混凝土帐篷的构造设计及其性能研究

2014-03-31陈亚男丁民涛屈亮星杜瑶瑶

江西建材 2014年12期

陈亚男胡超丁民涛屈亮星杜瑶瑶

（北京科技大学土木与环境工程学院土木工程 100083 北京）

当战争和特大自然灾害来袭时，临时庇护所将成为最为重要的救援物资。现如今，各国通常采用单纯布料或预制板件来搭建临时庇护所，但材料强度低、板件运输不便的弊端也日益显现。为了满足强度高、成本低又方便安装的要求，我们研究了混凝土帐篷构造和性能。

混凝土帐篷具有帆布帐篷的外型和预制板房的结构性能，呈抛物线型，使用前可以折叠运输，使用时直接充气成型，浇水待水泥基材料硬化后即可入住。其主体结构是由多段混凝土帆布拼接而成，而帆布内水泥基材料的强度会直接影响到混凝土帐篷的成型质量。为此，针对混凝土帐篷使用功能作为设计的主要指标，以水泥基材料干混后在帆布中的位置稳定性及浇水后的水化反应程度为设计前提，确保水泥基材料在硬化后仍可以保持帐篷体型固定，即达到混凝土帐篷的设计及使用要求。本设计通过优化配合比配置混凝土帆布内的水泥基材料，选用纤维作为内掺材料，纤维既能在水泥基材料硬化形成强度时影响其微观结构[1]，又能改变水泥基材料受力时的应力—应变特性[2]。同时掺入一定量的吸水树脂，树脂吸收的水分在水泥水化反应或环境湿度变化引起的水泥基材料表面（或内部某处）湿度降低时，释放所吸收水分，使水泥基材料在较长时间内保持较高的相对湿度，因此阻止或延缓了水泥基材料的收缩开裂[3]。掺合料选择粉煤灰和矿粉同时掺和，粉煤灰的活性效应和微集料效应能够充分发挥其作用提高水泥基材料密实度以及耐久性，矿粉和粉煤灰的搭配更能有效发挥其活性并提高水泥基材料后期强度[4]。

1 原材料

1.1 混凝土帆布组成材料

无碱玻璃纤维钢丝布：苏州品一玻璃纤维科技有限公司生产的纤维钢丝布，作为防火覆盖层，耐火极限为1200℃；

3D纤维网：三明治三层网布，由轻丝织制成，作为空间网架包裹水泥基材料；

耐用防水雨布：聚乙烯（PE）材质防水雨布，作为帆布底衬，起隔水作用；

橡胶布：弹力纯黑色橡胶布，作为气囊外皮。

1.2 混凝土帆布制作工艺

混凝土帆布是一种内部放置水泥基材料的柔软的布，帆布遇水会发生水泥水化反应，与其他混合成分一道形成硬化水泥基材料体系，即形成一种很薄的防火防水的水泥基材料层。采用一定规格的混凝土帆布，经合理拼接即可形成混凝土帐篷。

如图1所示，混凝土帆布主要采用轻丝织制成的三维纤维复合结构，简称3D纤维网，及经过设计优化好的干水泥基材料，在帆布底面覆有聚乙烯（PE）防水底衬，以保证混凝土帆布底面具有良好的防水特性。现场施工时，只需在混凝土帆布表面浇水即可令其发生水化反应，继而凝结硬化产生强度。由于混凝土帐篷对其抗渗性、抗冻性、抗冲击等性能要求较高，所以在混凝土帆布的水泥基材料中加入适当的改性聚酯纤维和吸水树脂可以提高其抗渗性、抗冻性、抗冲击性能以及耐腐蚀性。

混凝土帆布的缝制工艺也有一些讲究，考虑到3D纤维网与防火覆盖层及防水层需要进行有效连接，决定采用电动缝纫机进行混凝土帆布缝制，缝纫线采用耐250℃高温的尼龙线，满足混凝土帐篷使用环境要求。

2 配合比设计优化

2.1 原材料

水泥：北京金隅水泥厂生产的强度等级为92.5MPa的快硬硫铝酸盐水泥。

粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰。矿粉：S95矿渣微粉。

高吸水树脂：河北保定产高吸水性树脂。

细砂：80-120目。

改性聚酯纤维：经物理方法改性，起增韧效果。

2.2 配合比设计

2.2.1 配合比设计方案见表1

2.2.2 胶砂强度实验结果

图1 混凝土帆布的内部结构

表1 水泥基材料配合比方案

按照配合比设计方案要求，我们配制了编号为1-9组的胶砂试块并进行强度实验，得到不同配合比方案下胶砂试块的抗折及抗压强度数据（见表2）。

实验设计中采用高强硫铝酸盐水泥，天然细砂作为细骨料，改变配合比中的胶砂比例，以保证细骨料可以被水泥浆体有效包裹。通过对胶砂试块强度实验数据对比，并考虑强度、适用性等要求最终决定选用编号1实验组对应的配合比来设计水泥基材料，最优配合比中吸水树脂含量为0.5%。

3 混凝土帐篷结构形式及特殊性能

混凝土帐篷作为一种救灾住宅的新产品，必须具备自身快速成型及在恶劣环境下使用的能力，才能在使用时不受时间、空间以及环境的限制，这就是我们研制混凝土帐篷的初衷。为了检验混凝土帐篷的这种能力，我们对混凝土帐篷的外形进行了ANSYS有限元分析，并对混凝土帆布的耐磨性、防火性及抗冲击性进行试验。

3.1 混凝土帆布的抗冲击性能与耐磨性能

根据混凝土帆布的应用特点，我们对混凝土帆布进行了相应的抗冲击性能及耐磨性能试验，并按照规范《JG/T 270-2010工业构筑物水泥基耐磨材料》中规定的材料性能指标，对帆布性能等级进行评价。

实验数据如表3，表4所示。

实验数据表明，混凝土帆布耐磨损失量性能指标等级为WR-I、抗冲击强度性能指标等级为WR-II，满足混凝土帐篷使用要求。

3.2 混凝土帐篷耐火性实验

考虑到混凝土帐篷实际使用环境，我们决定采用丙烷气体燃烧时的外焰温度检验混凝土帐篷的耐火性能（如表5）。

实验表明，帆布经丙烷外焰灼烧后不燃烧，防火性能满足混凝土帐篷使用要求。

表2 硫铝酸盐水泥胶砂强度实验数据

表3 耐磨损失量试验数据

表4 抗冲击强度试验数据

表5 耐火性能试验情况

3.3 有限元分析

为了研究混凝土帐篷结构的可行性并寻找结构形式的理想方案，我们利用ANSYS有限元分析软件对混凝土帐篷的结构进行了建模分析。帐篷模型横断面为抛物线形式，纵向为等截面，类似一个平卧的柱体，模型用整体抛物线形状的面与前后两个面板合成一个三面包围的“帐篷”，模型长度为4m，宽度为2m，高度为1m。有限元模型见图2。

建立模型之后，我们首先对模型进行了收到竖向自重荷载下结构受力分析，其等效应力分布见图3。

可以看出，结构的应力最大值为0.338MPa，小于水泥基材料的抗拉强度设计值。为了模拟该模型在上部雨雪等荷载的作用下的受力情况，取北京地区雪荷载标准值为0.5kN/m2进行模拟，等效应力分布见图4。

在上部雨雪等荷载的作用下，结构最大应力为1.03MPa，小于水泥基材料抗拉强度设计值。该结构满足帐篷设计及使用要求，能够抵抗结构自重以及雨雪灾等不利环境因素的影响。