基于低碳經(jīng)濟(jì)的視角：新型透水模板試驗(yàn)研究

摘 要：文章基于低碳經(jīng)濟(jì)的視角，對(duì)新型透水模板試驗(yàn)研究進(jìn)行了分析，指出自制的透水模板與同類進(jìn)口產(chǎn)品相比，具有物美價(jià)廉的特點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)一步研制與開發(fā)、替代進(jìn)口產(chǎn)品，從而取得良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：低碳經(jīng)濟(jì) 混凝土澆筑 透水模板 可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：F285 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4914（2013）02-283-02

一、選題背景

1.混凝土澆筑的特點(diǎn)?；炷劣兄鴱?fù)雜的組成，組成混凝土的物質(zhì)包括膠凝材料、水、粗細(xì)骨料及外加劑等多種物質(zhì)，還有在攪拌澆筑過程中混入的空氣。這些物質(zhì)的狀態(tài)包括液態(tài)、固態(tài)乃至我們不希望看到的氣態(tài)。眾多復(fù)雜的物質(zhì)和物質(zhì)狀態(tài)意味著影響混凝土性質(zhì)的因素很多，在這眾多因素中，對(duì)混凝土性質(zhì)起決定作用的是膠凝材料和水。而本課題研究的透水模板正是通過改變混凝土拌和物中水的含量來改變混凝土的性質(zhì)。（1）新拌混凝土中的空氣和水。在拌制混凝土的時(shí)候，為了獲得必要的流動(dòng)性，常加入較多的水（約占水泥重量的40%～70%）。而水泥水化時(shí)所需的結(jié)合水一般只占水泥重量的23%左右。多余的水留在混凝土固結(jié)完成后留在固體中形成孔洞，這些孔洞對(duì)混凝土的強(qiáng)度起著不利的作用?，F(xiàn)代混凝土的理論與實(shí)踐研究表明，混凝土強(qiáng)度的減弱主要是由這部分自由水造成的。

同時(shí)在攪拌混凝土的過程中，不可避免地帶入一些空氣。而凝固在混凝土中的空氣將直接形成孔洞，削弱混凝土的質(zhì)量。與自由水相比，空氣對(duì)混凝土的施工過程沒有什么好處。（2）游離水和氣孔對(duì)混凝土質(zhì)量的危害。通常游離水和空氣會(huì)在硬化后的混凝土中形成空隙等缺陷，由于現(xiàn)有模板材料大多是親水的，自由水和空氣容易在模板表面富集，非常容易在混凝土表面形成這些缺陷。這樣不但會(huì)給混凝土的表面質(zhì)量帶來直接的影響，更為嚴(yán)重的是這些缺陷會(huì)形成深入混凝土內(nèi)部通道，給混凝土的耐久性帶來極壞的影響。

這種缺陷逐漸成為混凝土施工過程中很難避免的通病，因?yàn)槠溆刹牧咸匦运?，并非可以?jiǎn)單地通過改進(jìn)施工工法所消除。

2.混凝土耐久性與抗?jié)B性。（1）混凝土的耐久性。隨著時(shí)間的推移，任何材料的物理力學(xué)性能都將收到環(huán)境因素的作用而發(fā)生改變，致使繼續(xù)使用材料將不安全或者不經(jīng)濟(jì)，此時(shí)可以認(rèn)為材料達(dá)到其使用壽命。耐久性好的材料，抵抗環(huán)境破壞因素的能力強(qiáng)，材料的使用壽命就長(zhǎng)，反之就短。

影響混凝土耐久性的因素可分為物理作用和化學(xué)作用兩類。物理作用主要包括表面磨蝕、凍融及孔隙中鹽類結(jié)晶壓力引起的膨脹開裂等?；瘜W(xué)作用則指酸溶液使水泥漿濾析、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應(yīng)、混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕等。其中鋼筋腐蝕的主要形式是電化學(xué)反應(yīng)。

