弛過程中的應(yīng)力松弛速率，其中：σ（t）為松弛過程中試樣受到的應(yīng)力，t為各次松弛時的松弛時間（0≤t≤ts）。

分析發(fā)現(xiàn)，基于實測松弛曲線而獲得的應(yīng)力松弛速率曲線其光滑性較差，故需對實測松弛曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，進(jìn)而獲得光滑的應(yīng)力松弛速率曲線?；谠S珊珊等[9]、Zhang等[10]的研究結(jié)果，本文采用分?jǐn)?shù)指數(shù)階模型對各次松弛曲線進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為：

則，在單次應(yīng)力松弛過程中，應(yīng)力松弛速率為：

式中：σ∞為長期松弛后試樣中殘余的應(yīng)力;σ0為初始松弛應(yīng)力;α，β，γ為待定擬合系數(shù)。

基于式（1），對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合結(jié)果表明各次應(yīng)力松弛曲線的擬合相關(guān)系數(shù)R2均超過0.99，表明分?jǐn)?shù)指數(shù)階模型在預(yù)測本文所選用膜材的應(yīng)力松弛行為時，表現(xiàn)出較高的預(yù)測精度。

以初始松弛應(yīng)力為16 N/mm，單次松弛時間為120 s為例，各次應(yīng)力松弛過程的應(yīng)力松弛速率曲線繪于圖5中。

從圖5可以看出，對于各次應(yīng)力松弛過程而言，隨松弛時間增加，應(yīng)力松弛速率呈現(xiàn)先快后慢的下降趨勢，并趨于恒定。這主要由于在松弛過程中，拉伸時張力作用使膜材的高分子材料中大分子內(nèi)部構(gòu)象變化和位移產(chǎn)生[16]，但這種變化是不平衡的，需通過粘性變形（分子鏈的滑移、重排）、普彈性變形（大分子鏈角、鏈長改變）、高彈變形（分子鏈構(gòu)象調(diào)整）來實現(xiàn)構(gòu)象的平衡，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸趨向于恒定。但由于高分子材料具有典型的粘彈性特性，大分子構(gòu)象的改變和位移的產(chǎn)生需要時間，故在應(yīng)力松弛的初始段，應(yīng)力松弛速率較高，并隨著松弛時間的流逝，應(yīng)力松弛的速率變緩且趨于穩(wěn)定。

為進(jìn)一步分析反復(fù)加載條件下，松弛次數(shù)對各次松弛時應(yīng)力松弛速率的影響，基于圖5選取松弛時間t分別為0，3，6 s，繪制不同松弛時刻對應(yīng)的應(yīng)力松弛速度與松弛次數(shù)之間的變化曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，在同等單次松弛時間條件下，隨松弛次數(shù)的增加，應(yīng)力松弛速率呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)規(guī)律遞減，但均趨于穩(wěn)定。這可歸結(jié)為，隨松弛次數(shù)的增加，應(yīng)力松弛過程中，大分子構(gòu)象調(diào)整中不可回復(fù)的粘性變形比例急劇減少，從而使得應(yīng)力松弛速率降低。

2.2?殘余應(yīng)力

圖4表明，在同一初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間條件下，任意相同松弛時間時，膜材中殘余應(yīng)力隨松弛次數(shù)的增加而增加。不同測試條件下，殘余應(yīng)力與松弛次數(shù)之間的變化關(guān)系繪于圖7中。

從圖7中可以看出，同等初始松弛應(yīng)力條件下，隨著單次松弛時間的增加，殘余應(yīng)力σr增加，這主要是由于大分子基團(tuán)和大分子鏈段的運動為時間的函數(shù)，隨著單次松弛時間的增加，大分子基團(tuán)和大分子鏈段的運動越充分，導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力釋放越充分，表現(xiàn)為殘余應(yīng)力的下降（如圖7所示）和應(yīng)力松弛量（σ0-σr）的增加（如圖8所示）。

圖7表明，同等初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間條件下，殘余應(yīng)力隨松弛次數(shù)的增加而呈現(xiàn)先快后慢的增加趨勢，并最終趨于穩(wěn)定。這主要是由于應(yīng)力松弛過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力松弛量，主要由大分子鏈的滑移和重排而產(chǎn)生;在同等初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間的實驗條件下，隨著松弛次數(shù)的增加，松弛過程中產(chǎn)生可產(chǎn)生滑移和重排的大分子的數(shù)量減少，且減少程度可表現(xiàn)為先快后慢，導(dǎo)致應(yīng)力松弛量的減少（見圖8），從而在宏觀上表現(xiàn)為殘余應(yīng)力的增加（如圖7所示）。

