混凝土帆布力學(xué)性能與應(yīng)用研究進(jìn)展

王 晶，陶耀華，于 康，趙佳一，莊鳳明，李 輝

(1.中交一公局第六工程有限公司，天津 300451；2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

混凝土帆布(concrete canvas,CC)是由三維間隔織物骨架結(jié)構(gòu)和骨架間填充粉體組成的一種新型織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(textile reinforced concrete,TRC)[1]，也稱為水泥毯[2-3]。其材料特點(diǎn)為：使用前柔軟易運(yùn)輸，易于鋪設(shè)[1]；施工過(guò)程無(wú)需攪拌、澆筑以及模板支護(hù)等復(fù)雜工藝，只需簡(jiǎn)單固定并表面澆水即可完成施工作業(yè)[4]；硬化速度極快，一般1～2 d即可完成施工，極大地縮短了工期[5]；此外，CC硬化后性能穩(wěn)定，具有良好的抗壓、抗拉、抗裂、抗?jié)B水、耐磨、耐酸、耐堿、防火性能[1]。

2005年，Brewin和Crawford發(fā)明了CC，隨后迅速將其投入生產(chǎn)和應(yīng)用[1]。三維間隔織物自身具有較高的彈性模量，因此CC硬化后具有很好的延性，常規(guī)CC的極限拉應(yīng)變可達(dá)到10%以上[6]，是普通混凝土極限拉應(yīng)變的幾千倍。2014年，Han等[7]對(duì)CC的水泥組成、織物種類(lèi)以及織物結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在國(guó)外原有CC的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了CC的力學(xué)性能，使得CC在國(guó)內(nèi)得到廣泛關(guān)注并逐漸應(yīng)用于實(shí)踐中[8]。目前，CC已在混凝土帳篷、外灘襯里、溝渠襯砌、邊坡防護(hù)、混凝土修復(fù)等方面得到了應(yīng)用，并且取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

本文在系統(tǒng)介紹CC基本組成和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，梳理了CC力學(xué)性能研究、應(yīng)用研究和材料組成對(duì)力學(xué)性能的影響，系統(tǒng)歸納了國(guó)內(nèi)外有關(guān)CC性能和應(yīng)用的最新進(jìn)展，為進(jìn)一步研究CC力學(xué)性能，優(yōu)化材料設(shè)計(jì)以及推廣CC應(yīng)用提供參考。

1 混凝土帆布材料的力學(xué)性能以及影響因素

CC以柔性三維間隔織物作為框架結(jié)構(gòu)，并在織物中間層填充水泥粉體。三維間隔織物主要起到密封水泥，保證結(jié)構(gòu)形狀以及增強(qiáng)和增韌水泥基體的作用，水泥粉體則作為硬化后的主要承重部分，承擔(dān)外荷載作用，同時(shí)保證材料的耐火性、抗?jié)B性以及耐腐蝕性等。影響CC力學(xué)性能的因素主要包括：水泥粉體種類(lèi)與組成、水灰比與表面噴水量、三維間隔織物材料類(lèi)型與幾何形狀等。

