混凝土帳篷的構造設計及其性能研究

陳亞男 胡 超 丁民濤 屈亮星 杜瑤瑤

（北京科技大學 土木與環境工程學院 土木工程 100083 北京）

當戰爭和特大自然災害來襲時，臨時庇護所將成為最為重要的救援物資。現如今，各國通常采用單純布料或預制板件來搭建臨時庇護所，但材料強度低、板件運輸不便的弊端也日益顯現。為了滿足強度高、成本低又方便安裝的要求，我們研究了混凝土帳篷構造和性能。

混凝土帳篷具有帆布帳篷的外型和預制板房的結構性能，呈拋物線型，使用前可以折疊運輸，使用時直接充氣成型，澆水待水泥基材料硬化后即可入住。其主體結構是由多段混凝土帆布拼接而成，而帆布內水泥基材料的強度會直接影響到混凝土帳篷的成型質量。為此，針對混凝土帳篷使用功能作為設計的主要指標，以水泥基材料干混后在帆布中的位置穩定性及澆水后的水化反應程度為設計前提，確保水泥基材料在硬化后仍可以保持帳篷體型固定，即達到混凝土帳篷的設計及使用要求。本設計通過優化配合比配置混凝土帆布內的水泥基材料，選用纖維作為內摻材料，纖維既能在水泥基材料硬化形成強度時影響其微觀結構[1]，又能改變水泥基材料受力時的應力—應變特性[2]。同時摻入一定量的吸水樹脂，樹脂吸收的水分在水泥水化反應或環境濕度變化引起的水泥基材料表面（或內部某處） 濕度降低時，釋放所吸收水分，使水泥基材料在較長時間內保持較高的相對濕度，因此阻止或延緩了水泥基材料的收縮開裂[3]。摻合料選擇粉煤灰和礦粉同時摻和，粉煤灰的活性效應和微集料效應能夠充分發揮其作用提高水泥基材料密實度以及耐久性，礦粉和粉煤灰的搭配更能有效發揮其活性并提高水泥基材料后期強度[4]。

1 原材料

1.1 混凝土帆布組成材料

無堿玻璃纖維鋼絲布：蘇州品一玻璃纖維科技有限公司生產的纖維鋼絲布，作為防火覆蓋層，耐火極限為1200℃；

3D纖維網：三明治三層網布，由輕絲織制成，作為空間網架包裹水泥基材料；

耐用防水雨布：聚乙烯（PE）材質防水雨布，作為帆布底襯，起隔水作用；

橡膠布：彈力純黑色橡膠布，作為氣囊外皮。

1.2 混凝土帆布制作工藝

混凝土帆布是一種內部放置水泥基材料的柔軟的布，帆布遇水會發生水泥水化反應，與其他混合成分一道形成硬化水泥基材料體系，即形成一種很薄的防火防水的水泥基材料層。采用一定規格的混凝土帆布，經合理拼接即可形成混凝土帳篷。

如圖1所示，混凝土帆布主要采用輕絲織制成的三維纖維復合結構，簡稱3D纖維網，及經過設計優化好的干水泥基材料，在帆布底面覆有聚乙烯（PE）防水底襯，以保證混凝土帆布底面具有良好的防水特性。現場施工時，只需在混凝土帆布表面澆水即可令其發生水化反應，繼而凝結硬化產生強度。由于混凝土帳篷對其抗滲性、抗凍性、抗沖擊等性能要求較高，所以在混凝土帆布的水泥基材料中加入適當的改性聚酯纖維和吸水樹脂可以提高其抗滲性、抗凍性、抗沖擊性能以及耐腐蝕性。

混凝土帆布的縫制工藝也有一些講究，考慮到3D纖維網與防火覆蓋層及防水層需要進行有效連接，決定采用電動縫紉機進行混凝土帆布縫制，縫紉線采用耐250℃高溫的尼龍線，滿足混凝土帳篷使用環境要求。

2 配合比設計優化

2.1 原材料

水泥：北京金隅水泥廠生產的強度等級為92.5MPa的快硬硫鋁酸鹽水泥。

粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰。礦粉：S95礦渣微粉。

高吸水樹脂：河北保定產高吸水性樹脂。

細砂：80-120目。

改性聚酯纖維：經物理方法改性，起增韌效果。

2.2 配合比設計

2.2.1 配合比設計方案見表1

2.2.2 膠砂強度實驗結果

圖1 混凝土帆布的內部結構

表1 水泥基材料配合比方案

按照配合比設計方案要求，我們配制了編號為1-9組的膠砂試塊并進行強度實驗，得到不同配合比方案下膠砂試塊的抗折及抗壓強度數據（見表2）。

實驗設計中采用高強硫鋁酸鹽水泥，天然細砂作為細骨料，改變配合比中的膠砂比例，以保證細骨料可以被水泥漿體有效包裹。通過對膠砂試塊強度實驗數據對比，并考慮強度、適用性等要求最終決定選用編號1實驗組對應的配合比來設計水泥基材料，最優配合比中吸水樹脂含量為0.5%。

