永久性模板的技术发展

刘永军,丁文艺,刘 畅

(沈阳建筑大学 土木工程学院,辽宁 沈阳110168)

0 前 言

永久性模板,又称一次性消耗模板,即在现浇混凝土结构浇筑后模板不再拆除,其中有的模板与现浇结构叠合后组合成共同受力构件。它具有施工工序简化、操作简便、改善了劳动条件、不用或少用模板支撑、节约模板支拆用工量和加快施工进度等优点。

此外,由于永久性模板均为预制构件,可因地制宜地选用制造模板材料,在保证模板结构性能的同时,充分开发利用工业废料,如矿渣、粉煤灰等,推动模板材料从传统材料向新型复合材料过渡发展。虽然生产成本比传统模板要高,但综合考虑劳动量的减少,材料损耗的减少,工期的缩短,建筑物耐久性的增强,长期维修费用的降低和节能环保等因素,使用新型永久性模板的工程总费用更低。因而永久性模板有很好的发展前景。

1 永久性模板的国内外发展状况

1.1 永久性模板国外发展状况

在国内外墙体模板工程研究中,用来作为永久性模板的材料主要有以下几类:压型(镀锌)钢板类,钢丝(或钢筋)网混凝土薄板类,挤压成型的聚苯乙烯泡沫板类,木材(或竹材)水泥板类,FRP(纤维增强聚合物)板类。

自20世纪80年代以来,许多发达国家均致力于新型墙体模板材料和结构的开发中。目前,已出现了多种类型的永久性墙体模板。

1.1.1 预制钢筋混凝土薄板墙模

把预制的钢筋混凝土薄板用作永久性工程模板,始于二战后严重缺乏木材资源和熟练技术工人的德国。现在这种依旧存在的资源缺乏和新出现的环境污染等危机推动着此类模板的继续应用和发展[1]。日本西栖公司开发的水泥薄板永久性模板,也是用高强度水泥砂浆和高强度钢丝网进行预制,为了确保现场浇筑混凝土后形成整体构件,模板内侧设有加工成凹凸面的抗剪连接件,这种新产品已经用于实际工程中,并产生了很好的效果。除了用高强砂浆和钢丝网外,日本大成建设公司还研制了以玻璃纤维和碳纤维增强的高耐久性预制混凝土板作为免拆模板的材料。

1.1.2 薄壁钢板永久性模板

在北美、英国及其他欧洲地区早在20世纪80年代就开始把压型薄壁钢片材料作为永久性免拆模板。它是采用镀锌或经防腐处理的薄钢板,经成型机冷压成具有梯波形截面的槽型钢板或开口式方盒状钢壳的一种工程模板。与混凝土浇筑在一起用于承重和防火。这些薄钢片尺寸介于0.7 mm～1.5mm之间,一般做成凹槽或压花形状来增强薄钢片模板与混凝土之间的机械咬合粘结力。

1.1.3 玻化微珠保温板永久性模板[2]

新型永久性模板中,玻化微珠保温板是以新型保温材料玻化微珠、工业废料(粉煤灰等)、胶结材料(水泥)和外加剂(减水剂等)为原料,用模具压制而成的一定尺寸的保温型永久性模板。该保温模板主要有两种功能:一是在混凝土浇注时作为墙体的侧模;二是在混凝土成型后作为墙体的永久性保温、隔热材料。玻化微珠保温模板与工具式大模板近似,在工厂加工制作,然后在现场进行拼装后浇筑混凝土。但不同于工具式大模板的地方是,玻化微珠保温模板是一种永久性模板,作为混凝土主体结构的一部分参与工作使用。该模板所具有的强度、刚度能够承受施工过程中现浇混凝土产生的侧压力、冲击力等。采用该体系模板不仅可以缩短工程施工工期,减少墙体厚度,减少建筑物自重,增强建筑物的抗震性能,还可以为建筑物提供良好的保温、隔热的效果。

1.1.4 聚苯乙烯泡沫塑料墙体保温模板[3]