1.1 水泥種類(lèi)與水泥粉體組成

水泥粉體是CC強(qiáng)度的主要來(lái)源。CC所用水泥粉體的選擇需考慮兩個(gè)重要因素：第一是水泥應(yīng)具有快硬早強(qiáng)的特征，以滿足CC快速施工的要求；第二是水泥的堿性不宜過(guò)高，以保證三維間隔織物在水泥基體中不易被堿腐蝕，具有良好的耐久性[9-10]。最初的CC水泥粉體主要采用鋁酸鹽水泥[1]，但相關(guān)研究[11]指出，隨著水化的不斷進(jìn)行，鋁酸鹽水泥中的亞穩(wěn)定狀態(tài)水化產(chǎn)物CAH10和C2AH8會(huì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)水化產(chǎn)物C3AH6，導(dǎo)致水泥石的孔隙率上升，使鋁酸鹽水泥強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮[12]。為解決這一問(wèn)題，鮑步傳[10]提出了以硫鋁酸鹽水泥和石膏體系作為CC的粉體材料取代鋁酸鹽水泥，對(duì)比硫鋁酸鹽水泥和石膏體系、高鋁水泥、硅酸鹽水泥、氯氧鎂水泥以及磷酸鎂水泥六種水泥作為粉體材料的CC強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：硫鋁酸鹽水泥和石膏作為水泥粉體材料的CC力學(xué)性能最為優(yōu)異；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的硫鋁酸鹽水泥和30%的半水石膏的粉體體系制備的CC強(qiáng)度最高，其1 d強(qiáng)度可達(dá)到30 MPa左右，10 d抗壓強(qiáng)度接近40 MPa，達(dá)到了60 d齡期強(qiáng)度的95%以上，后期強(qiáng)度也未發(fā)現(xiàn)倒縮，同時(shí)采用半水石膏的CC強(qiáng)度高于采用二水石膏的CC。目前，由鮑步傳提出的硫鋁酸鹽水泥和石膏體系是國(guó)內(nèi)CC應(yīng)用最廣的水泥粉體體系[13-15]。同時(shí)，鮑步傳[10]還研究了礦物摻合料、膨脹劑對(duì)CC力學(xué)性能的影響，并研究了硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-石膏三元體系作為水泥粉體的CC力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%以內(nèi)時(shí)可以提高CC的堆積密度，進(jìn)而提升CC的強(qiáng)度，而粉煤灰和硅灰的摻入則會(huì)對(duì)CC強(qiáng)度造成不利影響。硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-石膏三元體系強(qiáng)度發(fā)展沒(méi)有明顯規(guī)律，同時(shí)后期強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)倒縮。為了推廣工業(yè)固體廢棄物在CC中的應(yīng)用，田雯雯等[14]采用磷石膏代替天然石膏制備CC，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磷石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻量為30%時(shí)，CC的直接拉伸強(qiáng)度可達(dá)到6 MPa，采用磷石膏代替石膏制備的CC的直接拉伸強(qiáng)度更高，具有很高的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

1.2 水灰比與表面噴水量

CC的本質(zhì)是一種新型水泥基復(fù)合材料，其硬化過(guò)程、強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律以及材料最終強(qiáng)度受到基體水灰比的影響[15]。CC的水化硬化過(guò)程是通過(guò)在CC表面噴水，使其滲透至基體內(nèi)部，與水泥粉體發(fā)生水化反應(yīng)，逐漸硬化產(chǎn)生強(qiáng)度。在CC表面噴水過(guò)程中的噴水量、水的滲透速度和滲透均勻性以及CC織物層底部的滲水量均會(huì)影響基體的局部水灰比，進(jìn)而影響CC的強(qiáng)度。為了使CC基體中的水分布更為均勻，Jongvivatsakul等[16]提出采用多次間隔噴水的方式以保證自由水可以被粉體充分吸收并參與反應(yīng)，另外，Ghorbani等[17]提出先將水泥粉體與自由水充分拌和，再將新拌漿體借由其自重和流動(dòng)灌入至三維間隔織物中，以保證自由水的均勻分布，但兩種方法工藝較為復(fù)雜，在實(shí)際工程中的可操作性較低。在實(shí)際工程中，最簡(jiǎn)便的方法是綜合考慮自由水在水泥粉體中的滲透特征，確定最佳表面噴水量理論值。為此，Ma等[18]研究了表面噴水量對(duì)CC凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響，將噴水量折算成等效水灰比(由于在噴水過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)水分分布不均勻以及底部滲水等問(wèn)題，實(shí)際局部水灰比與等效水灰比有一定差異)，等效水灰比研究范圍為0.33～0.45，結(jié)果表明，隨著水灰比的增加，CC的初凝和終凝時(shí)間延長(zhǎng)，強(qiáng)度先升高后降低，在水灰比為0.42時(shí)CC的強(qiáng)度達(dá)到了峰值。造成這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)水灰比較低時(shí)，基體中的自由水含量不足，自由水無(wú)法滲透和擴(kuò)散到基體的全部位置，導(dǎo)致基體部分位置的水泥無(wú)法充分水化，因此CC整體抗壓強(qiáng)度較低，當(dāng)?shù)刃冶仍黾?，自由水變得充足，基體水泥水化得更為均勻，此時(shí)基體強(qiáng)度才符合水泥隨水灰比上升而下降的規(guī)律。鮑步傳[10]的研究也表明，CC的等效水灰比在0.45左右時(shí)更有利于CC充分水化，這些研究為CC在工程中應(yīng)用過(guò)程中的灑水量控制提供了一定的理論依據(jù)。