混凝土中的孔隙和水分是影響混凝土耐久性的兩個(gè)重要因素。侵蝕性介質(zhì)只有通過孔隙向內(nèi)部滲透，才能對(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用。而幾乎所有的化學(xué)侵蝕都需要水做媒體。

除了水泥漿中存在水和孔隙外，骨料與水泥漿之間的界面和骨料本身也存在孔隙和水。受骨料形狀、級(jí)配、骨料含量等因素的影響，骨料、骨料與水泥漿之間界面上的孔隙和水，在不同的混凝土中往往有較大的差異。

而富集在模板表面的水和孔隙將主要由模板及脫模劑的性質(zhì)所決定，這部分水和空氣由于是直接影響混凝土外表面質(zhì)量，對(duì)混凝土的耐久性有著至關(guān)重要的影響。（2）混凝土的抗?jié)B性?；炷恋臐B透性，指液體流過混凝土的流暢性。混凝土的抗?jié)B性指混凝土抵抗壓力水的滲透性。顯然，混凝土阻礙液體向其內(nèi)部流動(dòng)的能力越強(qiáng)，混凝土的抗?jié)B性就越好?；炷恋哪途眯?，與水和其他有害化學(xué)液體流入其內(nèi)部的數(shù)量、范圍有關(guān)，因此抗?jié)B性能好的混凝土，其耐久性就高。

混凝土的水灰比越大，水化程度越低，水泥漿體中的毛細(xì)孔率越高，水泥漿體含有較多的大孔和連通性良好的孔，混凝土的滲透性就越大。在相同的水灰比下，水化程度越低，混凝土中未水化物及毛細(xì)管越大，孔隙率越大。水化程度隨混凝土齡期的增長(zhǎng)而提高，混凝土的密實(shí)性也相應(yīng)提高。在相同水化程度下，水灰比越大，混凝土的孔隙率越高。（3）空氣和游離水對(duì)混凝土抗?jié)B性和耐久性的影響。從混凝土發(fā)生耐久性損失的原理我們可以看到，混凝土的抗?jié)B性能是一個(gè)起主要決定作用的因素，可以從下面一個(gè)著名的描述混凝土耐久性損失的圖中看到這一因素的重要性。

只有水、環(huán)境中的有害因素和混凝土本身一起發(fā)生作用才會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生耐久性損失。

混凝土拌和物中含有的游離水和空氣則是影響混凝土抗?jié)B性的重要因素，通過以上兩個(gè)邏輯關(guān)系，我們可以看到混凝土拌和物中的游離水和空氣是影響混凝土耐久性的重要原因。

3.透水模板應(yīng)用的意義。（1）使用普通模板澆筑的混凝土。用普通模板澆注混凝土?xí)r，由于模板本身有被水浸潤(rùn)的性質(zhì)，當(dāng)進(jìn)行振搗壓實(shí)操作工序時(shí)，新拌混凝土中含有的過量的水分和空氣就往模板移動(dòng)，并在模板內(nèi)側(cè)聚集。這樣表層混凝土就有較高的水灰比。當(dāng)混凝土硬化后，混凝土的表面強(qiáng)度一般會(huì)降低一些，而且表面水分的蒸發(fā)會(huì)造成在混凝土表面形成蜂窩、孔洞，影響美觀。更為重要的是，形成了這些缺陷以后，混凝土表面密實(shí)度的降低，會(huì)大大影響混凝土的耐久性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用。（2）使用透水模板澆筑的混凝土。與傳統(tǒng)模板的比較，透水模板的特點(diǎn)在于，它能通過一層過濾層把聚積在模板內(nèi)側(cè)的多余水分和空氣排出，同時(shí)留住了水泥顆粒。這樣就降低了表層混凝土的水灰比，形成堅(jiān)硬密實(shí)的混凝土表層。

