水泥毯特點與應(yīng)用特性分析

陳燕，許明君，馬凱欣，付洋洋，王建新

（新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

1 引言

自從1756年，英國工程師通過添加鵝卵石作為粗骨料并將動力磚混合到水泥中，制成了第一個現(xiàn)代混凝土以來，混凝土就一直作為建筑行業(yè)的主要材料，但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，混凝土技術(shù)的缺點也在不斷的暴露：自重大，質(zhì)量不易把控，養(yǎng)護周期長，養(yǎng)護程序繁瑣，施工后易出現(xiàn)裂縫，耗時耗材耗資金等，這些問題一直困擾了人們百年之余，人們也一直在想方法解決這些問題。2004年，英國的Brewin和Crawford就混凝土這些缺點提出了新的解決方案——水泥毯。這個產(chǎn)品一經(jīng)問世就在國外開始引用，但在國內(nèi)卻很難見到它的身影。文章就水泥毯的各方面特性進行了研究，并對水泥毯在我國工程方面的應(yīng)用提出了一定的看法。

2 水泥毯簡介

Brewin和Crawford發(fā)現(xiàn)快速搭建臨時住房是軍隊或災(zāi)區(qū)迫切需要解決的問題，于是他們提出了一種新的想法，把水泥粉體填充在三維織物內(nèi)部，然后將其放在帳篷一樣大小的充氣氣囊上，最后在這個三位織物的外部即表面灑水成型，形成一種新型的三維間隔織物增強水泥基復合材料[1]。它是纖維和混凝土結(jié)合的復合型功能混凝土產(chǎn)物，在平時外表和毯子沒有大的區(qū)別，可以密切覆蓋任意結(jié)構(gòu)的表面。使用時，不分正反面，只要去除防水封閉層，鋪設(shè)好后，經(jīng)灑水發(fā)生水合反應(yīng)，在一定時間里水化成半固體，再經(jīng)一段時間形成堅硬混凝土。

3 水泥毯特點

3.1 使用簡單、應(yīng)用靈活

水泥毯可以成大卷散裝提供，一平方米的重量只有15kg，為人工裝卸和運輸帶來了便利，且不需要大型的起重機械。水泥毯能夠依從所覆蓋的物體表面的復雜形狀，既能垂直懸掛，也能鋪設(shè)在溝槽之中，無需現(xiàn)場配置，不會發(fā)生過度水合反應(yīng)[2]。無論是在路面還是水下，一旦發(fā)生水合反應(yīng)，其能在24h內(nèi)硬化到80%的強度，在施工2h內(nèi)，可以根據(jù)需要使用普通裁剪切割工具對水泥毯進行必要的加工處理。如果有特殊的需求，也可自行定制水泥毯“配方”，達到快速凝固或延遲凝固的效果。

水泥毯的使用在一定程度上改善了施工人員有違規(guī)動作的情況，改善了現(xiàn)場文明施工情況，使得人員作業(yè)安全方面有了一定的保障，有效解決了目前邊坡支護行業(yè)勞動力不足、從業(yè)人員素質(zhì)水平高低不一的問題。

3.2 環(huán)境友好

當今世界，建筑材料受生態(tài)因素制約的問題引起了越來越多的人的重視。全球環(huán)保形勢嚴峻，一些建筑材料如黃砂和水泥的生產(chǎn)量在下降，其運輸也受到了限制。按重量來說，傳統(tǒng)混凝土大約包含12%的水泥，8%的水和80%的沙石。照這個比例來計算，全世界每年混凝土需求量約115億噸，即每年需要15億噸水泥、10億噸水以及90億噸沙石。生產(chǎn)混凝土會耗費大量的環(huán)境資源，這會增加環(huán)境方面的壓力。然而生產(chǎn)15億噸水泥會產(chǎn)生等量的二氧化碳，占全球二氧化碳總量的5%。在水泥行業(yè)中，燃燒和煅燒是二氧化碳排放的主要來源，其中，燃燒會產(chǎn)生40%二氧化碳的排放量，煅燒則會產(chǎn)生50%的排放量，剩余的10%來自其他能源的使用。相比之下，水泥毯生產(chǎn)時最多能夠節(jié)省95%的傳統(tǒng)材料，這在一定程度上能夠大幅降低二氧化碳的排放量，水泥毯堿含量有限，表面耐沖刷能力強，具有良好的耐化學性，所以對使用地的生態(tài)影響很小，且對環(huán)保方面有一定的幫助作用[3]。