1.3 三維間隔織物材料種類(lèi)與空間結(jié)構(gòu)特征對(duì)CC強(qiáng)度的影響

三維間隔織物的出現(xiàn)及其在混凝土材料領(lǐng)域的應(yīng)用是TRC一個(gè)重大的創(chuàng)新[19-22]，1868年，Bruer[23]發(fā)明了空間纖維。三維間隔織物與以往用于混凝土材料的織物在織物結(jié)構(gòu)上存在很大的差異，如圖1所示[7]，典型的三維間隔織物結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)表層織物層(outer textile substrate)和中間間隔紗(spacer yarn)組成，兩層表層織物層又分為空隙較大的疏織層以及空隙較小的密織層，它具有三維的紗線結(jié)構(gòu)以及三維的織物結(jié)構(gòu)[20]。表層織物層一般由沿著經(jīng)向方向的經(jīng)紗(warp yarn)和沿著緯向的緯紗(weft yarn)編織成網(wǎng)孔狀，網(wǎng)孔的形狀和大小可以根據(jù)編織參數(shù)的設(shè)定而變化。經(jīng)向方向是沿著機(jī)器生產(chǎn)的方向，緯向則是與經(jīng)向相垂直的方向[24]。間隔紗是連接上下表層織物層的單絲，一般具有兩類(lèi)間隔紗：間隔紗I和間隔紗II，且都成定向排列。間隔紗由于受到重力的作用會(huì)發(fā)生一定的對(duì)稱撓度。而應(yīng)用于混凝土中的經(jīng)編三維間隔織物具有特殊的意義，因?yàn)樵诳椢镩g隙之間可以穿插較多的間隔紗，從而得到更好的穩(wěn)定性和更大的強(qiáng)度[25]。

圖1 典型三維間隔織物的空間結(jié)構(gòu)特征[7]Fig.1 Spatial structure characteristics of typical 3D spacer fabric[7]

三維間隔織物材料通常需滿足三個(gè)條件：(1)與水泥基體之間具有良好的黏結(jié)性能，同時(shí)具有與水泥接近的彈性模量，以保證在承載過(guò)程中織物與水泥基體間具有協(xié)調(diào)的變形能力，共同受力；(2)必須具有較高的孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以便水泥粉體可以順利、快捷地灌入至三維間隔織物中；(3)具有一定的耐堿腐蝕性能，以保證織物不被堿性水泥漿體腐蝕。目前，滿足上述條件的可用于CC的織物材料包括聚醚砜樹(shù)脂(PES)[19-20,26]、滌綸樹(shù)脂(PET)[25]和聚對(duì)苯二甲酸四次甲基酯(PBT)[27]等。另外，一些無(wú)機(jī)纖維，包括碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等也可用作三維間隔織物材料，但由于這些無(wú)機(jī)纖維自身強(qiáng)度較高且脆性較大，利用這些纖維制備的CC延性有一定程度下降[24]。