加拿大AAB和美国瑞狄两种模板体系均采用高密度聚苯乙烯泡沫塑料制作墙体保温模板,墙体模板拼好后,在空腔内插入垂直钢筋并灌注混凝土,形成承重骨架或剪力墙,一般用于建造4层以下建筑。这种模板一般用于建筑物的外墙(围护结构)。其特征和性能与传统模板大不相同,在浇筑混凝土成型后其主要功能是保温、隔热,以减少建筑物内部的能量损耗为主要目标。目前,欧美国家使用的这种新型模板先经过发泡,然后模压成型。从加工方法和外观形状上一般可分为:H形和砌块式,相当于阴阳槽的形式。在工厂一次模压成型,运到施工现场即可使用。在施工现场安装使用时,先将墙面用水泥砂浆找平并预留出竖向钢筋位置,将永久性模板依次插接至设计的高度,将竖向和水平钢筋绑扎、布置在预留的空腔内,布置完毕后浇筑混凝土。两种产品其顶部和底部都带有阴阳槽,可以相互插接,施工方便而且保证了墙体横平竖直。成型后的墙体厚度相当于压型发泡聚苯乙烯塑料模板的宽度,两侧的聚苯乙烯材料厚度可达到100 mm以上。

1.1.5 舒乐舍板墙模[4]

舒乐舍板是韩国专利技术生产的结构增强混凝土板。英文:Structural Reinforced Concrete Panel,简称SRCPanel,结合汉字的发音和意译为“舒适安乐房舍的墙板”,简称舒乐舍板。舒乐舍板作为新型墙体材料,是用Φ 2冷拔低碳钢丝网片(50 mm目)插丝斜向交叉45°焊接而成的三维空间钢架结构,中间填充50 mm厚的阻燃型聚苯乙烯泡沫板,在板的两侧喷抹水泥砂浆面形成完整建筑墙板,是一种理想的轻质建筑材料。其特点是重量轻、安装简便、运输方便、增加了建筑使用面积、保护环境无污染。其缺点是运输或储存过程中容易变形,造成浪费,抹灰时墙体易产生裂缝、防火性能较差,施工完毕不能剔凿,不能变更门窗洞口等。

1.1.6 RBS纤维石膏速成板模板[5]

RBS纤维石膏速成板是澳大利亚速成建筑有限公司开发研制的一种防水玻璃纤维轻质石膏空心大板。由专门的生产设备采用优质熟膏、玻璃纤维网及适量的防水化学添加剂加工而成的大规格空心墙板。生产成品长12m、高3m、厚122 mm,两侧面为13 mm厚的纤维石膏薄板,中间为薄板形成的空腔,沿长度方向每隔250 mm布置20 mm厚的同一材料的隔板,隔板将板空腔分隔为一个个相邻的230 mm×94 mm×3 000mm的孔洞,板底孔洞中间有150mm高的加劲肋,这些孔洞可填充岩棉、聚苯乙烯泡沫、混凝土等材料,使板材满足保温、隔热、防火、隔音、承重等性能的技术要求。

1.1.7 Dipy模网体系[6]

DP模网体系是由具有三维空间网架结构的DP建筑模网、网格内浇筑大量粉煤灰、混凝土构成的剪力墙结构或框架剪力墙结构。其特点是解决了网架与外保温层的一体化问题,解决了无常规模板情况下混凝土的现浇施工问题,模网有足够的强度和刚度,能承受一个楼层高度浇注混凝土的冲击,且尺寸准确、不漏浆、浇筑后不拆除模网,能起到钢筋骨架的作用,形成钢筋混凝土墙体。可制成各种形状的模网构件,它适用于工业与民用建筑的内外墙体、楼板、楼梯及屋盖等。

1.1.8 FRP(纤维增强聚合物)永久性模板[7]

玻璃钢作为一种轻质高强的材料具有耐腐蚀、抗拉强度高、比重轻、成型快捷等特点,已广泛应用于建筑行业。玻璃钢—混凝土复合梁结构、混凝土表面包覆玻璃钢结构能够提高混凝土结构的综合力学性能。玻璃钢用做永久性模板浇筑混凝土正是从混凝土现场浇筑的角度出发,利用玻璃钢抗拉强度和抗冲击强度高的特点来弥补混凝土抗拉强度低的缺陷,玻璃钢能与混凝土共同工作,发挥玻璃钢轻质高强的特点,并大幅度提高了结构的抗折强度。

