一種運(yùn)用于高寒地區(qū)的保溫組合模板設(shè)計(jì)

摘要：本文旨在設(shè)計(jì)一種用于高寒地區(qū)的塑料保溫組合模板，運(yùn)用真空層隔熱的原理，通過模板材料的空間設(shè)計(jì)，在模板的面層實(shí)現(xiàn)夾層空腔，采用真空泵排除模板面層空腔內(nèi)的空氣，用特制的橡膠塞封堵預(yù)留的排氣孔，最終實(shí)現(xiàn)模板面層呈現(xiàn)真空狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用目前比較流行的聚丙烯等硬質(zhì)塑料為基材，加入玻璃纖維、劍麻纖維、防老化助劑等增強(qiáng)材料，經(jīng)過復(fù)合層壓工藝制成的工程塑料作為模板的制造材料。材料的強(qiáng)度應(yīng)能滿足承受現(xiàn)場使用周期變形和高原外界大氣壓碾壓變形。工程實(shí)體運(yùn)用中本模板能有效使新澆筑完的混凝土不受外界環(huán)境溫度變化的影響，在模板封閉空間創(chuàng)造一個利于混凝土強(qiáng)度提升的溫度，最終實(shí)現(xiàn)延長高寒地區(qū)混凝土施工有效時(shí)間的目的。

關(guān)鍵詞：高寒地區(qū);塑料模板;真空保溫

中圖分類號：TQ322.9

1引言

隨著國家越來越重視邊疆開發(fā)，西藏、新疆等高寒邊疆地區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目越來越多。但嚴(yán)寒的自然條件制約了施工進(jìn)度，特別是對混凝土的澆筑有著很大的影響。怎樣使嚴(yán)寒環(huán)境中所澆筑的混凝土的強(qiáng)度上升速度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間不受環(huán)境溫度的影響，或者在零下5℃時(shí)能照常施工，對加快工程建設(shè)進(jìn)度和確保工程質(zhì)量有著重大的意義。我們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｓ玫奖乇?、保溫瓶，他們能隔絕水熱與外界的聯(lián)系，大大的降低熱量的散發(fā)速率，從而長時(shí)間的保持水的溫度。本文塑料真空保溫模板的設(shè)計(jì)思路來源于此，我們可以設(shè)想，如果在模板的面層能有一個跟保溫杯類似的隔熱真空層，這樣不就能保證澆筑完的混凝土熱量不被外界環(huán)境溫度影響，從而達(dá)到保溫目的。

2保溫模板的設(shè)計(jì)原理

保溫模板的設(shè)計(jì)原理和保溫瓶的原理一樣，我們都知道熱力傳播有三種途徑，輻射、對流和傳遞，如果能通過采取辦法和手段隔絕上述三種熱力傳播途徑，就能保證物體原有的溫度，從而起到保溫的作用。

2.1本設(shè)計(jì)選擇阻斷熱力傳播的研究方向

根據(jù)熱力學(xué)第二定律我們可以知道熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體，但不可能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。新澆混凝土的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外界環(huán)境溫度，所以如何阻斷混凝土自身熱量散發(fā)是本設(shè)計(jì)的總體思路。首先分析一下熱力傳播的三種途徑。（1）熱力輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發(fā)的熱傳方式，它不依賴任何外界條件而進(jìn)行。一般的熱力輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播，由于電磁波的傳播無需任何介質(zhì)，所以熱力輻射是在真空中唯一的傳熱方式。從上述表述中可以看出，本設(shè)計(jì)的真空保溫模板是沒法杜絕熱力輻射的熱量傳播方式，故阻斷熱力輻射不作為本設(shè)計(jì)的研究方向。（2）對流傳熱是在流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，主要是質(zhì)點(diǎn)位置的移動，使溫度趨于均勻。液體和氣體之間的傳熱主要是對流傳熱。因?yàn)榛炷聊毯鬄楣腆w，故阻斷對流傳熱不作為本設(shè)計(jì)的研究方向。（3）傳導(dǎo)傳熱是指溫度不同的物體直接接觸，由于自由電子的運(yùn)動或分子的運(yùn)動而發(fā)生的熱交換現(xiàn)象。傳熱過程中，物體的微觀粒子不發(fā)生宏觀的相對移動，而在其熱運(yùn)動相互振動或碰撞中發(fā)生動能的傳遞，宏觀上表現(xiàn)為熱量從高溫部分傳至低溫部分。故阻斷傳導(dǎo)傳熱作為本設(shè)計(jì)的主要研究方向。

