混凝土帆布力学性能与应用研究进展

王 晶，陶耀华，于 康，赵佳一，庄凤明，李 辉

(1.中交一公局第六工程有限公司，天津 300451；2.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401)

0 引 言

混凝土帆布(concrete canvas,CC)是由三维间隔织物骨架结构和骨架间填充粉体组成的一种新型织物增强水泥基复合材料(textile reinforced concrete,TRC)[1]，也称为水泥毯[2-3]。其材料特点为：使用前柔软易运输，易于铺设[1]；施工过程无需搅拌、浇筑以及模板支护等复杂工艺，只需简单固定并表面浇水即可完成施工作业[4]；硬化速度极快，一般1～2 d即可完成施工，极大地缩短了工期[5]；此外，CC硬化后性能稳定，具有良好的抗压、抗拉、抗裂、抗渗水、耐磨、耐酸、耐碱、防火性能[1]。

2005年，Brewin和Crawford发明了CC，随后迅速将其投入生产和应用[1]。三维间隔织物自身具有较高的弹性模量，因此CC硬化后具有很好的延性，常规CC的极限拉应变可达到10%以上[6]，是普通混凝土极限拉应变的几千倍。2014年，Han等[7]对CC的水泥组成、织物种类以及织物结构特征进行了系统研究，在国外原有CC的基础上，进一步提高了CC的力学性能，使得CC在国内得到广泛关注并逐渐应用于实践中[8]。目前，CC已在混凝土帐篷、外滩衬里、沟渠衬砌、边坡防护、混凝土修复等方面得到了应用，并且取得了良好的社会和经济效益。

本文在系统介绍CC基本组成和力学性能的基础上，梳理了CC力学性能研究、应用研究和材料组成对力学性能的影响，系统归纳了国内外有关CC性能和应用的最新进展，为进一步研究CC力学性能，优化材料设计以及推广CC应用提供参考。

1 混凝土帆布材料的力学性能以及影响因素

CC以柔性三维间隔织物作为框架结构，并在织物中间层填充水泥粉体。三维间隔织物主要起到密封水泥，保证结构形状以及增强和增韧水泥基体的作用，水泥粉体则作为硬化后的主要承重部分，承担外荷载作用，同时保证材料的耐火性、抗渗性以及耐腐蚀性等。影响CC力学性能的因素主要包括：水泥粉体种类与组成、水灰比与表面喷水量、三维间隔织物材料类型与几何形状等。

1.1 水泥种类与水泥粉体组成

水泥粉体是CC强度的主要来源。CC所用水泥粉体的选择需考虑两个重要因素：第一是水泥应具有快硬早强的特征，以满足CC快速施工的要求；第二是水泥的碱性不宜过高，以保证三维间隔织物在水泥基体中不易被碱腐蚀，具有良好的耐久性[9-10]。最初的CC水泥粉体主要采用铝酸盐水泥[1]，但相关研究[11]指出，随着水化的不断进行，铝酸盐水泥中的亚稳定状态水化产物CAH10和C2AH8会转化为稳定状态水化产物C3AH6，导致水泥石的孔隙率上升，使铝酸盐水泥强度出现倒缩[12]。为解决这一问题，鲍步传[10]提出了以硫铝酸盐水泥和石膏体系作为CC的粉体材料取代铝酸盐水泥，对比硫铝酸盐水泥和石膏体系、高铝水泥、硅酸盐水泥、氯氧镁水泥以及磷酸镁水泥六种水泥作为粉体材料的CC强度发展规律，试验发现：硫铝酸盐水泥和石膏作为水泥粉体材料的CC力学性能最为优异；采用质量分数为70%的硫铝酸盐水泥和30%的半水石膏的粉体体系制备的CC强度最高，其1 d强度可达到30 MPa左右，10 d抗压强度接近40 MPa，达到了60 d龄期强度的95%以上，后期强度也未发现倒缩，同时采用半水石膏的CC强度高于采用二水石膏的CC。目前，由鲍步传提出的硫铝酸盐水泥和石膏体系是国内CC应用最广的水泥粉体体系[13-15]。同时，鲍步传[10]还研究了矿物掺合料、膨胀剂对CC力学性能的影响，并研究了硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥-石膏三元体系作为水泥粉体的CC力学性能发展规律。研究发现矿渣质量分数为10%以内时可以提高CC的堆积密度，进而提升CC的强度，而粉煤灰和硅灰的掺入则会对CC强度造成不利影响。硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥-石膏三元体系强度发展没有明显规律，同时后期强度会出现倒缩。为了推广工业固体废弃物在CC中的应用，田雯雯等[14]采用磷石膏代替天然石膏制备CC，研究发现，当磷石膏质量分数掺量为30%时，CC的直接拉伸强度可达到6 MPa，采用磷石膏代替石膏制备的CC的直接拉伸强度更高，具有很高的市场推广价值。