1.2 永久性模板国内发展状况

近几年来,我国科研人员在永久性模板研究中也做了一些有益的尝试:

1.2.1 钢丝网混凝土薄板模板[8]

钢丝网细粒混凝土是一种以水泥为基体的高强复合材料,它应用分散配筋原理使混凝土改性,是一种广义的纤维混凝土,使混凝土在平面内两个方向参与工作的能力达到一致。钢丝网混凝土模板具有优良的性能,高强度、高弹塑性性能、高耐久性可以保证此模板在运输、施工安装及混凝土浇筑过程中满足各种受力要求。

1.2.2 钢丝网活性粉末混凝土(RPC)永久性模板[9]

钢丝网活性粉末混凝土永久性模板具有优异的物理力学性能。强度极高,韧性大,抗弯折强度尤为高,密实性好,可像金属一样延伸,保证了混凝土抗剪、抗拉应力。同时具有优良的耐久性能,其空气渗透系数、水分吸收特性及碳化速度较普通混凝土都得到了永久改善。RPC作为永久性模板,一方面起到模板的作用;另一方面由于厚度较薄(仅3 cm左右),可起到保护层的作用。利用RPC超高的抗腐蚀、抗渗透性能和极高耐磨性,可应用到水工及核工业等对耐久性具有特殊要求的混凝土结构模板中,提高结构的使用寿命。

1.2.3 EPS钢丝网架板模板[10]

EPS钢丝网架板现浇混凝土外墙外保温系统,以现浇混凝土为基层,聚苯板外侧的钢丝网片与穿过聚苯板的斜插钢丝焊接,形成三维增强网络。混凝土墙体浇注之前,EPS单面钢丝网架板置于墙体外模板内侧,将EPS钢丝网架板与混凝土墙体钢筋绑扎,并安装Φ 6L型钢筋作为辅助固定件,每平方米不少于4根,锚固深度不得小于100 mm,钢筋应做防锈处理。混凝土浇注之后,保温层与墙体有机的结合在一起。在EPS单面钢丝网架一面的聚苯板上涂抹聚合物抗裂砂浆作为找平层,最后做装饰层。利用墙体内外模板控制保温板的平整、垂直度,施工方便。与主体工程同时进行有利于缩短工期,同时具有墙体外保温的特点,避免热桥、结露等现象。

1.2.4 压型钢板永久性模板[11]

压型钢板做永久性模板,其构造型式为:钢梁上铺设压型板+栓钉+钢筋+混凝土。混凝土浇筑完后直接浇筑上一层。压型板也不再拆除,作为楼板结构的一部分永久保留。楼层结构由栓钉将钢筋混凝土、压型钢板和钢梁组合成整体结构。这种结构的特点是:简单、高强 、安全、美观、耐用;可以减少模板的支设与拆除,提高工效;还可多层次同时施工,有利于立体交叉作业;同时压型钢板作为底模,便于设备管道、电气线路的开洞处理;易于保证工程质量,而且施工方便、快速。

综上所述,采用具有保温、装饰等复合功能的免拆模板,综合节省劳动力、加快施工进度、丰富建筑造型、降低工程造价等因素,都是现代混凝土模板的一个发展方向。免拆模板的开发和应用,不论从模板行业还是建筑节能上讲,都有着良好的经济效益和广阔的市场前景。虽然各国在永久性模板方面都取得了一定的进展,但永久性模板的使用基本都限于一些外形较为复杂且不易现场支模的异型结构部位,模板所用材料各异,而且模板的厚度较大。这些永久性模板如果用在普通的建筑施工工程中,将造成搬用、安装等方面的不便,且这些模板施工方式仍处于试验、研究阶段,尚无规范或规程作为指导。