圖7還表明，相同單次松弛時間和松弛次數(shù)條件下，殘余應(yīng)力隨初始松弛應(yīng)力的增加而增加。這主要由于初始松弛應(yīng)力的增加，骨架纖維及涂覆層高分子材料中大分子鏈段受到的應(yīng)力越高，導(dǎo)致大分子鏈段更易滑移，從而表現(xiàn)為應(yīng)力松弛量增加。

2.3?反復(fù)應(yīng)力松弛率

不同初始松弛應(yīng)力σ0條件下，本文采用反復(fù)應(yīng)力松弛率Sr來表征因反復(fù)松弛過程時試樣中應(yīng)力的下降程度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

式中：SNr為第N次松弛后的反復(fù)應(yīng)力松弛率;σNr為第N次松弛后，試樣中的殘余應(yīng)力，即σ0-σNr為第N次應(yīng)力松弛后產(chǎn)生的應(yīng)力松弛量。

3種初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間條件下，反復(fù)應(yīng)力松弛率與松弛次數(shù)的變化曲線如圖9所示。圖9表明，在相同初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間下，隨著松弛次數(shù)的增加，反復(fù)應(yīng)力松弛率呈現(xiàn)先快后慢，并趨于恒定的衰減趨勢。在同等條件下，反復(fù)應(yīng)力松弛率隨初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間的增加而增加，隨著松弛次數(shù)的增加而減少。

2.4?反復(fù)應(yīng)力松弛速率

因本文選用3種不同的單次松弛時間ts，本文引入反復(fù)應(yīng)力松弛速率Vr來表征不同單次松弛時間ts下，松弛次數(shù)N對反復(fù)應(yīng)力松弛行為的影響，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

VNr=60σ0-σNrts?1≤N≤30（4）

式中：VNr為第N次松弛后的反復(fù)應(yīng)力松弛速率，σ0-σNr為第N次應(yīng)力松弛后產(chǎn)生的應(yīng)力松弛量。

圖10為不同初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間下，反復(fù)應(yīng)力松弛速率與松弛次數(shù)之間的變化趨勢。從圖10中可以看出，與反復(fù)應(yīng)力松弛率相似，在同等初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間條件下，隨著松弛次數(shù)的增加，反復(fù)應(yīng)力松弛速率呈現(xiàn)先快后慢，并趨于恒定的衰減趨勢。在同等條件下，反復(fù)應(yīng)力松弛速率隨初始松弛應(yīng)力的增加而增加，隨松弛次數(shù)和單次松弛時間的增加而降低。

3?結(jié)?論

本文對PVC膜材的反復(fù)松弛性能進(jìn)行試驗測試，并就松弛次數(shù)、初始松弛應(yīng)力以及單次松弛時間對殘余應(yīng)力、反復(fù)應(yīng)力松弛率和反復(fù)應(yīng)力松弛速率的影響進(jìn)行了分析和討論。

實驗結(jié)果表明，反復(fù)加載下，膜材料的應(yīng)力松弛行為與初始松弛應(yīng)力、單次松弛時間以及松弛次數(shù)密切相關(guān)。殘余應(yīng)力隨著松弛次數(shù)和初始松弛應(yīng)力的增加而增加，隨單次松弛時間的增加而降低;反復(fù)應(yīng)力松弛率隨初始松弛應(yīng)力和單次松弛時間的增加而增加，隨著松弛次數(shù)的增加而降低;反復(fù)應(yīng)力松弛速率隨著松弛時間和松弛次數(shù)的增加而降低，隨初始松弛應(yīng)力的增加而增加。

此外，研究表明在同等條件下，隨著松弛次數(shù)的增加，相鄰兩次松弛曲線差異系逐漸減少，基于可考慮在膜材施工前或膜材制備后，在設(shè)定的預(yù)加張力條件下，對膜材進(jìn)行反復(fù)預(yù)松弛處理，以便減少施工后對膜結(jié)構(gòu)膜面張力檢測和調(diào)整的次數(shù)和周期，減少后期維護(hù)工作量。

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