1.2 水灰比与表面喷水量

CC的本质是一种新型水泥基复合材料，其硬化过程、强度发展规律以及材料最终强度受到基体水灰比的影响[15]。CC的水化硬化过程是通过在CC表面喷水，使其渗透至基体内部，与水泥粉体发生水化反应，逐渐硬化产生强度。在CC表面喷水过程中的喷水量、水的渗透速度和渗透均匀性以及CC织物层底部的渗水量均会影响基体的局部水灰比，进而影响CC的强度。为了使CC基体中的水分布更为均匀，Jongvivatsakul等[16]提出采用多次间隔喷水的方式以保证自由水可以被粉体充分吸收并参与反应，另外，Ghorbani等[17]提出先将水泥粉体与自由水充分拌和，再将新拌浆体借由其自重和流动灌入至三维间隔织物中，以保证自由水的均匀分布，但两种方法工艺较为复杂，在实际工程中的可操作性较低。在实际工程中，最简便的方法是综合考虑自由水在水泥粉体中的渗透特征，确定最佳表面喷水量理论值。为此，Ma等[18]研究了表面喷水量对CC凝结时间和强度的影响，将喷水量折算成等效水灰比(由于在喷水过程中会不可避免地出现水分分布不均匀以及底部渗水等问题，实际局部水灰比与等效水灰比有一定差异)，等效水灰比研究范围为0.33～0.45，结果表明，随着水灰比的增加，CC的初凝和终凝时间延长，强度先升高后降低，在水灰比为0.42时CC的强度达到了峰值。造成这一现象的原因是当水灰比较低时，基体中的自由水含量不足，自由水无法渗透和扩散到基体的全部位置，导致基体部分位置的水泥无法充分水化，因此CC整体抗压强度较低，当等效水灰比增加，自由水变得充足，基体水泥水化得更为均匀，此时基体强度才符合水泥随水灰比上升而下降的规律。鲍步传[10]的研究也表明，CC的等效水灰比在0.45左右时更有利于CC充分水化，这些研究为CC在工程中应用过程中的洒水量控制提供了一定的理论依据。

1.3 三维间隔织物材料种类与空间结构特征对CC强度的影响

三维间隔织物的出现及其在混凝土材料领域的应用是TRC一个重大的创新[19-22]，1868年，Bruer[23]发明了空间纤维。三维间隔织物与以往用于混凝土材料的织物在织物结构上存在很大的差异，如图1所示[7]，典型的三维间隔织物结构是由两个表层织物层(outer textile substrate)和中间间隔纱(spacer yarn)组成，两层表层织物层又分为空隙较大的疏织层以及空隙较小的密织层，它具有三维的纱线结构以及三维的织物结构[20]。表层织物层一般由沿着经向方向的经纱(warp yarn)和沿着纬向的纬纱(weft yarn)编织成网孔状，网孔的形状和大小可以根据编织参数的设定而变化。经向方向是沿着机器生产的方向，纬向则是与经向相垂直的方向[24]。间隔纱是连接上下表层织物层的单丝，一般具有两类间隔纱：间隔纱I和间隔纱II，且都成定向排列。间隔纱由于受到重力的作用会发生一定的对称挠度。而应用于混凝土中的经编三维间隔织物具有特殊的意义，因为在织物间隙之间可以穿插较多的间隔纱，从而得到更好的稳定性和更大的强度[25]。

图1 典型三维间隔织物的空间结构特征[7]Fig.1 Spatial structure characteristics of typical 3D spacer fabric[7]