2.2本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)途徑

上述已明確如何阻斷傳導(dǎo)傳熱是本設(shè)計(jì)的主要研究方向。也就是說怎樣有效的隔絕新澆混凝土和外界氣體之間的傳導(dǎo)傳熱是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。傳導(dǎo)傳熱是由不同溫度的兩個物體直接接觸而產(chǎn)生的一種熱力傳播現(xiàn)象，怎么可以避免或者盡可能減少兩個物體之間的接觸是本設(shè)計(jì)的一個難點(diǎn)。以現(xiàn)有的工程技術(shù)，從工程經(jīng)濟(jì)和使用方面等出發(fā)，作者認(rèn)為要想完全避免不同溫度兩個物體直接接觸很難實(shí)現(xiàn)也不太現(xiàn)實(shí)。故從怎樣盡可能的避免兩個物體直接接觸出發(fā)來最終實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的意圖。經(jīng)過仔細(xì)思量結(jié)合現(xiàn)階段工程材料技術(shù)，作者最終選定采用比較新穎先進(jìn)的工程塑料做為保溫模板的基材。因?yàn)楣こ趟芰暇哂休^好的延展性、可塑性和密封性，同時(shí)也具有一定的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，制作成的模板能夠滿足工程建設(shè)需要。本設(shè)計(jì)區(qū)別傳統(tǒng)鋼制組合模板的地方在于在模板面層設(shè)置雙層面板，雙層面板之間用加筋肋板連接，肋板上設(shè)置小孔，保證面板之間的空腔為一個聯(lián)通的空間。以現(xiàn)有的塑料加工技術(shù)，本設(shè)計(jì)在工廠中能夠?qū)崿F(xiàn)?，F(xiàn)實(shí)社會中我們常見的一種食品儲存技術(shù)，就是采用真空泵將塑料包裝的食品抽成真空。故在工廠加工時(shí)直接將面板空腔加工成真空狀態(tài)，或現(xiàn)場操作中在面板空腔側(cè)面預(yù)留抽氣孔采用真空泵抽成真空都可行。綜上所述，通過運(yùn)用工程塑料制作成可以減少傳導(dǎo)傳熱的真空夾層，在模板面層有效減少混凝土和外界氣溫之間的熱量傳遞，最終實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的目的，讓模板給新澆筑的混凝土起到保溫的目的。

3保溫組合模板的設(shè)計(jì)模型

3.1保溫模板材料的選擇

隨著四新技術(shù)的普及和應(yīng)用，近年來以聚丙烯等硬質(zhì)塑料為基材，加入玻璃纖維、劍麻纖維、防老化助劑等增強(qiáng)材料，經(jīng)過復(fù)合層壓等工藝制成的工程塑料模板開始流行起來。綜合傳統(tǒng)的鋼模板、木模板，以及新近流行的鋁模板，塑料模板具有易加工、可塑性好、氣密性強(qiáng)，能滿足作者的設(shè)計(jì)材料要求。同時(shí)高強(qiáng)塑料在加入肋板的基礎(chǔ)之上，強(qiáng)度足夠媲美木模板，可以滿足建筑工程對模板強(qiáng)度的需求。

3.2保溫模板型號的設(shè)計(jì)

組合式模板可分為模塊組合和材料組合，其中模塊組合模板有組合鋼模板、組合塑料模板、組合鋁合金模板;材料組合模板有鋼（鋁）框膠合板模板和鋼（鋁）框塑料模板[1]。工程創(chuàng)新源于實(shí)踐，為了保證保溫模板有更好的靈活性和實(shí)用性，筆者根據(jù)定型組合鋼模板的常用型號來設(shè)計(jì)本文的保溫塑料模板。根據(jù)工程實(shí)踐中常用的模數(shù)制，將其長度以300mm為一個進(jìn)位，寬度以50mm為一個進(jìn)位，其中的U型卡孔長度為150mm，同長度、寬度的模數(shù)一致。在使用時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行拼裝。利用長度為600mm、900mm、1500mm和寬度100mm、150mm、200mm、300mm的模板，可以組裝成以50mm為進(jìn)位的各種版面尺寸，這個尺寸可以靈活地滿足各種工程的需要。

4保溫模板的設(shè)計(jì)思路及示意圖

因?yàn)楸疚牟捎昧藗鹘y(tǒng)的定型組合模板的型號設(shè)計(jì)方式，故在模板圖繪制時(shí)，本文選取300mm×1500mm型號來做一示意和說明。