3 混凝土帳篷結構形式及特殊性能

混凝土帳篷作為一種救災住宅的新產品，必須具備自身快速成型及在惡劣環境下使用的能力，才能在使用時不受時間、空間以及環境的限制，這就是我們研制混凝土帳篷的初衷。為了檢驗混凝土帳篷的這種能力，我們對混凝土帳篷的外形進行了ANSYS有限元分析，并對混凝土帆布的耐磨性、防火性及抗沖擊性進行試驗。

3.1 混凝土帆布的抗沖擊性能與耐磨性能

根據混凝土帆布的應用特點，我們對混凝土帆布進行了相應的抗沖擊性能及耐磨性能試驗，并按照規范《JG/T 270-2010工業構筑物水泥基耐磨材料》中規定的材料性能指標，對帆布性能等級進行評價。

實驗數據如表3，表4所示。

實驗數據表明，混凝土帆布耐磨損失量性能指標等級為WR-I、抗沖擊強度性能指標等級為WR-II，滿足混凝土帳篷使用要求。

3.2 混凝土帳篷耐火性實驗

考慮到混凝土帳篷實際使用環境，我們決定采用丙烷氣體燃燒時的外焰溫度檢驗混凝土帳篷的耐火性能（如表5）。

實驗表明，帆布經丙烷外焰灼燒后不燃燒，防火性能滿足混凝土帳篷使用要求。

表2 硫鋁酸鹽水泥膠砂強度實驗數據

表3 耐磨損失量試驗數據

表4 抗沖擊強度試驗數據

表5 耐火性能試驗情況

3.3 有限元分析

為了研究混凝土帳篷結構的可行性并尋找結構形式的理想方案，我們利用ANSYS有限元分析軟件對混凝土帳篷的結構進行了建模分析。帳篷模型橫斷面為拋物線形式，縱向為等截面，類似一個平臥的柱體，模型用整體拋物線形狀的面與前后兩個面板合成一個三面包圍的“帳篷”，模型長度為4m，寬度為2m，高度為1m。有限元模型見圖2。

建立模型之后，我們首先對模型進行了收到豎向自重荷載下結構受力分析，其等效應力分布見圖3。

可以看出，結構的應力最大值為0.338MPa，小于水泥基材料的抗拉強度設計值。為了模擬該模型在上部雨雪等荷載的作用下的受力情況，取北京地區雪荷載標準值為0.5kN/m2進行模擬，等效應力分布見圖4。

在上部雨雪等荷載的作用下，結構最大應力為1.03MPa，小于水泥基材料抗拉強度設計值。該結構滿足帳篷設計及使用要求，能夠抵抗結構自重以及雨雪災等不利環境因素的影響。

圖2 混凝土帳篷有限元模型

結論

地震是二十一世紀人類面臨的最大災害，據不完全統計，全球每年約發生500多萬次地震，即每天要發生上萬次地震。當災難來襲時，許多永久性的結構坍塌，震后的短期內，人們常常通過“帳篷城市”來渡過難關，直到地震消失，城市重建。

圖3 自重荷載下等效應力云圖

圖4 雨雪荷載下等效應力云圖

但是，帳篷作為一種帆布制的臨時性建筑物，其堅固性和實用性比起混凝土建筑物相差甚遠，有時候根本不能滿足人們正常生活的需要，因此我們利用水泥基材料來加固帳篷，制作一種像帳篷一樣易于成型，同時又具有較好的結構穩定性的臨時性建筑產物—混凝土帳篷。

本文的研究工作得到如下結論：

（1）混凝土帳篷具有一般帳篷所沒有的強度和耐久性功能，同時還具備一般帳篷易于成型、方便使用的特點，在救災住宅方面具有良好的使用價值和推廣特性。

（2）混凝土帆布采用“三明治”構造形式，由一層帆布，一層防水布，中夾水泥基材料的3D纖維網經過特殊的縫制工藝制作而成，3D纖維網能起到包裹水泥基材料的作用。

（3）水泥基材料的配合比經過膠砂強度試驗數據分析，發現用早強硫鋁酸鹽水泥比普硅水泥可使得帳篷具有更好的結構穩定性，此外還研究了膠砂比對帳篷結構穩定性的影響，從而得到早期強度、后期強度好的配合比。

（4）經過有限元建模分析，混凝土帳篷結構合理，形式簡單易于制作，可大規模量產。

（5）經相關性能測試，混凝土帆布耐磨損失量性能指標等級為WR-I、抗沖擊強度性能指標等級為WR-II、可耐280℃~500℃的高溫，防火性能良好。混凝土帆布能夠滿足惡劣環境的使用要求，可以在地震投入使用。

[1] 朱江.聚丙烯纖維混凝土的防水性能及其應用[J].新型建筑材料，2000，（2）:38，39.

[2] 陳潤鋒，張國防，顧國芳.我國合成纖維混凝土研究與應用現狀.建筑材料學報，2001年6月，第4卷第2期.

[3] 陳德鵬，錢春香，高桂波，趙洪凱. 高吸水樹脂對混凝土收縮開裂的改善作用及其機理. 功能材料，2007 年第 3 期（38）卷.

[4] 劉娟紅，梁文泉.土木工程材料[M].北京:機械工業出版社，2013.5:77-78.