三维间隔织物材料通常需满足三个条件：(1)与水泥基体之间具有良好的黏结性能，同时具有与水泥接近的弹性模量，以保证在承载过程中织物与水泥基体间具有协调的变形能力，共同受力；(2)必须具有较高的孔结构稳定性，以便水泥粉体可以顺利、快捷地灌入至三维间隔织物中；(3)具有一定的耐碱腐蚀性能，以保证织物不被碱性水泥浆体腐蚀。目前，满足上述条件的可用于CC的织物材料包括聚醚砜树脂(PES)[19-20,26]、涤纶树脂(PET)[25]和聚对苯二甲酸四次甲基酯(PBT)[27]等。另外，一些无机纤维，包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等也可用作三维间隔织物材料，但由于这些无机纤维自身强度较高且脆性较大，利用这些纤维制备的CC延性有一定程度下降[24]。

除纤维种类外，三维间隔织物的织物空间结构特征对CC的力学性能也会产生很大的影响。三维间隔织物格局特征包括表层织物层网孔的形状和大小、织物层厚度、中间间隔纱数量与角度等。Han等[7]将PET纤维作为CC三维间隔织物材料，研究了几种具有不同三维间隔织物空间结构特征的CC的力学性能(见表1)，其间隔纱特征以及对应的CC抗拉强度如表2所示。研究表明，由于三维间隔织物在经向和纬向上的表面织物层以及间隔纱空间结构不同，CC的力学性能呈现各向异性，即经向和纬向上的抗拉性能存在差异。通常CC经向的抗拉强度低于纬向的抗拉强度，以N15-I为例，其经向的抗拉强度为1.17 MPa，纬向的抗拉强度为1.40 MPa，二者相差约20%。在拉伸极限状态下，CC的裂缝宽度在0.5 mm左右[7]，远大于高延性水泥基复合材料(engineered cementitious composite,ECC)的裂缝宽度(60 μm)[28]，因此CC的极限拉应变值较大，一般可达到10%左右。同时，CC的极限拉应变受三维间隔织物厚度影响，织物厚度越厚，极限拉应变越小。研究还发现，三维间隔织物中间间隔纱数量和角度会对CC拉伸性能产生影响，当中间间隔纱数量(体积分数)增加时，会略微提高CC的初裂强度和极限抗拉强度。Han等[7]的研究中指出，中间间隔纱丝数量的增加或倾斜角度(拉应力方向与纤维方向夹角)的减小都会减小裂缝的最大宽度，并增加基体的裂缝数量，提高极限拉应变。这说明中间间隔纱在基体中充分发挥了桥接和阻裂作用，在裂缝开展过程中纱丝有效维持材料的承载能力，纱丝数量的增加或倾斜角度的减小提高了开裂位置的刚度，从而使CC拉伸过程中裂缝更细，多裂缝开裂现象更为明显，保证材料具有更高的延性。研究表明：当中间间隔纱的体积分数提高1倍时，CC的最大裂缝宽度减小23%，同时极限拉应变提高8%；随着纤维倾斜角由68°减少到50°时，CC的最大裂缝宽度减少18%，而极限拉应变增加5%。

表1 三维间隔织物的织物空间结构特征[7]Table 1 Spatial structure characteristics of 3D spacer fabric[7]

表2 不同织物格局的CC纤维特征以及CC抗拉强度[7]Table 2 CC fiber yarn characteristics and CC tensile strength of different fabric patterns[7]

为进一步研究三维间隔织物空间结构特征对CC力学性能的影响，Li等[29]采用格点模型并结合应力强度因子通过数值模拟分析了CC在抗拉过程中的裂缝发展规律以及材料的拉伸应力-应变特征。研究表明，低弹性模量间隔纱的加入有利于裂缝的产生和发展，当裂缝形成后裂缝位置的纤维充分发挥桥接作用，承担裂缝位置的荷载并将其传递回基体，同时三维间隔织物与基体作为一个整体共同承担拉荷载，因此基体不会因为裂缝的形成而导致承载能力的下降，从而使基体其他位置形成微裂缝，最终呈现应变硬化和多裂缝开裂现象。三维间隔织物表层织物层网格形状对CC拉伸性能也会产生影响，方形孔网格织物的CC的抗拉强度较菱形网格织物的CC下降约30%。Li等[29]的研究还表明，随着中间间隔纱倾斜角度的减小，CC多裂缝破坏的平均裂缝间距减小，中间层纤维丝角度由75°减少至45°时，裂缝平均间距可减少50%，裂缝间距减小意味着破坏时材料形成更多的裂缝，材料的极限拉应变也就更大。