透水模板的這個(gè)作用可以消除使用普通模板澆筑混凝土產(chǎn)生蜂窩麻面的通病，澆筑出的混凝土光潔密實(shí)。

由于使用透水模板不但可以消除混凝土表面的孔隙，而且使得這層混凝土強(qiáng)度提高。這樣既提高了混凝土的表面質(zhì)量，又提高了耐久性，為混凝土抵抗環(huán)境侵蝕提供了一道防線。

透水模板在施工工期上也有良好的影響，由于其澆筑混凝土表面水灰比降低，強(qiáng)度發(fā)展比較快，使得模板周轉(zhuǎn)時(shí)間縮短。

4.清水混凝土的使用現(xiàn)狀。清水混凝土的表面質(zhì)量有很強(qiáng)的未知性，在拆模之前誰也不知道是否有缺陷存在，即使對(duì)于最有經(jīng)驗(yàn)的工程師來說也不知道具體的澆筑情況會(huì)是怎樣。然而對(duì)于清水混凝土來說，失敗是不允許的，無論多高明的修補(bǔ)，都會(huì)留下很難看的痕跡，甚至直接影響建筑的效果。

另外，混凝土不像鋼材、玻璃等質(zhì)感單純而明確的材料，它最終的效果取決于材料調(diào)配、細(xì)部設(shè)計(jì)，模板的選擇、安裝、拆除，混凝土的拌制、澆筑、養(yǎng)護(hù)等多種因素，也可以說是一種工藝技術(shù)。設(shè)計(jì)者不能只是在圖面里標(biāo)注或指定，在現(xiàn)有的施工技術(shù)條件下必須根據(jù)自己的設(shè)計(jì)意圖，從材料的選定與調(diào)配、模板的選擇與安裝、混凝土的澆筑與養(yǎng)護(hù)等等，事必躬親，并與施工人員密切配合，才能達(dá)到理想的效果。這些要求對(duì)于中國(guó)建筑師的職能來說超出了很多。

按現(xiàn)有的施工技術(shù)條件，要保證清水混凝土的盡量良好的質(zhì)量必須有一套繁瑣的工序與技術(shù)組成。

二、透水模板的應(yīng)用方向

透水模板可以用于環(huán)境惡劣的地方，并且適用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有較高要求的地方。例如由磨損而發(fā)生碳化、氯離子侵蝕、化學(xué)侵蝕以及易發(fā)生凍融的場(chǎng)所和環(huán)境。還適用于混凝土表面質(zhì)量要求高，直接暴露于室外，或要求混凝土表面不產(chǎn)生氣泡不必進(jìn)行裝修的場(chǎng)所。具體來講，透水模板可以使用在以下一些工程部位：

1.水路、河道和海洋結(jié)構(gòu)物。壩、水渠、防波堤、橋墩，這些結(jié)構(gòu)物由于受水流和波浪的沖擊而產(chǎn)生磨耗，從而產(chǎn)生凍融循環(huán)。海岸構(gòu)筑物由于氯化物的侵蝕、海水的沖擊，也需要提高混凝土表面的質(zhì)量，增加結(jié)構(gòu)耐久性。在工程中的應(yīng)用實(shí)例有：英國(guó)的River Dee estuary橋使用了Zemdrain-MD透水模板。英國(guó)南海岸的一些高架橋及水陸結(jié)構(gòu)，如港口和海堤等也使用了透水模板等等。

2.公路建筑。以前有過報(bào)道，由于防止路面結(jié)冰而撒鹽引起公路過早破壞。一般通過改善細(xì)部，增加混凝土強(qiáng)度等級(jí)或使用硅烷一類的涂料來解決這個(gè)問題。然而大量使用硅烷或其它涂料施工工序繁瑣，施工質(zhì)量不易控制。如果普遍提高混凝土等級(jí)則會(huì)大大增加成本。國(guó)外研究表明，應(yīng)用了透水模板的混凝土對(duì)氯化物侵入的抵御性通常比噴硅烷好。也有這一方面的工程實(shí)例，日本的靜清邊路工程高架橋就在橋壁高欄的施工中使用了織物模板。在德國(guó)，也有一座橋梁的拱型部分采用了透水模板施工。