除纖維種類(lèi)外，三維間隔織物的織物空間結(jié)構(gòu)特征對(duì)CC的力學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。三維間隔織物格局特征包括表層織物層網(wǎng)孔的形狀和大小、織物層厚度、中間間隔紗數(shù)量與角度等。Han等[7]將PET纖維作為CC三維間隔織物材料，研究了幾種具有不同三維間隔織物空間結(jié)構(gòu)特征的CC的力學(xué)性能(見(jiàn)表1)，其間隔紗特征以及對(duì)應(yīng)的CC抗拉強(qiáng)度如表2所示。研究表明，由于三維間隔織物在經(jīng)向和緯向上的表面織物層以及間隔紗空間結(jié)構(gòu)不同，CC的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，即經(jīng)向和緯向上的抗拉性能存在差異。通常CC經(jīng)向的抗拉強(qiáng)度低于緯向的抗拉強(qiáng)度，以N15-I為例，其經(jīng)向的抗拉強(qiáng)度為1.17 MPa，緯向的抗拉強(qiáng)度為1.40 MPa，二者相差約20%。在拉伸極限狀態(tài)下，CC的裂縫寬度在0.5 mm左右[7]，遠(yuǎn)大于高延性水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite,ECC)的裂縫寬度(60 μm)[28]，因此CC的極限拉應(yīng)變值較大，一般可達(dá)到10%左右。同時(shí)，CC的極限拉應(yīng)變受三維間隔織物厚度影響，織物厚度越厚，極限拉應(yīng)變?cè)叫?。研究還發(fā)現(xiàn)，三維間隔織物中間間隔紗數(shù)量和角度會(huì)對(duì)CC拉伸性能產(chǎn)生影響，當(dāng)中間間隔紗數(shù)量(體積分?jǐn)?shù))增加時(shí)，會(huì)略微提高CC的初裂強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度。Han等[7]的研究中指出，中間間隔紗絲數(shù)量的增加或傾斜角度(拉應(yīng)力方向與纖維方向夾角)的減小都會(huì)減小裂縫的最大寬度，并增加基體的裂縫數(shù)量，提高極限拉應(yīng)變。這說(shuō)明中間間隔紗在基體中充分發(fā)揮了橋接和阻裂作用，在裂縫開(kāi)展過(guò)程中紗絲有效維持材料的承載能力，紗絲數(shù)量的增加或傾斜角度的減小提高了開(kāi)裂位置的剛度，從而使CC拉伸過(guò)程中裂縫更細(xì)，多裂縫開(kāi)裂現(xiàn)象更為明顯，保證材料具有更高的延性。研究表明：當(dāng)中間間隔紗的體積分?jǐn)?shù)提高1倍時(shí)，CC的最大裂縫寬度減小23%，同時(shí)極限拉應(yīng)變提高8%；隨著纖維傾斜角由68°減少到50°時(shí)，CC的最大裂縫寬度減少18%，而極限拉應(yīng)變?cè)黾?%。

表1 三維間隔織物的織物空間結(jié)構(gòu)特征[7]Table 1 Spatial structure characteristics of 3D spacer fabric[7]

表2 不同織物格局的CC纖維特征以及CC抗拉強(qiáng)度[7]Table 2 CC fiber yarn characteristics and CC tensile strength of different fabric patterns[7]

為進(jìn)一步研究三維間隔織物空間結(jié)構(gòu)特征對(duì)CC力學(xué)性能的影響，Li等[29]采用格點(diǎn)模型并結(jié)合應(yīng)力強(qiáng)度因子通過(guò)數(shù)值模擬分析了CC在抗拉過(guò)程中的裂縫發(fā)展規(guī)律以及材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特征。研究表明，低彈性模量間隔紗的加入有利于裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，當(dāng)裂縫形成后裂縫位置的纖維充分發(fā)揮橋接作用，承擔(dān)裂縫位置的荷載并將其傳遞回基體，同時(shí)三維間隔織物與基體作為一個(gè)整體共同承擔(dān)拉荷載，因此基體不會(huì)因?yàn)榱芽p的形成而導(dǎo)致承載能力的下降，從而使基體其他位置形成微裂縫，最終呈現(xiàn)應(yīng)變硬化和多裂縫開(kāi)裂現(xiàn)象。三維間隔織物表層織物層網(wǎng)格形狀對(duì)CC拉伸性能也會(huì)產(chǎn)生影響，方形孔網(wǎng)格織物的CC的抗拉強(qiáng)度較菱形網(wǎng)格織物的CC下降約30%。Li等[29]的研究還表明，隨著中間間隔紗傾斜角度的減小，CC多裂縫破壞的平均裂縫間距減小，中間層纖維絲角度由75°減少至45°時(shí)，裂縫平均間距可減少50%，裂縫間距減小意味著破壞時(shí)材料形成更多的裂縫，材料的極限拉應(yīng)變也就更大。