由于水泥基材料自身抗拉性能较差，同时柔性的三维间隔织物自身抗拉强度较低，因此CC的极限抗拉强度较低，一般在0.8～3.5 MPa[30]。为了提高CC的强度，张方圆等[6,31]在CC表面粘贴芳纶纤维无纺布(aramid fiber reinforced polymer,AFRP)和碳纳米管改性超高分子量聚乙烯纤维布(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)，制备了两种FRP增强CC(fiber reinforced polymer-concrete canvas,FRP-CC)，并研究了两种FRP-CC的抗压、抗拉和抗剪性能。研究表明，与普通CC相比，FRP-CC的抗压强度无明显提升，但抗拉强度显著增加，提高了15～20倍。在抗拉强度上升的同时延性出现明显下降，经向和纬向上的极限拉应变均下降至4%左右，同时材料未出现应变硬化过程。此外，FRP-CC的抗剪强度提高40%，由3 MPa左右增加至5 MPa左右。由此可见，纤维的掺入可以有效提高CC的抗拉强度，但同时降低了材料的延性，因此FRP-CC的使用要根据工程进行合理选择。

除影响CC的力学性能外，三维间隔织物的织物结构特征还会影响CC水化过程中的干缩，而水泥水化过程中的收缩可能导致水泥基体早期开裂进而影响CC的力学性能。Han等[32]研究了表2中N15-IV-CC和N15-II-CC两种三维间隔织物、硫铝酸盐水泥和石膏体系的CC的干缩性能。研究表明，硫酸盐水泥和石膏作为水泥粉体的CC干缩主要集中在水化的前10 d，水化30 d后，干缩基本停止，这与CC的抗压强度发展规律一致。CC的干燥收缩小于普通水泥硬化试件，三维间隔织物主要通过层间的间隔纤维丝起到抑制材料干缩的作用，在收缩过程中，纤维纱丝与基体同时发生变形，间隔纱丝承担基体因收缩而产生的部分应力从而抑制基体的收缩变形。由于经向和纬向织物结构特征差异，CC经向上的干缩值小于纬向，三维间隔织物对经向上的变形约束能力更强。试验结果还表明，N15-II-CC的干燥收缩小于N15-IV-CC，这是由于N15-II-CC中的间隔纱与收缩应力方向的夹角(简称倾斜角)更小同时投影长度更长，因此N15-II-CC中的纤维充分发挥了其阻裂和限制变形的作用，从而减少了CC的干缩。

Li等[33]研究了PET纤维在(60±2) ℃的饱和Ca(OH)2溶液中浸泡10 d和450 d后PET纤维的质量、延伸率、极限抗拉强度以及弹性模量的变化，并采用SEM观测了浸泡前后的纤丝表面形貌(见图2[33])。研究表明，PET纤维具有一定的耐碱腐蚀能力，在饱和Ca(OH)2溶液中PET纤维质量、延伸率、极限抗压强度以及弹性模量均未发生明显变化，同时表面亦未发生明显的损伤。在60 ℃下饱和Ca(OH)2溶液的pH值在12.4左右，高于硫铝酸盐水泥硬化后孔溶液pH值[34]。因此，根据该试验结果可推测PET纤维在硫铝酸盐水泥体系中不易发生碱腐蚀，作为CC的三维间隔织物原材料具有优异的耐久性能。

图2 PET纤维丝在(60±2) ℃的饱和Ca(OH)2溶液中浸泡后的表面形貌变化[33]Fig.2 Surface morphology changes of PET fibers soaked in saturated Ca(OH)2 solution at (60±2) ℃[33]

