永久性模板疊合構(gòu)件研究綜述

連筱欽

摘 要：本文總結(jié)國(guó)內(nèi)外永久性模板的研究成果，重點(diǎn)圍繞永久性模板與現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件試驗(yàn)研究的研究進(jìn)展、存在的問(wèn)題進(jìn)行綜述。最后總結(jié)永久性模板疊合構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)存在不足。

關(guān)鍵詞：永久性模板；抗剪性能；抗彎性能

0 前言

建筑模板在施工過(guò)程中使用量大，面廣的施工工具。我國(guó)傳統(tǒng)的模板以木模板、竹木模板為主，在施工現(xiàn)場(chǎng)就地支模加工，散拆散支。由于木模板、竹木模板其周轉(zhuǎn)次數(shù)低，損耗嚴(yán)重，而我國(guó)的木材資源又相對(duì)短缺。所以發(fā)展以鋼模板和鋁合金模板為主的“以鋼代木”便應(yīng)運(yùn)而生，鋼模板和鋁合金模板大大提高了模板的周轉(zhuǎn)次數(shù)緩解了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)快速發(fā)展時(shí)期模板需求量大的問(wèn)題，但對(duì)于鋼模質(zhì)量重塊體大吊裝不方便以及鋁模板塊體面積小，拆裝效率低，拆?？p造成的混凝土表面不平整等問(wèn)題一直難以得到很好的解決。同時(shí)，拆模后大部分柱子直接裸露在外界環(huán)境中，混凝土保護(hù)層及內(nèi)部鋼筋容易遭到腐蝕，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的使用壽命和人員的生命安全。

永久性模板作為一種的功能型模板，在混凝土澆筑時(shí)起支撐作用，澆筑后免拆模作為結(jié)構(gòu)的一部分，提高構(gòu)件的受力性能并且大大減少施工工期，降低工程造價(jià)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)永久性模板疊合柱在試驗(yàn)研究、理論分析、有限元模擬分析等進(jìn)行大量研究。本文通過(guò)對(duì)織物增強(qiáng)永久性模板疊合構(gòu)件、超高韌性混凝土永久性模板疊合構(gòu)件、永久性模板的設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展進(jìn)行分析，總結(jié)永久性模板優(yōu)點(diǎn)以及對(duì)未來(lái)發(fā)展的展望。

1 織物增強(qiáng)永久性模板疊合構(gòu)件研究

織物增強(qiáng)混凝土（textile reinforced concrete，TRC）是一種纖維復(fù)合材料，由纖維編織網(wǎng)和細(xì)骨料混凝土組成。常見(jiàn)的編織網(wǎng)格材料有玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維，具有耐腐蝕、耐疲勞、輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。所以織物增強(qiáng)永久性模板疊合構(gòu)件具有較好的抗裂性、抗腐蝕性和較高的延性[1-3]。TRC薄板作為永久性模板不僅起到模板的作用又可以與結(jié)構(gòu)共同工作。

荀勇，徐業(yè)輝等[4]采用不銹鋼網(wǎng)固定織物網(wǎng)增強(qiáng)細(xì)骨料混凝土設(shè)計(jì)2根永久性模板與現(xiàn)澆混凝土疊合圓柱與1根同等條件的普通混凝土柱。研究表明：永久性模板的“環(huán)箍效應(yīng)”約束核心混凝土的橫向變形，有效提高了柱的承載力；織物增強(qiáng)永久性模板和現(xiàn)澆混凝土能夠較好的協(xié)同工作。

肖保輝，支正東等[5]通過(guò)對(duì)10根織物增強(qiáng)混凝土加固混凝土方形短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，得出：織物增強(qiáng)混凝土加固混凝土方柱能有效提高短柱延性，抑制裂縫的擴(kuò)展；并考慮加固層數(shù)，截面形狀，織物網(wǎng)粗砂間距和實(shí)際粗砂強(qiáng)度折減等因素的影響，提出了織物增強(qiáng)混凝土方柱在受壓下的極限承載力計(jì)算模型。