3.飲用水和廢水建筑。飲用水質(zhì)量越來越多的嚴(yán)格指標(biāo)意味著混凝土表面質(zhì)量非常重要。為了防止藻類和微生物的繁衍產(chǎn)生，減少池壁的氣孔是非常必要的。另外，對(duì)于許多活性廢水，也需要能夠抵抗磨損和細(xì)菌微生物繁殖的混凝土表面。在德國(guó)采用透水模板施工的貯水池，經(jīng)檢驗(yàn)，完全符合控制微生物發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.對(duì)外觀有特殊要求的建筑物。透水模板的一大功能就在于它能獲得平整密實(shí)光滑的混凝土表面。能夠滿足一些對(duì)外裝修有特殊要求的建筑物的需要。同時(shí)也免去了裝修前平整、修飾等準(zhǔn)備工作，節(jié)省了大量費(fèi)用。透水模板無疑可以使建筑師放心使用清水混凝土進(jìn)行創(chuàng)作，而不用顧及混凝土表面質(zhì)量、結(jié)構(gòu)耐久性等問題。

三、新型透水模板研制的意義

筆者所在的清華大學(xué)已于1995年開始進(jìn)行透水模板試驗(yàn)與研究，并與國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：自制的透水模板與同類進(jìn)口產(chǎn)品相比，具有物美價(jià)廉的特點(diǎn)。如能進(jìn)一步研制與開發(fā)，替代進(jìn)口產(chǎn)品，將取得良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

目前對(duì)CPF原理的研究已經(jīng)到了一定的深度，但是對(duì)于透水模板對(duì)混凝土的作用深度等問題研究還比較少，如果通過后續(xù)研究把這些細(xì)節(jié)問題搞清楚，將對(duì)透水模板的研究和發(fā)展起十分重要的作用。

進(jìn)口透水模板在中國(guó)使用的門檻主要是價(jià)格問題。北京2008年舉辦奧運(yùn)會(huì)時(shí)，有大量的奧運(yùn)場(chǎng)館和市政設(shè)施需要建設(shè)，這些結(jié)構(gòu)很大一部分是清水混凝土，這為透水模板的使用提供了良好的機(jī)遇和發(fā)展空間。除了在北京，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)容量也很大，透水模板的發(fā)展有良好發(fā)展前景。

四、擬采用技術(shù)路線

1.理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合。對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)成果，進(jìn)行理論分析。構(gòu)建CPF材料性能與砼耐久性關(guān)系模型，提高CPF理論研究水平。

根據(jù)試驗(yàn)及理論分析成果，初步確定新型CPF的材料性能及指標(biāo)，進(jìn)行試驗(yàn)研究。開發(fā)出新型CPF產(chǎn)品，并制定其施工工藝。

2.試驗(yàn)與應(yīng)用相結(jié)合。將研制的新型CPF應(yīng)用到工程實(shí)踐中，發(fā)揮示范推廣作用。

五、研究方案及安排

2005.1～2005.2 理論模型構(gòu)建及分析

2005.3～2005.4 初選CPF材料及構(gòu)造

2005.5～2005.7 新型CPF試驗(yàn)

2005.7～2005.8 在實(shí)際工程中應(yīng)用新型CPF

六、工程實(shí)例應(yīng)用

在某新建項(xiàng)目中的地下車庫及設(shè)備用房中使用CPF，保證清水砼效果。

七、相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)

與新型CPF配套使用的粘合劑、脫模劑、卡扣件、清洗設(shè)備等可能是新型CPF系列化、標(biāo)準(zhǔn)化必不可少的組成部分。如能開發(fā)出配套使用的產(chǎn)品，對(duì)新型CPF的推廣應(yīng)用將有益處。

參考文獻(xiàn)：

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8.W.F.Price，S.J.Winddows，透水模板對(duì)改善混凝土表面性質(zhì)的作用

（作者單位：清華大學(xué)總務(wù)辦 北京 100084）

（責(zé)編：若佳）