4.1設(shè)計(jì)圖思路一

根據(jù)組合模板的尺寸，樣式跟傳統(tǒng)組合鋼模板的樣式基本相同，都由面層，背楞和螺栓孔構(gòu)成，如圖1所示。最關(guān)鍵的地方是塑料模板面層的設(shè)置，面層必須滿足幾個特點(diǎn)：（1）面層必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。能滿足施工過程中澆筑混凝土?xí)r對模板的沖擊力和側(cè)壓力。（2）面層是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵地方，可在工程加工過程中直接抽成真空，在面層空腔內(nèi)應(yīng)設(shè)有專門用來減少模板表面變形的支撐肋板，在肋板之間應(yīng)設(shè)置空氣連通孔，保證在加工過程中整個面層空腔形成真空狀態(tài)，以達(dá)到保溫效果。肋板的設(shè)置數(shù)量和稠密程度，應(yīng)以保證模板面層在抽成真空時(shí)能抵抗住外界大氣壓強(qiáng)度，不止被大氣壓壓制面層變形為宜。另外高寒地區(qū)，空氣大氣壓較低，所以模板面層材料的選擇和肋板的設(shè)置數(shù)量相較低海拔的地方應(yīng)該較少為宜，這樣盡可能減少兩個物體之間的接觸面積，避免熱量的傳導(dǎo)，從而起到提高保溫效率的目的。（3）面層厚度h的確定。因?yàn)楸疚闹皇抢碚?，沒有經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，h的厚度應(yīng)從現(xiàn)場試驗(yàn)中確定。作者認(rèn)為h的厚度應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)所在地外界氣溫條件要求來確定。不同地方的氣溫條件，取值也應(yīng)有不同，在外界溫度較低的嚴(yán)寒地區(qū)，h取值應(yīng)該較大，反之亦然。

4.2設(shè)計(jì)圖思路二

在設(shè)計(jì)思路一的基礎(chǔ)上，其他不做改變，只改變塑料模板面層。主要是防止目前塑料加工廠真空加工技術(shù)不成熟而設(shè)置的。如圖三所示，可在塑料模板面層的外邊界留置抽氣孔，工程實(shí)現(xiàn)運(yùn)用中采用真空泵將塑料模板面層抽成真空，再用氣密性橡膠塞進(jìn)行封堵。本設(shè)計(jì)可以很好的降低加工技術(shù)難度，同時(shí)為后續(xù)的使用維修降低了技術(shù)難度。

4.3上述兩種設(shè)計(jì)思路的優(yōu)缺點(diǎn)分析

設(shè)計(jì)思路一的優(yōu)點(diǎn)有：（1）有利于施工進(jìn)度。由工廠一次加工成型，減少了現(xiàn)場抽成真空的操作環(huán)節(jié)，提升了現(xiàn)場施工工效，節(jié)約了施工時(shí)間，同時(shí)加快了施工進(jìn)度。（2）保溫性能較高。由工廠一次加工成型，設(shè)計(jì)思路一模板真空度相較設(shè)計(jì)思路二說較高，因?yàn)楝F(xiàn)場操作來現(xiàn)場是人為操作，夾層中的空氣難免排除不是很干凈，這樣增加了兩物體之間的直接接觸面積，降低了保溫塑料模板的保溫效果。設(shè)計(jì)思路一的缺點(diǎn)有：（1）加工難度較大。因?yàn)樵诠S中一次加工成型，在加工的過程中要保證模板面層呈真空狀，增加了加工的難度。（2）損壞后不宜修復(fù)。在現(xiàn)場使用過程中若因操作不當(dāng)造成真空面層破損，不宜修復(fù)。

