基于低碳經濟的視角：新型透水模板試驗研究

摘 要：文章基于低碳經濟的視角，對新型透水模板試驗研究進行了分析，指出自制的透水模板與同類進口產品相比，具有物美價廉的特點，應進一步研制與開發、替代進口產品，從而取得良好的社會及經濟效益。

關鍵詞：低碳經濟 混凝土澆筑 透水模板 可持續發展

中圖分類號：F285 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2013）02-283-02

一、選題背景

1.混凝土澆筑的特點。混凝土有著復雜的組成，組成混凝土的物質包括膠凝材料、水、粗細骨料及外加劑等多種物質，還有在攪拌澆筑過程中混入的空氣。這些物質的狀態包括液態、固態乃至我們不希望看到的氣態。眾多復雜的物質和物質狀態意味著影響混凝土性質的因素很多，在這眾多因素中，對混凝土性質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。（1）新拌混凝土中的空氣和水。在拌制混凝土的時候，為了獲得必要的流動性，常加入較多的水（約占水泥重量的40%～70%）。而水泥水化時所需的結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完成后留在固體中形成孔洞，這些孔洞對混凝土的強度起著不利的作用。現代混凝土的理論與實踐研究表明，混凝土強度的減弱主要是由這部分自由水造成的。

同時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，削弱混凝土的質量。與自由水相比，空氣對混凝土的施工過程沒有什么好處。（2）游離水和氣孔對混凝土質量的危害。通常游離水和空氣會在硬化后的混凝土中形成空隙等缺陷，由于現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。這樣不但會給混凝土的表面質量帶來直接的影響，更為嚴重的是這些缺陷會形成深入混凝土內部通道，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，因為其由材料特性所引起，并非可以簡單地通過改進施工工法所消除。

2.混凝土耐久性與抗滲性。（1）混凝土的耐久性。隨著時間的推移，任何材料的物理力學性能都將收到環境因素的作用而發生改變，致使繼續使用材料將不安全或者不經濟，此時可以認為材料達到其使用壽命。耐久性好的材料，抵抗環境破壞因素的能力強，材料的使用壽命就長，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晶壓力引起的膨脹開裂等。化學作用則指酸溶液使水泥漿濾析、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應、混凝土結構中鋼筋腐蝕等。其中鋼筋腐蝕的主要形式是電化學反應。

混凝土中的孔隙和水分是影響混凝土耐久性的兩個重要因素。侵蝕性介質只有通過孔隙向內部滲透，才能對混凝土產生侵蝕作用。而幾乎所有的化學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所決定，這部分水和空氣由于是直接影響混凝土外表面質量，對混凝土的耐久性有著至關重要的影響。（2）混凝土的抗滲性。混凝土的滲透性，指液體流過混凝土的流暢性。混凝土的抗滲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部流動的能力越強，混凝土的抗滲性就越好。混凝土的耐久性，與水和其他有害化學液體流入其內部的數量、范圍有關，因此抗滲性能好的混凝土，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管越大，孔隙率越大。水化程度隨混凝土齡期的增長而提高，混凝土的密實性也相應提高。在相同水化程度下，水灰比越大，混凝土的孔隙率越高。（3）空氣和游離水對混凝土抗滲性和耐久性的影響。從混凝土發生耐久性損失的原理我們可以看到，混凝土的抗滲性能是一個起主要決定作用的因素，可以從下面一個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、環境中的有害因素和混凝土本身一起發生作用才會導致混凝土發生耐久性損失。

混凝土拌和物中含有的游離水和空氣則是影響混凝土抗滲性的重要因素，通過以上兩個邏輯關系，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時，由于模板本身有被水浸潤的性質，當進行振搗壓實操作工序時，新拌混凝土中含有的過量的水分和空氣就往模板移動，并在模板內側聚集。這樣表層混凝土就有較高的水灰比。當混凝土硬化后，混凝土的表面強度一般會降低一些，而且表面水分的蒸發會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，混凝土表面密實度的降低，會大大影響混凝土的耐久性，進而影響結構的使用壽命，同時也增加了結構的維護費用。（2）使用透水模板澆筑的混凝土。與傳統模板的比較，透水模板的特點在于，它能通過一層過濾層把聚積在模板內側的多余水分和空氣排出，同時留住了水泥顆粒。這樣就降低了表層混凝土的水灰比，形成堅硬密實的混凝土表層。

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

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度提高。這樣既提高了混凝土的表面質量，又提高了耐久性，為混凝土抵抗環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，強度發展比較快，使得模板周轉時間縮短。