王浩宇，田穩(wěn)苓等[6]等采用TRC薄板作為永久性模板疊合RC結(jié)構(gòu)體系?？紤]結(jié)合面粗糙度、混凝土等級(jí)、火燒溫度、腐蝕及碳化深度等對(duì)新舊混凝土結(jié)合性能的影響。研究表明：影響普通混凝土與新混凝土結(jié)合性能的因素主要有結(jié)合面粗糙率、普通混凝土與新混凝土強(qiáng)度等，當(dāng)結(jié)合面粗糙率越大、新混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高時(shí) ，結(jié)合強(qiáng)度越高。

河北工業(yè)大學(xué)劉鐘[7]通過(guò)改變TRC模板與后澆混凝土接觸面的處理方式、后澆混凝土的強(qiáng)度和纖維網(wǎng)的數(shù)目三種因素來(lái)研究TRC疊合構(gòu)件抗彎性能并采用ANSYS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析。試驗(yàn)表明：TRC模板的使用可以使原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度得到明顯提升，由于增幅較大，這部分增量可以在計(jì)算承載力時(shí)應(yīng)予以考慮；TRC模板運(yùn)用于實(shí)際施工是可行的，能夠滿足規(guī)范對(duì)于模板強(qiáng)度和剛度方面的要求；免拆型TRC模板作為建筑構(gòu)件的保留部分可以改善結(jié)構(gòu)性能。

沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院的張巨松[8]在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了玻璃纖維永久性模板的試制，同時(shí)對(duì)玻璃纖維和混凝土復(fù)合梁的性能進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)初步的實(shí)驗(yàn)得到：玻璃纖維材料能與混凝土很好地協(xié)同工作，并大幅度提高了混凝土/玻璃纖維復(fù)合梁的抗彎能力；素混凝土梁的破壞是典型的脆性斷裂，而復(fù)合梁可以承受較大的變形，復(fù)合梁破壞時(shí)的撓度是素混凝土的3.32倍；玻璃纖維與混凝土能夠形成良好的界面結(jié)構(gòu)，從而保證兩者共同工作，形成新的玻璃纖維結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合梁的綜合效果。

同時(shí)，國(guó)外學(xué)者Julie Brennan和Remo Pedreschi[9]等人從纖維網(wǎng)的角度分析了結(jié)構(gòu)的織網(wǎng)模板，得出了新制作工藝與其他工藝相比，其組成結(jié)構(gòu)更能提高模板性能的結(jié)論；Brameshuber 和Wolfgang[10]通過(guò)研究證明了利用纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土構(gòu)件，其制作的模板構(gòu)件有良好的力學(xué)性能；S. Verbruggen，O. Remy [11]等人通過(guò)四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)和數(shù)值模擬模擬，證實(shí)了TRC模板使結(jié)構(gòu)在抗剪方面得到增強(qiáng)；基于微觀和細(xì)觀的分析，考慮纖維束和基體材料的界面特性，模擬了TRC薄板的單軸張拉和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)[12]。

美國(guó)的Mirmiran教授和shahaw[13-14]等人認(rèn)為使用FRP（纖維增強(qiáng)聚合物）作為永久性模板，最有效的用途是作為柱模板。他們采用長(zhǎng)纖維卷繞法、自旋澆筑法或傳遞涂樹(shù)脂模塑法將 FRP 制成環(huán)向密封的環(huán)形薄壁筒作為永久性柱模板，在其內(nèi)部澆筑混凝土形成復(fù)合柱，并對(duì)這種復(fù)合柱的強(qiáng)度、延性、受力性能、長(zhǎng)細(xì)比限制、抗沖擊性能以及該模板對(duì)混凝土的橫向約束性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