2 一种新型模板的研究内容及其特点

2.1 新型模板研究内容

永久性模板GRC—PVC组合模板是以GRC板作为墙体外墙板,以PVC连接杆和铝制滑道作为模板连接骨架,按墙体形状组装模板后在其空腔内浇注混凝土形成复合墙体结构。以带有凸槽的PVC连接杆(如图1所示)与带有凹槽的铁制滑道(如图2所示)以子母槽的形式连接形成框架结构,然后用环氧树脂将GRC平板粘在框架表面,形成墙体模型,向孔道内浇筑混凝土形成墙体。墙体成形后,模板及连接构件成为结构中的保留部分,参与墙体承重。如图3所示,为墙体侧视剖面图。图4为墙体俯视图。

图1 塑料连接杆

图2 铁制滑道侧视图

图3 墙体侧视图

图4 墙体俯视图

这种永久性模板体系由澳大利亚Ritek公司研发,由于执行的是澳大利亚的规范标准,引进后需根据中国国情、建筑规范、技术指标、习惯做法、施工技术水平进行技术上的改造,进而开发出适用于我国墙体的新型速成墙模。

本文从现场施工角度出发,借助有限元软件ANSYS,建立一个以GRC板做墙面模板,以PVC材料作为支撑骨架的三维实体模型,模拟现场浇筑混凝土,综合分析结果,考察GRC板的各种性能变化,进而论证GRC—PVC作为永久性组合模板时最优几何模型方案。

在对相关材料物理力学性能及制作工艺调研的基础上,使用大型有限元软件ANSYS模拟GRC—PVC组合永久性墙体模板,在混凝土浇筑过程中作用在组合模板上的侧压力,分析其在动力荷载下的应力、应变及位移情况。进而确定该新型模板较优的几何参数,将模板的几何形状进行改进,使模板的力学性能得以优化,从而更好的为我国建筑业服务。

ANSYS有限元分析程序功能强大,适用领域广泛,它是对真实物理系统利用数学逼近进行模拟的一种方法,通过基础元素—单元,实现有限未知量逼近无限未知量的真实系统。

ANSYS单元库提供多达200种不同的单元。本文模板模型厚度远小于平面尺寸,因此选择shell63作为GRC板的单元类型。shell63既具有弯曲能力,又具有膜力。可以承受平面内载荷和法向载荷。在平面内,变形是线性的;在平面方向外,则要以矢量混合迭代方式进行分析。这种单元类型每个节点具有6个自由度,分别是沿节点坐标系ux,uy,uz方向的平动和沿节点坐标系x,y,z轴的转动。选择link8作为PVC连接件的单元类型。link8单元在每个节点有ux,uy,uz3个平动自由度。在耦合节点处,两个耦合节点的ux,uy,uz自由度是相等的。在ANSYS中通常可以用耦合命令CP来耦合不同类型单元在连接节点处的自由度(DOF)。也可以用CE命令来认为添加自由度之间的约束方程来达到耦合的目的。这里采用前者。模型建立后,模拟现场浇筑混凝土时作用在侧面GRC板上的侧压力,分析其在动力荷载下的应力、应变及位移情况。