由于水泥基材料自身抗拉性能較差，同時(shí)柔性的三維間隔織物自身抗拉強(qiáng)度較低，因此CC的極限抗拉強(qiáng)度較低，一般在0.8～3.5 MPa[30]。為了提高CC的強(qiáng)度，張方圓等[6,31]在CC表面粘貼芳綸纖維無(wú)紡布(aramid fiber reinforced polymer,AFRP)和碳納米管改性超高分子量聚乙烯纖維布(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)，制備了兩種FRP增強(qiáng)CC(fiber reinforced polymer-concrete canvas,FRP-CC)，并研究了兩種FRP-CC的抗壓、抗拉和抗剪性能。研究表明，與普通CC相比，F(xiàn)RP-CC的抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯提升，但抗拉強(qiáng)度顯著增加，提高了15～20倍。在抗拉強(qiáng)度上升的同時(shí)延性出現(xiàn)明顯下降，經(jīng)向和緯向上的極限拉應(yīng)變均下降至4%左右，同時(shí)材料未出現(xiàn)應(yīng)變硬化過(guò)程。此外，F(xiàn)RP-CC的抗剪強(qiáng)度提高40%，由3 MPa左右增加至5 MPa左右。由此可見(jiàn)，纖維的摻入可以有效提高CC的抗拉強(qiáng)度，但同時(shí)降低了材料的延性，因此FRP-CC的使用要根據(jù)工程進(jìn)行合理選擇。

除影響CC的力學(xué)性能外，三維間隔織物的織物結(jié)構(gòu)特征還會(huì)影響CC水化過(guò)程中的干縮，而水泥水化過(guò)程中的收縮可能導(dǎo)致水泥基體早期開(kāi)裂進(jìn)而影響CC的力學(xué)性能。Han等[32]研究了表2中N15-IV-CC和N15-II-CC兩種三維間隔織物、硫鋁酸鹽水泥和石膏體系的CC的干縮性能。研究表明，硫酸鹽水泥和石膏作為水泥粉體的CC干縮主要集中在水化的前10 d，水化30 d后，干縮基本停止，這與CC的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律一致。CC的干燥收縮小于普通水泥硬化試件，三維間隔織物主要通過(guò)層間的間隔纖維絲起到抑制材料干縮的作用，在收縮過(guò)程中，纖維紗絲與基體同時(shí)發(fā)生變形，間隔紗絲承擔(dān)基體因收縮而產(chǎn)生的部分應(yīng)力從而抑制基體的收縮變形。由于經(jīng)向和緯向織物結(jié)構(gòu)特征差異，CC經(jīng)向上的干縮值小于緯向，三維間隔織物對(duì)經(jīng)向上的變形約束能力更強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果還表明，N15-II-CC的干燥收縮小于N15-IV-CC，這是由于N15-II-CC中的間隔紗與收縮應(yīng)力方向的夾角(簡(jiǎn)稱傾斜角)更小同時(shí)投影長(zhǎng)度更長(zhǎng)，因此N15-II-CC中的纖維充分發(fā)揮了其阻裂和限制變形的作用，從而減少了CC的干縮。