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

另外，混凝土不像鋼材、玻璃等質感單純而明確的材料，它最終的效果取決于材料調配、細部設計，模板的選擇、安裝、拆除，混凝土的拌制、澆筑、養護等多種因素，也可以說是一種工藝技術。設計者不能只是在圖面里標注或指定，在現有的施工技術條件下必須根據自己的設計意圖，從材料的選定與調配、模板的選擇與安裝、混凝土的澆筑與養護等等，事必躬親，并與施工人員密切配合，才能達到理想的效果。這些要求對于中國建筑師的職能來說超出了很多。

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

二、透水模板的應用方向

透水模板可以用于環境惡劣的地方，并且適用對混凝土結構耐久性有較高要求的地方。例如由磨損而發生碳化、氯離子侵蝕、化學侵蝕以及易發生凍融的場所和環境。還適用于混凝土表面質量要求高，直接暴露于室外，或要求混凝土表面不產生氣泡不必進行裝修的場所。具體來講，透水模板可以使用在以下一些工程部位：

1.水路、河道和海洋結構物。壩、水渠、防波堤、橋墩，這些結構物由于受水流和波浪的沖擊而產生磨耗，從而產生凍融循環。海岸構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量，增加結構耐久性。在工程中的應用實例有：英國的River Dee estuary橋使用了Zemdrain-MD透水模板。英國南海岸的一些高架橋及水陸結構，如港口和海堤等也使用了透水模板等等。

2.公路建筑。以前有過報道，由于防止路面結冰而撒鹽引起公路過早破壞。一般通過改善細部，增加混凝土強度等級或使用硅烷一類的涂料來解決這個問題。然而大量使用硅烷或其它涂料施工工序繁瑣，施工質量不易控制。如果普遍提高混凝土等級則會大大增加成本。國外研究表明，應用了透水模板的混凝土對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，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。飲用水質量越來越多的嚴格指標意味著混凝土表面質量非常重要。為了防止藻類和微生物的繁衍產生，減少池壁的氣孔是非常必要的。另外，對于許多活性廢水，也需要能夠抵抗磨損和細菌微生物繁殖的混凝土表面。在德國采用透水模板施工的貯水池，經檢驗，完全符合控制微生物發生的標準要求。

4.對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光滑的混凝土表面。能夠滿足一些對外裝修有特殊要求的建筑物的需要。同時也免去了裝修前平整、修飾等準備工作，節省了大量費用。透水模板無疑可以使建筑師放心使用清水混凝土進行創作，而不用顧及混凝土表面質量、結構耐久性等問題。

三、新型透水模板研制的意義

筆者所在的清華大學已于1995年開始進行透水模板試驗與研究，并與國外進口產品進行對比試驗。試驗結果表明：自制的透水模板與同類進口產品相比，具有物美價廉的特點。如能進一步研制與開發，替代進口產品，將取得良好的社會及經濟效益。

目前對CPF原理的研究已經到了一定的深度，但是對于透水模板對混凝土的作用深度等問題研究還比較少，如果通過后續研究把這些細節問題搞清楚，將對透水模板的研究和發展起十分重要的作用。

進口透水模板在中國使用的門檻主要是價格問題。北京2008年舉辦奧運會時，有大量的奧運場館和市政設施需要建設，這些結構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遇和發展空間。除了在北京，國內基礎設施市場容量也很大，透水模板的發展有良好發展前景。

四、擬采用技術路線

1.理論分析與試驗相結合。對現有實驗成果，進行理論分析。構建CPF材料性能與砼耐久性關系模型，提高CPF理論研究水平。

根據試驗及理論分析成果，初步確定新型CPF的材料性能及指標，進行試驗研究。開發出新型CPF產品，并制定其施工工藝。

2.試驗與應用相結合。將研制的新型CPF應用到工程實踐中，發揮示范推廣作用。

五、研究方案及安排

2005.1～2005.2 理論模型構建及分析

2005.3～2005.4 初選CPF材料及構造

2005.5～2005.7 新型CPF試驗

2005.7～2005.8 在實際工程中應用新型CPF

六、工程實例應用

在某新建項目中的地下車庫及設備用房中使用CPF，保證清水砼效果。

七、相關技術及產品開發

與新型CPF配套使用的粘合劑、脫模劑、卡扣件、清洗設備等可能是新型CPF系列化、標準化必不可少的組成部分。如能開發出配套使用的產品，對新型CPF的推廣應用將有益處。

參考文獻：

1.朱嬿，劉慧明.透水模板的試驗研究.施工技術，2003（2）：25-26

2.劉慧明.透水模板的試驗研究.清華大學碩士學位論文

3.劉剛，武晶.透水模板的試驗研究.施工技術，1995（1）：30-32

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7.J. Sousa Coutinho，The combined benefits of CPF and RHA in improving the durability of concrete structures， Cement & Concrete Composites 25 （2003） 51 59

8.W.F.Price，S.J.Winddows，透水模板對改善混凝土表面性質的作用

（作者單位：清華大學總務辦 北京 100084）

（責編：若佳）