2 混凝土帆布的应用

2.1 混凝土帆布帐篷

混凝土帆布帐篷是CC最早的应用成果之一[35-36]。混凝土帆布帐篷充分发挥了CC的材料特点：在水化之前，CC柔软易运输，且容易加工成设计形状，在帐篷使用时直接充气成型，浇水待CC硬化后即可形成稳定结构。混凝土帆布结构多设计成拱形[37]，这样充分发挥了CC抗压强度较高的特点，同时规避了CC抗拉强度不足的缺点。此外，CC中的水泥基体力学性能稳定，且具有耐火性好[38]、抗腐蚀性能优异等特点，结构使用年限可达10年以上[33]。混凝土帆布帐篷具有搭建速度快、搭建简单、建筑后结构承载能力高、保温隔热性能优异、耐久性好等优点，特别适用于防震减灾工程临时房屋、临时基地指挥场所等场景。

2.2 混凝土帆布边坡防护/挡土墙

CC的另一个广泛应用场景是边坡防护[33,39]。由于CC具有水化前柔软、易于运输等特点，CC边坡防护施工方便[40]，施工过程仅需将CC吊装铺设、固定,再在表面喷水即可；同时CC硬化速度很快，一般2～5 d即可完成全部施工过程，CC边坡防护的施工速度是普通混凝土边坡防护的10倍[33]。Li等[33,41]通过有限元模拟方法分析了CC和FRP-CC边坡防护的稳定性以及边坡的应力分布规律，研究表明，CC边坡防护结构可以有效提高边坡土体的安全系数。由于CC自身的抗拉强度较低，因此CC适合与钢筋等共同构成加筋土边坡结构；在FRP-CC结构中，FRP有效提高了CC的抗拉强度以及抗拉刚度，使FRP-CC可用于10 m以下的边坡防护结构。周林[42]研究了地震荷载作用下CC加筋土结构的抗震性能，研究表明，CC加筋土结构与普通土工布加筋土相比具有更好抗震性能，在0.7 g振幅时，CC加筋土结构与普通土工布加筋土结构相比坡顶最大沉降降低40%；采用蜂窝状分布的CC防护-加筋土结构(见图3)对加速度放大系数的抑制作用更为明显[42]，还能有效减少挡土墙的变形和裂缝的产生，因此抗震性能更为优异。

图3 蜂窝状CC防护结构(单位：mm)[42]Fig.3 Honeycomb CC protection structure (unit:mm)[42]

Zhou等[43]采用振动台模拟地震过程，研究不同振幅条件下600 mm高CC加筋土结构的抗震性能，并将试验结果与有限元数值分析结果进行了对比。研究表明，CC加筋土边坡的地震破坏过程是“由表面到中心”和“由高到低”破坏，并且CC边坡的倾斜角在低振幅(<0.3 g)条件下对边坡沉降影响很小，而在高振幅(>0.5 g)条件下，倾斜度较大的加固边坡的水平位移小于倾斜度较小的模型。综合考虑边坡角度的加固效果、抗震性能以及施工难度，CC加筋土边坡的适宜边坡角度为20°左右。

2.3 混凝土帆布加固

由于CC具有水化硬化前柔软，易于铺设，同时CC还具有高延性特征，因此，CC可以用于对已有结构的加固[44]。相泽辉等[45]采用CC和CFRP联合包裹加固混凝土圆形短柱，并研究加固后混凝土短柱的抗压性能。研究表明，CC和CFRP的联合包裹有效限制了受压时混凝土短柱的横向变形，显著提高混凝土的等效抗压强度，CC与CFRP联合约束混凝土短柱抗压强度和对应位移比未受约束的混凝土短柱提高了40.1%～50.1%和42.8%～98.1%。同时，相泽辉等[46-48]研究了CC与CFRP联合约束方形混凝土柱的抗压性能，得到了与圆柱相类似的结果，通过CC与CFRP联合约束，混凝土方柱的抗压强度和极限抗压应变均有显著提高。

除加固混凝土短柱外，曹鹏等[49-50]研究了采用CC包裹加固的塑料复合管(PVC管)的受压和受弯性能，并研究了采用CC-CFRP-PVC管联合加固混凝土柱的力学性能。研究发现，CC包裹的PVC管力学性能显著提高，其环向刚度、极限受压承载力以及极限受弯承载力较未约束的PVC管分别提高261.85%、82.79%和106.15%，同时CC-CFRP-PVC管联合加固的混凝土短柱抗压承载力也有显著的提升。