2 超高韌性混凝土永久性模板疊合構(gòu)件研究

超高韌性水泥基復(fù)合材料（Ultra High Toughness Cementitious Composite，簡(jiǎn)稱UHTCC）作為新型高性能混凝土材料，有著良好的物理力學(xué)性能，具有較高的抗拉、抗彎、抗剪、抗扭強(qiáng)度，以及具有卓越的抗沖擊和抗疲勞性能[15-18]。同時(shí)，UHTCC材料具有良好的耐腐蝕性和抗?jié)B性，超高韌性水泥基復(fù)合材料能夠與混凝土粘結(jié)性能良好作為柱模板能有效防止鋼筋的腐蝕和降低混凝土保護(hù)層的剝落。

普通混凝土抗拉強(qiáng)度較低，韌性差，開(kāi)裂后裂縫難以控制且隨著強(qiáng)度的提高，混凝土收縮和脆性問(wèn)題突出使得當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外部荷載時(shí)，混凝土保護(hù)層裂縫開(kāi)展迅速且容易出現(xiàn)剝落嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久問(wèn)題，減短結(jié)構(gòu)使用壽命。超高韌性水泥基復(fù)合材料通過(guò)摻入纖維，通過(guò)纖維的橋聯(lián)作用，能有效控制裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。已有研究表明：1）UHTCC直接拉伸極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定達(dá)到3%以上，且極限破壞時(shí)裂縫平均間距在3mm以下，具有超高韌性和高損傷容限； 2）在無(wú)界面劑、錨筋等增強(qiáng)界面粘結(jié)強(qiáng)度的措施下， UHTCC與混凝土兩者間具有較好的粘結(jié)性能； 3） UHTCC在不摻加引氣劑的條件下具有良好的抗凍性能，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)仍能保持較高的彎曲抗拉強(qiáng)度和彎曲韌性，能在水工結(jié)構(gòu)和海洋平臺(tái)建設(shè)中得到良好的應(yīng)用； 4）UHTCC在微裂縫狀態(tài)下具有優(yōu)越的抗?jié)B性能，使得超高韌性水泥基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

重慶交通大學(xué)劉毅[19]研究PVA 纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)型永久性模板，在連續(xù)剛構(gòu)橋梁上的應(yīng)用，分析模板結(jié)構(gòu)的受力情況，以及結(jié)構(gòu)成型后模板與結(jié)構(gòu)之間的復(fù)合受力情況。研究表明：將用PVA 永久模板澆注的梁試件與素混凝土試件對(duì)比試驗(yàn)，得出 PVA永久模板對(duì)混凝土抗彎抗裂能力及梁破壞后的延性的增強(qiáng)作用；并且對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了有限元模擬分析，得到了很好的契合。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄭海勇[20]設(shè)計(jì)了三個(gè)截面為200mm×200mm，模板高度1m，厚度為30mm的用永久性柱模板，分別在模板中摻入了2%的玻璃纖維、1%玻璃纖維及鋼絲網(wǎng)。研究表明：從試驗(yàn)得到的滯回性能、承載力、延性耗能系數(shù)、剛度強(qiáng)度退化等性能指標(biāo)上來(lái)看，預(yù)制模板混凝土柱的性能要略差于普通混凝土柱，但是相差都很小，各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)降低的幅度基本都控制在 10%的范圍以內(nèi)；從現(xiàn)場(chǎng)施工的角度出發(fā)，分析了預(yù)制模板在施工荷載下的應(yīng)力應(yīng)變

狀態(tài)和裂縫開(kāi)展情況。分析結(jié)果表明，預(yù)制模板在施工荷載下具有良好的工作性能，不會(huì)產(chǎn)生裂縫。可見(jiàn)此類預(yù)制模板完全可以滿足一般工程的需要，該課題中所研制的預(yù)制模板用于永久性模板是可行的。

香港科技大學(xué)梁堅(jiān)凝[21]等考慮了不同表面處理方法下模板與普通混凝土之間的粘結(jié)力，并分析了在GFRP Bar加固模板下構(gòu)件的4點(diǎn)彎曲理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果。得出：預(yù)制澆筑的高延性永久性模板不僅施工方便，且作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分參與受力提高了構(gòu)件的受力性能，高延性水泥基復(fù)合材料很好的控制裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展有效防止疊合梁的脫粘破壞。