設(shè)計(jì)思路二的優(yōu)點(diǎn)有：（1）加工簡單。缺點(diǎn)是（1）保溫效果較差。

5塑料保溫模板的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)分析

塑料保溫模板的優(yōu)點(diǎn)分析：（1）經(jīng)濟(jì)效益方面。相較傳統(tǒng)的保溫方式來說，從工序上減少了時(shí)間，操作更為簡便。不像傳統(tǒng)保溫的方式如：采取掛簾，包裹黑心棉，保暖被，草墊、在鋼模板肋空處填充保溫巖棉材料等，同時(shí)模板能反復(fù)拆裝，多次利用，節(jié)約了施工投入成本。（2）施工進(jìn)度方面。冬季鋼筋混凝土施工影響施工進(jìn)度最關(guān)鍵的因素時(shí)混凝土等強(qiáng)，也就是要混凝土強(qiáng)度滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204-2015）要求時(shí)才能進(jìn)行模板拆除和上部結(jié)構(gòu)施工或下道工序施工。而采用保溫模板，混凝土的強(qiáng)度提升能達(dá)到或等同于內(nèi)地混凝土強(qiáng)度的提升速度，在高寒地區(qū)也就相當(dāng)于加快了施工進(jìn)度，延長了可用于施工的有效天數(shù)。（3）塑料模板綠色環(huán)保。相較于傳統(tǒng)的木模板來說，塑料模板具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。使用塑料模板能有效減少木材的消耗和浪費(fèi)，并且塑料模板的回收利用率高，可在損壞后回收進(jìn)行多次加工利用。（4）塑料真空保溫模板質(zhì)量輕，能降低人力資源消耗。拼裝式組合塑料模板質(zhì)量輕，模板強(qiáng)度和剛度高，不易變形[2]。相較于傳統(tǒng)的鋼模板來說，塑料真空組裝模板質(zhì)量很輕，一般一個工人能很輕松的搬動和安裝。這樣大大減少了組合鋼模板安裝時(shí)人工浪費(fèi)的情形，提高了工效。

塑料保溫模板的缺點(diǎn)分析：（1）塑料材質(zhì)在高寒地區(qū)容易變得硬脆，容易損壞。因?yàn)楸疚牡暮诵乃枷胧翘岢鲋谱鞒鲆粋€塑料空心夾層，形成真空，用于斷絕混凝土和外界空氣之間的熱傳導(dǎo)。所以塑料保溫面層的質(zhì)量決定著本方案的可行性和實(shí)用性。怎么找到合適的能用于高寒地區(qū)不易被損壞的塑料材質(zhì)成為一個關(guān)鍵因素。也許現(xiàn)階段用于制作塑料模板的材質(zhì)能滿足本設(shè)計(jì)的要求，但是在耐久性和實(shí)用性方面還有待考究。（2）對模板面層真空保溫層的加工技術(shù)要求高。我們都知道對保溫和傳熱起著關(guān)鍵性的三個影響因素：熱對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射。我們在加工塑料模板面層時(shí)不但在技術(shù)上要實(shí)現(xiàn)真空，還要使得面層盡可能的光滑，或者在內(nèi)部面層設(shè)置阻隔膜。在高真空條件下，輻射傳熱是熱量傳遞的主要形式之一[3]。在面層內(nèi)部設(shè)置真空絕熱阻隔膜可有效反射和散射電磁波，阻止熱量的傳導(dǎo)。

6保溫模板的應(yīng)用前景

我國在世界上被稱為“基建狂魔”，最近幾年基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了極大的成就。隨著我國建筑業(yè)的不斷發(fā)展， 國家大力推行綠色施工、節(jié)能減排舉措[4]。其中，發(fā)展綠色施工技術(shù)是保證綠色建筑有效推行的重要環(huán)節(jié)[5]。在鋼筋混凝土建設(shè)領(lǐng)域模板的安裝和加工技術(shù)已非常成熟。但高寒地區(qū)，特別是西藏和新疆地區(qū)的鋼筋混凝土建設(shè)受氣候影響嚴(yán)重。如果本設(shè)計(jì)的保溫模板能夠研制成功，可以用于正在建設(shè)的川藏鐵路、邊疆地區(qū)的水電站、公路、鐵路及配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等項(xiàng)目，也可用于“南水北調(diào)西線工程”。所以本設(shè)計(jì)應(yīng)用前景非常廣闊，值得探索和研究。

7結(jié)語

作為一名建筑行業(yè)的從業(yè)人員，作者親身經(jīng)歷過中國南水北調(diào)中線工程建設(shè)，也參加過市政工程建設(shè)，近幾年在西藏地區(qū)從事基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目工作。而高寒高海拔地區(qū)混凝土施工環(huán)境非常惡劣，施工難度大，混凝土澆筑質(zhì)量直接影響到項(xiàng)目能否順利完成[6]。作者從多年的工作經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，想著若能有一種可減少高原地區(qū)混凝土澆筑時(shí)間的保溫措施，豈不為我們加快建設(shè)美麗邊疆的步伐添磚加瓦，錦上添花。作者根據(jù)實(shí)際工作需要，在保溫瓶的身上得到啟發(fā)，因此有了這個設(shè)計(jì)，希望本設(shè)計(jì)能夠得到模板制造廠家和行業(yè)愛好者的探討、研究、深化和應(yīng)用。通過本設(shè)計(jì)的思路，能研制出一種可應(yīng)用于高寒地區(qū)給新澆混凝土保溫的實(shí)用型塑料真空保溫模板。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

邢鐸（1987），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事工程建設(shè)、項(xiàng)目質(zhì)量管理工作。單位：中國水利水電第七工程局有限公司。