Li等[33]研究了PET纖維在(60±2) ℃的飽和Ca(OH)2溶液中浸泡10 d和450 d后PET纖維的質(zhì)量、延伸率、極限抗拉強(qiáng)度以及彈性模量的變化，并采用SEM觀測(cè)了浸泡前后的纖絲表面形貌(見(jiàn)圖2[33])。研究表明，PET纖維具有一定的耐堿腐蝕能力，在飽和Ca(OH)2溶液中PET纖維質(zhì)量、延伸率、極限抗壓強(qiáng)度以及彈性模量均未發(fā)生明顯變化，同時(shí)表面亦未發(fā)生明顯的損傷。在60 ℃下飽和Ca(OH)2溶液的pH值在12.4左右，高于硫鋁酸鹽水泥硬化后孔溶液pH值[34]。因此，根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果可推測(cè)PET纖維在硫鋁酸鹽水泥體系中不易發(fā)生堿腐蝕，作為CC的三維間隔織物原材料具有優(yōu)異的耐久性能。

圖2 PET纖維絲在(60±2) ℃的飽和Ca(OH)2溶液中浸泡后的表面形貌變化[33]Fig.2 Surface morphology changes of PET fibers soaked in saturated Ca(OH)2 solution at (60±2) ℃[33]

2 混凝土帆布的應(yīng)用

2.1 混凝土帆布帳篷

混凝土帆布帳篷是CC最早的應(yīng)用成果之一[35-36]?；炷练紟づ癯浞职l(fā)揮了CC的材料特點(diǎn)：在水化之前，CC柔軟易運(yùn)輸，且容易加工成設(shè)計(jì)形狀，在帳篷使用時(shí)直接充氣成型，澆水待CC硬化后即可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)?；炷练冀Y(jié)構(gòu)多設(shè)計(jì)成拱形[37]，這樣充分發(fā)揮了CC抗壓強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，同時(shí)規(guī)避了CC抗拉強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)。此外，CC中的水泥基體力學(xué)性能穩(wěn)定，且具有耐火性好[38]、抗腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)使用年限可達(dá)10年以上[33]。混凝土帆布帳篷具有搭建速度快、搭建簡(jiǎn)單、建筑后結(jié)構(gòu)承載能力高、保溫隔熱性能優(yōu)異、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于防震減災(zāi)工程臨時(shí)房屋、臨時(shí)基地指揮場(chǎng)所等場(chǎng)景。

2.2 混凝土帆布邊坡防護(hù)/擋土墻

CC的另一個(gè)廣泛應(yīng)用場(chǎng)景是邊坡防護(hù)[33,39]。由于CC具有水化前柔軟、易于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，CC邊坡防護(hù)施工方便[40]，施工過(guò)程僅需將CC吊裝鋪設(shè)、固定,再在表面噴水即可；同時(shí)CC硬化速度很快，一般2～5 d即可完成全部施工過(guò)程，CC邊坡防護(hù)的施工速度是普通混凝土邊坡防護(hù)的10倍[33]。Li等[33,41]通過(guò)有限元模擬方法分析了CC和FRP-CC邊坡防護(hù)的穩(wěn)定性以及邊坡的應(yīng)力分布規(guī)律，研究表明，CC邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效提高邊坡土體的安全系數(shù)。由于CC自身的抗拉強(qiáng)度較低，因此CC適合與鋼筋等共同構(gòu)成加筋土邊坡結(jié)構(gòu)；在FRP-CC結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP有效提高了CC的抗拉強(qiáng)度以及抗拉剛度，使FRP-CC可用于10 m以下的邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)。周林[42]研究了地震荷載作用下CC加筋土結(jié)構(gòu)的抗震性能，研究表明，CC加筋土結(jié)構(gòu)與普通土工布加筋土相比具有更好抗震性能，在0.7 g振幅時(shí)，CC加筋土結(jié)構(gòu)與普通土工布加筋土結(jié)構(gòu)相比坡頂最大沉降降低40%；采用蜂窩狀分布的CC防護(hù)-加筋土結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)對(duì)加速度放大系數(shù)的抑制作用更為明顯[42]，還能有效減少擋土墻的變形和裂縫的產(chǎn)生，因此抗震性能更為優(yōu)異。