本文对模板模型进行结构静力非线性(材料非线性和几何非线性)分析。

模拟结果显示:当GRC板厚度大于10 mm,PVC连接件间距200 mm时,组合模板用作永久性模板安全可行。

2.2 新型模板的特点

玻璃纤维增强水泥板(Glass Fiber Reinforced Cement(or concrete),简称GRC或GFRC),是以水泥、玻璃耐碱纤维为主要原料,中间填充保温隔热材料,经成型、养护而成。GRC充分利用水泥材料抗压强度高、刚度好的特点,同时发挥玻璃纤维抗拉强度高的优势来大幅度地提高水泥基体的强度和韧性。GRC平板具有许多独特的优点:重量轻,它的容重约比钢筋混凝土轻五分之一;抗拉强度、抗折强度和抗弯强度都很高,其强度甚至可以和预应力混凝土相比;抗裂性好,抗变形能力大,阻裂作用好;抗冻性强,抗冲击强度高;GRC平板是一种不燃、耐火的材料,有适应骤冷骤热、干湿交替的能力;可模性好、可加工性强;GRC平板还具有运输、安装方便,强度高、造价低的特点。如果作为永久性模板,它与混凝土之间的作用力主要通过粘结力、机械咬合力以及混凝土与玻璃纤维增强水泥板表面的凹凸不平形成的摩擦阻力来实现的,能够与现浇混凝土形成良好的界面结合,作为结构的一部分具有很好的复合效果,共同承担荷载。目前,我国开发的GRC复合外墙板品种较多,按墙体大小分,有单开间和双开间墙板,按保温层材料分有水泥珍珠岩芯层和岩棉芯层,也可用其他各种保温材料制成各种墙体,这种复合外墙板适用于多层和高层建筑的外墙板。墙体采用具有轻质、装饰等复合功能的免拆模板,从节省劳动力,加快施工进度,丰富建筑造型,降低工程造价等因素考虑,都是现代混凝土模板的一个发展方向。GRC—PVC组合永久性模板用于墙体,代替粘土砖节约耕地资源;由于其轻质,有利于减少建筑物的负重;GRC板的制造和回收不会损害环境;安装便利,无需表面修饰。其耐久性、强度、使用寿命、防火性、防潮性能都很高,是理想的建筑板材。作为一种新型的结构功能模板,为节约能源、采用绿色建筑材料提供了一条新思路。与传统模板比较该模板体系具有以下优势:

(1)模板为定型结构,组合安装快捷;施工成型后不需拆模,减少运输,节省人力物力,加快施工进度。

(2)模板作为建筑物的一部分可以起到承载的作用,提高混凝土结构的抗拉、抗弯、抗冲击能力。形成的墙体整体性好。

(3)GRC板所具有的特性可赋予墙体特定的功能,如保温、隔热、隔音、防潮、耐腐蚀、耐火不燃等。

(4)墙体性能刚柔兼顾,钻孔挖洞简便易行。墙体内结构为几何图形,水电安装、穿管布线施工方便。把传统墙体的土建、水电安装、装饰三部施工工艺,简化为三位一体,一步到位的新工艺,省时、省工,减少了劳动强度,提高了安全系数。在地震区减少了地震反应,在软土地区有利于节约基础投资。

(5)改善居住环境。墙体内侧可放保温板,当室内温度上升或下降时,能吸收或释放较多热量,有利于保持室温的稳定,使室内热环境得到改善。避免了室内结露、霉斑现象。应用范围广,该体系模板既适用于北方地区的保温,又适用于南方地区的隔热,既适用于民用建筑,也适用于工业建筑。

(6)环保化生产,利废节能,不损耕地。工厂化施工减少建筑垃圾,消除环境污染。

3 总结与展望

该模板体系将会有非常广泛的推广应用前景。这种模板不仅具有浇筑混凝土时支撑成型的功能,而且模板成为建筑结构中的保留部分,参与建筑承重,改善结构的受力性能和使用性能;该模板还附带具有防水、保温、隔热、隔声、装饰等功能,墙体一次成型,省却了砂浆抹面、找平、二次装修、防水保温处理、面层装饰等工序,可以节约工程施工劳动量和装饰、装修费用;由于该模板具有不拆除的特点,可以节约大量由于拆除模板和倒运模板所耗费的时间和费用,有利于缩短施工工期,有效降低工程造价,减少工人的劳动强度;该模板均为预制构件,可因地制宜地选用模板制造材料,在保证模板结构性能的同时,充分开发利用工业废料(如矿渣、粉煤灰等),推动模板材料从传统材料向新型复合材料过渡发展。从节约能源的角度来看,替代原有的钢模、木模和竹制模板,将会为国家节约大量的钢材、木材及竹材;从环保和建筑模板材料发展的角度来看,利用粉煤灰、矿渣等工业废料,变废为宝也是新型建筑模板材料的发展趋势。从造价来看,虽然初期模板成本可能比传统模板要高,但综合考虑劳动量的减少,材料损耗的减少,工期的缩短,建筑物耐久性的增强,长期维护维修费用的降低和节能环保等因素,使用该新型永久性模板的工程费用比使用传统模板甚至要低。故该永久性模板具有可观的经济效益和良好的社会效益。因而该永久性模板有很好的发展前景。

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