3.3 經(jīng)濟

水泥毯在經(jīng)濟方面也有著一定的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在人工成本、養(yǎng)護成本、運輸成本和時間成本上等，外國就曾有倫敦皇家藝術(shù)學院的兩名學生威廉·克勞弗德和彼得·布瑞溫利用混凝土帆布建造了用于震后救災(zāi)的“口袋房子”（如圖1所示）。據(jù)實驗測出，一個重230kg的袋子，經(jīng)過充氣腫脹成一個16m2的臨時房屋，其造價約為1100英鎊。然而，令人震驚的是，與此相當?shù)呐R時房屋在英國的造價約為4000英鎊，整整節(jié)省了2900 英鎊[4]。

圖1 水泥毯帳篷

3.4 材料強度高

水泥毯的初期強度非常高，經(jīng)過實驗測得其強度滿足2002標準的抗車輛施加荷載的G類要求。并且在兩輛平均160kN的車的壓力下，其均布分布也未超過5kN/m2。另外水泥毯的抗壓破壞能力和壓縮彈性模量也非常出色，10天其抗壓破壞就能達到40MPa，其壓縮彈性模量也能達到驚人的1500MPa，和同等的C40混泥土材料相比，整整多出一倍。

3.5 拉伸性能好

水泥毯加入水泥基體對其極限荷載有明顯提高，提高其抗拉性能。按照BSEN 12467:2004標準的彎曲試驗，10天彎曲失效應(yīng)力3.4MPa，10天彎曲楊氏模量180MPa，可有效解決傳統(tǒng)混凝土的裂縫問題，并且其還有以下特點。

①水泥毯的極限荷載和水泥基梯有很大的關(guān)系，合理的加入水泥基體，可以在一定程度上提升水泥毯的抗拉性能，其次水泥毯的抗拉性能也在一定程度上與外織物基材有一定的聯(lián)系。

②水泥毯的養(yǎng)護天數(shù)也影響著水泥毯的開裂荷載，由實驗可得，養(yǎng)護天數(shù)和開裂荷載成正相關(guān)。

③在相同情況下，水泥毯在橫向方向上的抗拉性能總是優(yōu)于豎直方向的抗拉性能，并且由記錄可得，在受拉變形方面，橫向受拉變形的主要特點有受拉伸長、寬度遞減、總體向內(nèi)部收縮。相對的豎直方向的受拉主要特點有受拉伸長，但寬度變化不大，表面織物受拉出現(xiàn)裂紋。

④由于受各種因素影響，如水灰比、水泥含量等，不一樣的水泥攪拌而成的混凝土收縮性也各不相同。由此可見，水泥漿是混凝土的收縮性能的決定性因子，它直接決定了混凝土的收縮率大小。再者，骨料中泥量、級配、粒徑和彈性模量等參數(shù)的選擇也影響著混凝土的收縮性能。

3.6 防滲、防火性能好

有聚氯乙烯（PVC）底襯做為水泥毯底面，使得材料具有完全防水和良好抗化學腐蝕的性能[5]。按照BS EN 12467：2004標準第5.4.4節(jié)水滲透性試驗通過。

水泥毯厚度3mm相當于300mm厚的壓實土層，其防滲也能具有良好的阻燃特性（如圖2所示）。水泥毯著火時產(chǎn)生的危險氣體排放量極少，保證了人們的安全，并且水泥毯已經(jīng)達到歐洲建筑材料阻燃標準的B-s1、d0等級。

圖2 水泥毯帳篷防火

3.7 長期耐用

水泥毯的使用壽命在30年左右，因為水泥毯中間有三維纖維骨架，與水泥相比不易斷裂，具有良好的抗化學特性、抗風雨侵蝕能力。通過BS EN 12467：2004標準第5.5.2節(jié)凍融試驗。水泥毯耐用與否還與后期的養(yǎng)護有關(guān)系，水泥毯的養(yǎng)護較簡單，只需要在表層涂一層水泥漿，比起傳統(tǒng)混凝土的養(yǎng)護來說簡單快捷。

4 工程應(yīng)用

4.1 公路排水溝工程

水泥毯具有顯著的高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，在國外已經(jīng)有了水泥毯的應(yīng)用案例。但是在我國這一領(lǐng)域仍屬空白。水泥毯具有良好的抗壓、防水等性能，且施工方便、簡單，可應(yīng)用在公路排水溝工程中。