Jafari等[51]采用数值分析方法研究了采用CC包裹的埋地管道抗爆性能。研究结果表明，由于CC的高延性特性，CC包裹可以有效降低爆破造成的埋地管道最大位移和最大应力。CC对埋地管道抗爆性能的提升效果与CC厚度、包裹层数以及CC对管道的包裹形式直接相关；随着CC厚度的增加，埋地管道在爆炸荷载作用下的最大位移和最大应力减少；随着CC包裹层数的增加，埋地管道因爆炸荷载而产生的应力集中被大大减小，埋地管道上的应力分布更加均匀，因此CC对管道抗爆性能的加固更加明显，但考虑CC层数增加的增强效果与成本之间的平衡关系，CC包裹层数不宜超过2层。

2.4 其他应用

除在混凝土帐篷、边坡防护以及既有结构加固上取得应用外，CC还在渠道衬砌、堤岸、涵洞衬砌、谷仓围护以及修补工程中得到了应用[52-53]。在使用过程中，CC展现出了优异的抗腐蚀性能、防火性能以及强度稳定性[39]，同时，由于其施工效率极高，且无需大型机械施工，在降低施工成本的同时减少了因大型机械使用而产生的CO2气体，因此创造了极大的经济效益和环境效益。

除土木工程与公路工程应用外，CC还被应用于制造家具[54]。CC具有水化前柔软以及硬化后强度稳定等优点，因此CC制造出的家具形状精美且结实耐用[55-56]。

3 结语与展望

国内外针对混凝土帆布力学性能与应用进行了大量的相关研究，基于上述文献归纳总结和分析讨论，得到以下总结：

(1)CC具有强度发展快、抗拉延性高等特征，其1 d抗压强度可达30 MPa，28 d抗拉极限拉伸应变在10%左右，具有很高的市场推广价值。

(2)目前CC中应用最为广泛的水泥粉体体系为硫铝酸盐水泥和石膏体系，等效水灰比在0.42左右时，CC的力学性能更优。

(3)由于三维间隔织物经向和纬向上的表面织物层以及间隔纱丝空间结构存在差异，因此CC的力学性能在经向和纬向上不同；中间间隔纱丝空间结构对CC的力学性能影响较大；由于CC自身的抗拉强度较低，可采用FRP增强CC以显著提高CC的抗拉强度，但这会降低CC的延性。

(4)目前，CC已在混凝土帆布、边坡防护、结构加固、渠道衬砌、堤岸、涵洞衬砌、谷仓围护以及修补工程中得到应用，此外，CC还可用于制造家具。

从对上述文献的分析讨论可知，目前研究主要集中在水泥种类、水灰比和三维间隔织物材料种类和空间结构对CC力学性能的影响，但仍存在一些需解决的问题：

(1)施工过程中水灰比难以控制。与传统的混凝土材料不同，CC是通过在表面喷水凝结硬化。施工过程中，由于渗透速度和渗透均匀性以及层底部的渗水量等多种因素影响，CC不同部位的水灰比难以分布均匀。如何通过改变施工工艺使水与水泥粉均匀接触，仍需要进行深入研究。

(2)三维间隔织物材料耐碱性较差。目前CC中常用的PES、PET和PBT等材料耐碱性较差，在碱性水泥浆体环境中易腐蚀。三维间隔织物材料劣化将对CC的力学性能带来负面影响。因此，需针对三维间隔织物材料在水泥浆体中的劣化机理及其对CC的长期力学性能的影响展开系统研究，为耐碱三维间隔织物材料的优化设计奠定理论基础。

(3)CC应用范围窄。目前CC主要用于边坡防护、加固等非结构工程，应用范围相对较窄。今后仍需结合CC柔软易铺设、施工无需振捣搅拌和模板支护、硬化速度快以及施工无需大量大型机械等优势，进一步拓宽其应用领域与范围。

CC是一种具有诸多优点的新型复合材料，其制备方式和施工成型均明显区别于传统混凝土材料。今后CC将向高强、高耐久性的方向发展，具有良好的应用前景。