圖3 蜂窩狀CC防護(hù)結(jié)構(gòu)(單位：mm)[42]Fig.3 Honeycomb CC protection structure (unit:mm)[42]

Zhou等[43]采用振動(dòng)臺(tái)模擬地震過(guò)程，研究不同振幅條件下600 mm高CC加筋土結(jié)構(gòu)的抗震性能，并將試驗(yàn)結(jié)果與有限元數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，CC加筋土邊坡的地震破壞過(guò)程是“由表面到中心”和“由高到低”破壞，并且CC邊坡的傾斜角在低振幅(<0.3 g)條件下對(duì)邊坡沉降影響很小，而在高振幅(>0.5 g)條件下，傾斜度較大的加固邊坡的水平位移小于傾斜度較小的模型。綜合考慮邊坡角度的加固效果、抗震性能以及施工難度，CC加筋土邊坡的適宜邊坡角度為20°左右。

2.3 混凝土帆布加固

由于CC具有水化硬化前柔軟，易于鋪設(shè)，同時(shí)CC還具有高延性特征，因此，CC可以用于對(duì)已有結(jié)構(gòu)的加固[44]。相澤輝等[45]采用CC和CFRP聯(lián)合包裹加固混凝土圓形短柱，并研究加固后混凝土短柱的抗壓性能。研究表明，CC和CFRP的聯(lián)合包裹有效限制了受壓時(shí)混凝土短柱的橫向變形，顯著提高混凝土的等效抗壓強(qiáng)度，CC與CFRP聯(lián)合約束混凝土短柱抗壓強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)位移比未受約束的混凝土短柱提高了40.1%～50.1%和42.8%～98.1%。同時(shí)，相澤輝等[46-48]研究了CC與CFRP聯(lián)合約束方形混凝土柱的抗壓性能，得到了與圓柱相類(lèi)似的結(jié)果，通過(guò)CC與CFRP聯(lián)合約束，混凝土方柱的抗壓強(qiáng)度和極限抗壓應(yīng)變均有顯著提高。

除加固混凝土短柱外，曹鵬等[49-50]研究了采用CC包裹加固的塑料復(fù)合管(PVC管)的受壓和受彎性能，并研究了采用CC-CFRP-PVC管聯(lián)合加固混凝土柱的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，CC包裹的PVC管力學(xué)性能顯著提高，其環(huán)向剛度、極限受壓承載力以及極限受彎承載力較未約束的PVC管分別提高261.85%、82.79%和106.15%，同時(shí)CC-CFRP-PVC管聯(lián)合加固的混凝土短柱抗壓承載力也有顯著的提升。

Jafari等[51]采用數(shù)值分析方法研究了采用CC包裹的埋地管道抗爆性能。研究結(jié)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應(yīng)力。CC對(duì)埋地管道抗爆性能的提升效果與CC厚度、包裹層數(shù)以及CC對(duì)管道的包裹形式直接相關(guān)；隨著CC厚度的增加，埋地管道在爆炸荷載作用下的最大位移和最大應(yīng)力減少；隨著CC包裹層數(shù)的增加，埋地管道因爆炸荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力集中被大大減小，埋地管道上的應(yīng)力分布更加均勻，因此CC對(duì)管道抗爆性能的加固更加明顯，但考慮CC層數(shù)增加的增強(qiáng)效果與成本之間的平衡關(guān)系，CC包裹層數(shù)不宜超過(guò)2層。

