镁合金在建筑模板中的应用研究

刘 浩

(北京中铁建建筑科技公司，北京 100043)

0 引言

模板工程是混凝土结构工程中为支撑新浇筑混凝土而使用的系统，是决定混凝土结构工程施工质量、进度及成本的关键。目前，我国建筑行业使用的模板主要有木模板、钢模板、竹(木)胶合板、塑料模板和铝合金模板。木模板存在资源有限、重复利用率低、污染环境等问题；钢模板由于自重大、对垂直运输体系依赖大、操作不方便等缺点影响其推广应用；塑料模板存在刚度小、强度低、热胀冷缩的缺点。随着我国建筑业工人老龄化、劳工荒现象的加剧，绿色低碳、轻量化的建筑模板材料成为未来的发展趋势。

镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，密度为1.8g/cm3，约为铝合金(2.7g/cm3)的66.7%，约为钢铁(7.8g/cm3)的22.9%。镁合金具有密度低、比强度高、比刚度大、机械加工性能好、可循环利用等优点，随着近年来镁合金加工技术愈趋成熟，建筑用镁合金结构材料的产业和规模不断扩大。

镁合金在酸性特征的空气中耐蚀性较差，但在碱性环境中有非常好的耐蚀性。因此，暴露在空气中的镁合金建筑构件在使用前必须进行表面处理或包覆处理。目前，镁合金表面处理技术发展很快，对于常规的建筑结构和室内装饰应用完全能够满足其要求；对于易磨损或有特殊要求的部位，则需特殊处理或采用包覆处理[1-2]。由于混凝土呈弱碱性，在碱性环境中，镁合金有很好的耐蚀性，因此，可尝试探索利用镁合金制造建筑模板系统。

与钢模板相比，铝合金模板的使用已体现了轻量化效果，但单块铝合金模板质量为30kg，工人操作难度大。镁合金模板在建筑行业的应用，可以进一步减小模板质量，提高施工效率。因此，本文结合数值分析、试验及工程应用探索镁合金模板的应用前景。

1 镁合金材料性能试验

对代号为AZ41M(旧代号MB3)的挤压镁合金开展性能研究。依据GB/T 5156—2013《镁合金热挤压型材》[3]，AZ41M挤压镁合金抗拉强度为250N/mm2，断后伸长率为5%，布氏硬度HBS为45。根据GB/T 5154—2010《镁及镁合金板、带材》[4]可知，厚度为3～5mm的热轧、冷轧板材在室温下的抗拉强度为240 N/mm2，屈服强度为140 N/mm2，断后伸长率可达12%。

1.1 物理力学性能

根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》[5]对4mm厚挤压镁合金型材进行拉伸试验。由试验结果可知，镁合金具有良好的应变硬化能力，塑性性能好。镁合金抗拉强度fu可达255N/mm2，屈服强度fy为180N/mm2，最大力对应的延伸率为14.0%，满足规范要求。

镁合金AZ41M与铝合金6061-T6及Q235钢的物理力学性能对比如表1所示。比强度越高表明达到相应强度所用的材料质量越小；优质的结构材料应具有较高的比强度，才能尽量以较小的截面满足强度要求，同时可大幅度减小结构自重。由表1可知，镁合金比强度高于铝合金及Q235钢。比刚度较高说明相同刚度下材料质量更小或相同质量下刚度更大。由表1可知，镁合金、铝合金及Q235钢的比刚度性能基本一致。从结构设计角度考虑，镁合金强度较易满足要求，但刚度是镁合金结构设计必须加以重视的问题。

表1 材料物理力学性能对比

综合镁合金物理力学性能，须通过合理的结构设计，才能进一步降低镁合金模板结构质量，大幅度降低施工强度，减少劳动力成本。

1.2 耐蚀性测试

1)称量20g氢氧化钠粉末，加入90mL水中，配制成浓度为18%的氢氧化钠溶液。取具有涂层的镁合金材料浸泡在溶液中5d。经观察及称重测量，镁合金质量未见变化(见图1)，具有很好的耐碱性。