吉林大學(xué)王彤[22]利用水泥基復(fù)合材料與鋼絲網(wǎng)制作永久性模板，研究永久性模板與后澆混凝土之間的協(xié)同工作性能，考慮了在不同粘結(jié)處理方式下疊合梁的界面粘結(jié)性能和傳力機(jī)理，試驗(yàn)表明：永久模板必須經(jīng)過(guò)鉆孔處理后，才能保證混凝土與模板的粘結(jié)性能；對(duì)于未進(jìn)行任何處理方式的永久模板制作的混凝土疊合梁易剝離，不利于混凝土梁的正常工作；永久模板的鉆孔處理中，鉆孔深度越小，孔徑大時(shí)，對(duì)于永久模板與混凝土之間的粘結(jié)性能越有利，疊合梁的承載力越大；具有較好粘結(jié)性能的疊合梁的變形性能相較普通混凝土的變形性能有所提高。因此，在實(shí)際工程中，進(jìn)行界面處理的永久模板制作的混凝土構(gòu)件，在承載力及正常使用情況下，要優(yōu)于普通混凝土構(gòu)件。

大連理工大學(xué)李賀東[23]采用不同的極限拉應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度澆筑7種上表面不同的薄板以及3種不同內(nèi)表面的形狀的U型永久性梁模板初步研究使用UHTCC制作永久性模板的可行性。試驗(yàn)表明：UHTCC永久性模板的使用不僅提高混凝土構(gòu)件的承載力，而且使素混凝十的破壞模式實(shí)現(xiàn)從準(zhǔn)脆性到延性破壞的轉(zhuǎn)變，使結(jié)構(gòu)變得更安全，更能夠有效地將混凝土中的單一裂縫分散到UHTCC中的多條細(xì)密裂縫，提高了構(gòu)件的耐久性能和使用壽命；試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)抹面成型表面光滑的永久性模板與后澆混凝土粘結(jié)良好，表明應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料水久性模板與后澆混凝土間的粘結(jié)性能得到很好的保障。

東北林業(yè)大學(xué)王鈞[24]提出一種新型的鋼纖維活性粉末混凝土永久性模板，并且基于現(xiàn)有的規(guī)范的模板側(cè)壓力理論，建立兩端固接計(jì)算模型，提出了鋼纖維活性粉末混凝土永久性模板合理的理論計(jì)算方法并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析給出永久性柱模板的壁厚取值與設(shè)計(jì)建議。

3總結(jié)與展望

超高韌性混凝土在制備方面上使用了大量的工業(yè)廢料，在節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)方面具有重大意義。同時(shí)，永久性模板作為一種功能型模板，不僅起到支撐作用，澆筑后不用拆模與結(jié)構(gòu)共同受力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力性能，保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部不受侵蝕，大大提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命。永久性模板的使用不僅可以縮短施工工期，還可以變廢為寶，解決了典型竹木模板、鋁合金模板和鋼模板在實(shí)際工程中的周轉(zhuǎn)損耗，符合可持續(xù)發(fā)展，具有客觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

采用UHTCC作為制作永久性模板的材料。我國(guó)開(kāi)展纖維混凝土的研究起步較晚，大部分研究主要在纖維混凝土的配合比、增強(qiáng)機(jī)理、物理力學(xué)性能等方面，對(duì)于永久性模板的應(yīng)用研究較少。

對(duì)于永久性模板的界面粘結(jié)效果、在循環(huán)荷載作用、長(zhǎng)期荷載作用及在實(shí)際惡劣環(huán)境中的抗腐蝕性能研究還不夠完善，仍需要大量的試驗(yàn)研究。

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【項(xiàng)目基金】華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃資助項(xiàng)目（課題編號(hào)：1611404008）