2.4 其他應(yīng)用

除在混凝土帳篷、邊坡防護(hù)以及既有結(jié)構(gòu)加固上取得應(yīng)用外，CC還在渠道襯砌、堤岸、涵洞襯砌、谷倉(cāng)圍護(hù)以及修補(bǔ)工程中得到了應(yīng)用[52-53]。在使用過(guò)程中，CC展現(xiàn)出了優(yōu)異的抗腐蝕性能、防火性能以及強(qiáng)度穩(wěn)定性[39]，同時(shí)，由于其施工效率極高，且無(wú)需大型機(jī)械施工，在降低施工成本的同時(shí)減少了因大型機(jī)械使用而產(chǎn)生的CO2氣體，因此創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

除土木工程與公路工程應(yīng)用外，CC還被應(yīng)用于制造家具[54]。CC具有水化前柔軟以及硬化后強(qiáng)度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此CC制造出的家具形狀精美且結(jié)實(shí)耐用[55-56]。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

國(guó)內(nèi)外針對(duì)混凝土帆布力學(xué)性能與應(yīng)用進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，基于上述文獻(xiàn)歸納總結(jié)和分析討論，得到以下總結(jié)：

(1)CC具有強(qiáng)度發(fā)展快、抗拉延性高等特征，其1 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa，28 d抗拉極限拉伸應(yīng)變?cè)?0%左右，具有很高的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

(2)目前CC中應(yīng)用最為廣泛的水泥粉體體系為硫鋁酸鹽水泥和石膏體系，等效水灰比在0.42左右時(shí)，CC的力學(xué)性能更優(yōu)。

(3)由于三維間隔織物經(jīng)向和緯向上的表面織物層以及間隔紗絲空間結(jié)構(gòu)存在差異，因此CC的力學(xué)性能在經(jīng)向和緯向上不同；中間間隔紗絲空間結(jié)構(gòu)對(duì)CC的力學(xué)性能影響較大；由于CC自身的抗拉強(qiáng)度較低，可采用FRP增強(qiáng)CC以顯著提高CC的抗拉強(qiáng)度，但這會(huì)降低CC的延性。

(4)目前，CC已在混凝土帆布、邊坡防護(hù)、結(jié)構(gòu)加固、渠道襯砌、堤岸、涵洞襯砌、谷倉(cāng)圍護(hù)以及修補(bǔ)工程中得到應(yīng)用，此外，CC還可用于制造家具。

從對(duì)上述文獻(xiàn)的分析討論可知，目前研究主要集中在水泥種類(lèi)、水灰比和三維間隔織物材料種類(lèi)和空間結(jié)構(gòu)對(duì)CC力學(xué)性能的影響，但仍存在一些需解決的問(wèn)題：

(1)施工過(guò)程中水灰比難以控制。與傳統(tǒng)的混凝土材料不同，CC是通過(guò)在表面噴水凝結(jié)硬化。施工過(guò)程中，由于滲透速度和滲透均勻性以及層底部的滲水量等多種因素影響，CC不同部位的水灰比難以分布均勻。如何通過(guò)改變施工工藝使水與水泥粉均勻接觸，仍需要進(jìn)行深入研究。

(2)三維間隔織物材料耐堿性較差。目前CC中常用的PES、PET和PBT等材料耐堿性較差，在堿性水泥漿體環(huán)境中易腐蝕。三維間隔織物材料劣化將對(duì)CC的力學(xué)性能帶來(lái)負(fù)面影響。因此，需針對(duì)三維間隔織物材料在水泥漿體中的劣化機(jī)理及其對(duì)CC的長(zhǎng)期力學(xué)性能的影響展開(kāi)系統(tǒng)研究，為耐堿三維間隔織物材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

(3)CC應(yīng)用范圍窄。目前CC主要用于邊坡防護(hù)、加固等非結(jié)構(gòu)工程，應(yīng)用范圍相對(duì)較窄。今后仍需結(jié)合CC柔軟易鋪設(shè)、施工無(wú)需振搗攪拌和模板支護(hù)、硬化速度快以及施工無(wú)需大量大型機(jī)械等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域與范圍。

CC是一種具有諸多優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合材料，其制備方式和施工成型均明顯區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土材料。今后CC將向高強(qiáng)、高耐久性的方向發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。