图1 镁合金耐碱性测试

2)选用白醋来配置pH=3的酸性溶液，将具有涂层的镁合金材料浸泡在酸性溶液中。结果表明，酸性溶液变浑浊，溶液表面有泡沫(见图2)，底部有黑色残渣，镁合金试样与酸性溶液发生明显的化学反应，质量减小。

图2 镁合金耐酸性测试

3)用砂纸打磨去除镁合金材料表面涂层，并在表面洒水。如图3所示，镁合金会与水反应，产生气泡，生成白色絮状物，反映程度与水的pH值有关。

图3 去除涂层的镁合金耐蚀性测试

总之，未涂层的镁合金非常活泼，与水能发生化学反应；涂层后的镁合金材料具有很好的耐碱性，耐酸性差。为提高模板周转使用寿命，须做好镁合金的表面处理。

2 镁合金模板设计

镁合金模板质量15kg/m2，与铝合金模板相比，质量减少30%左右。利用有限元软件，对设计的模板进行强度与刚度分析。

2.1 数值分析

根据国家标准GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》[6]，新浇筑混凝土作用于模板的侧压力标准值按式(1)，(2)计算，并取其中的较小值：

(1)

F=γcH

(2)

式中：混凝土重度γc为24kN/m3；浇筑速度V取2m/h；初凝时间t0为5h；坍落度影响修正系数β为1.0；侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度H为3m。经计算得到，模板所受侧压力标准值F=47.5kN/m2。

挠度验算只考虑新浇筑混凝土侧压力产生荷载标准值。强度验算要考虑新浇筑混凝土侧压力和倾倒混凝土时产生的荷载设计值。因此，挠度验算对应的荷载Fn=47.5kN/m2，强度验算对应的荷载Fq=60.2kN/m2。

镁合金模板结构如图4所示。焊接横向肋截面为40mm×40mm×3mm方管，布置4道对拉螺栓。

图4 镁合金模板结构

固定模板与背楞接触位置，顶部边框与C槽相连，因此，顶部边框也进行固定。利用ABAQUS软件，采用六面体C3D8I单元进行分析计算，计算结果如图5所示。由图5a可知，模板组合变形最大值位于第2，3道背楞之间，最大值为1.1mm<1.5mm，变形满足要求。由图5b可知，模板与背楞接触位置应力集中，最大应力为121N/mm2

图5 模板模拟计算结果

2.2 经济性分析

以2.6m×0.4m镁合金模板进行经济分析。镁合金模板质量约为15kg/m2，材料成本约为34.4元/kg×15kg/m2=516元/m2；铝合金模板质量约为20kg/m2，材料成本约为21.7元/kg×20kg/m2=434元/m2。 目前镁合金模板未达到批量化生产，铸棒和挤压成本高于铝合金模板。

3 镁合金模板工程应用

目前镁合金模板在施工现场已有应用，轻量化优势显著，便于操作，模板操作方法与铝合金模板相同，易于上手；模板也存在一些问题，如拆除顶板镁合金模板时，边角磕碰后易掉角；模板多次使用，涂刷脱模剂后，会形成白色附着物。墙体成型效果如图6所示。

图6 墙体成型效果

4 结语

1)镁合金具有密度低、比强度高、比刚度大、机械加工性能好、可循环利用等优点，镁合金在建筑模板上的应用，将进一步降低模板结构质量，大幅度降低施工强度、减少劳动力成本。

2)未涂层的镁合金非常活泼，与水能发生化学反应，为提高模板周转使用寿命，须做好镁合金模板表面处理。

3)通过有限元分析可知，镁合金建筑模板具有足够的刚度和强度，可满足施工规范的要求。

4)目前镁合金模板未达到批量化生产，其铸棒和挤压成本高于铝合金模板。