2010年11月18日英國M4號公路旁的排水溝考慮到管道易堵塞，選用水泥毯，因其抗磨損能力強，不易生長野草，省去了維護工作，且三個工人一天能夠鋪設(shè)20m，節(jié)省了人力、物力及縮短了施工時間。2011年1月1日，為了改善路面排水狀況，英國A34號干線公路，橫向?qū)挾蠕佋O(shè)共125m2的水泥毯。2011年2月8日英國威爾士的卡菲利縣煤礦為防止廢棄的煤矸石沖刷排水溝造成損壞，使用散裝大卷水泥毯，鋪設(shè)面積達到了2000m2。英國鐵路網(wǎng)運營公司在一次加固鐵路護堤中指定用水泥毯，100m長的排水溝只用了不到8h就完成了修復。

4.2 管道鋪設(shè)

無論地下還是水下，在工作中管道都面臨著腐蝕問題，水泥毯有著良好防滲、耐腐蝕性和拉伸性能，可以作為優(yōu)良的管道防護材料。2010年10月4日直徑6英寸長1200m的卡塔爾多哈水下鹽水輸送管道，鋪設(shè)在水下5m深度，水泥毯作為加重層，防止管道在水里漂浮。作業(yè)人員一天能夠鋪設(shè)的管道就大約60m長，并且在海水里水泥毯就能直接發(fā)生水合反應(yīng)。2010年8月19日南非高登到卡祖魯納塔爾的燃油管道，現(xiàn)場焊縫用水泥毯快速保護，因其質(zhì)地柔軟，適合彎頭等形狀特殊的部位防護。

4.3 邊坡防護工程

噴射混凝土與坡頂路面結(jié)合部位易形成積水，且作業(yè)時粉塵大，對工人的身體傷害較大，對作業(yè)工人工作專業(yè)性要求強。水泥毯對場地的適應(yīng)性極強，相比原有的噴射混凝土支護，適用范圍更廣，效果更好，其可覆蓋原本上方通道及排水溝，及時形成新的作業(yè)通道，提供良好的工作環(huán)境。此外，水泥毯彌補了傳統(tǒng)噴射混凝土邊坡由于反應(yīng)時間長造成的安全隱患，也排除了傳統(tǒng)混凝土作業(yè)時受下雨天氣的影響。水泥毯良好的特性能使其能在短時間內(nèi)提供較大面積的平整場地[6]。在一定程度上，水泥毯可取代低級別傳統(tǒng)混凝土，降低對傳統(tǒng)混凝土的依賴。

4.4 水泥毯家具

家具產(chǎn)品中有近80%為木質(zhì)家具，這種天然古老的材質(zhì)因其美觀、無污染，給人們一種舒適清新的感覺，備受人們的青睞。2019年全國木質(zhì)家具產(chǎn)量為25315.33萬件之多。這種大量的木材需求，以及家具的回收處理等問題毫無疑問地給社會造成了巨大壓力。

水泥毯強度性能表明，其完全可以滿足戶外家具用材的各項使用標準，并且水泥毯良好的阻燃性能也遠遠優(yōu)于當前多數(shù)常用的戶外家具材料。如果使用水泥毯代替常用戶外家具用材，不僅提高了家具使用年限，改善了家具處理問題，而且減少了常用戶外家具用材的使用，如木材、金屬、塑料等常用材料的需求。雖然，水泥毯家具目前存在著一些問題，如表面光滑度不好、顏色種類不多且不便著色、細小精致家具困難等問題。但是，隨著科學技術(shù)的進步和水泥毯制作工藝的逐步成熟，這些問題終將被解決。因為戶外家具材料的短缺，水泥毯家具的良好性能以及人們環(huán)保意識的逐漸增強，水泥毯家具會被越來越多人們所接受[7]。

5 結(jié)語

水泥毯的應(yīng)用將逐步進入人們的視野。首先，傳統(tǒng)的膠凝材料定義逐步被打破，水泥毯作為新材料、新技術(shù)，正在引起人們的關(guān)注。其次，也因為使用水泥毯方便靈活、環(huán)保經(jīng)濟、堅硬抗裂、防火防滲等優(yōu)點，水泥毯有充分的價值不斷開發(fā)出更加合適它的應(yīng)用領(lǐng)域。最后，國外的應(yīng)用實例提供了應(yīng)用經(jīng)驗，也表明了水泥毯應(yīng)用前景十分廣闊，在未來的工程中將占據(jù)越來越重要的地位。水泥毯將以一種全新的姿態(tài)在中國乃至全世界，展現(xiàn)出別樣的風采。