永久性模板疊合構件研究綜述

連筱欽

摘 要：本文總結國內外永久性模板的研究成果，重點圍繞永久性模板與現澆混凝土構件試驗研究的研究進展、存在的問題進行綜述。最后總結永久性模板疊合構件的優勢及現存在不足。

關鍵詞：永久性模板；抗剪性能；抗彎性能

0 前言

建筑模板在施工過程中使用量大，面廣的施工工具。我國傳統的模板以木模板、竹木模板為主，在施工現場就地支模加工，散拆散支。由于木模板、竹木模板其周轉次數低，損耗嚴重，而我國的木材資源又相對短缺。所以發展以鋼模板和鋁合金模板為主的“以鋼代木”便應運而生，鋼模板和鋁合金模板大大提高了模板的周轉次數緩解了鋼筋混凝土結構快速發展時期模板需求量大的問題，但對于鋼模質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，拆模縫造成的混凝土表面不平整等問題一直難以得到很好的解決。同時，拆模后大部分柱子直接裸露在外界環境中，混凝土保護層及內部鋼筋容易遭到腐蝕，嚴重影響了結構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，在混凝土澆筑時起支撐作用，澆筑后免拆模作為結構的一部分，提高構件的受力性能并且大大減少施工工期，降低工程造價。

國內外學者對永久性模板疊合柱在試驗研究、理論分析、有限元模擬分析等進行大量研究。本文通過對織物增強永久性模板疊合構件、超高韌性混凝土永久性模板疊合構件、永久性模板的設計方法的研究進展進行分析，總結永久性模板優點以及對未來發展的展望。

1 織物增強永久性模板疊合構件研究

織物增強混凝土（textile reinforced concrete，TRC）是一種纖維復合材料，由纖維編織網和細骨料混凝土組成。常見的編織網格材料有玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維，具有耐腐蝕、耐疲勞、輕質高強的優點。所以織物增強永久性模板疊合構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構共同工作。

荀勇，徐業輝等[4]采用不銹鋼網固定織物網增強細骨料混凝土設計2根永久性模板與現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“環箍效應”約束核心混凝土的橫向變形，有效提高了柱的承載力；織物增強永久性模板和現澆混凝土能夠較好的協同工作。

肖保輝，支正東等[5]通過對10根織物增強混凝土加固混凝土方形短柱進行軸壓試驗，得出：織物增強混凝土加固混凝土方柱能有效提高短柱延性，抑制裂縫的擴展；并考慮加固層數，截面形狀，織物網粗砂間距和實際粗砂強度折減等因素的影響，提出了織物增強混凝土方柱在受壓下的極限承載力計算模型。

王浩宇，田穩苓等[6]等采用TRC薄板作為永久性模板疊合RC結構體系。考慮結合面粗糙度、混凝土等級、火燒溫度、腐蝕及碳化深度等對新舊混凝土結合性能的影響。研究表明：影響普通混凝土與新混凝土結合性能的因素主要有結合面粗糙率、普通混凝土與新混凝土強度等，當結合面粗糙率越大、新混凝土強度等級越高時 ，結合強度越高。

河北工業大學劉鐘[7]通過改變TRC模板與后澆混凝土接觸面的處理方式、后澆混凝土的強度和纖維網的數目三種因素來研究TRC疊合構件抗彎性能并采用ANSYS數值模擬軟件進行分析。試驗表明：TRC模板的使用可以使原設計的結構構件強度得到明顯提升，由于增幅較大，這部分增量可以在計算承載力時應予以考慮；TRC模板運用于實際施工是可行的，能夠滿足規范對于模板強度和剛度方面的要求；免拆型TRC模板作為建筑構件的保留部分可以改善結構性能。

沈陽建筑工程學院的張巨松[8]在實驗室進行了玻璃纖維永久性模板的試制，同時對玻璃纖維和混凝土復合梁的性能進行了測試，通過初步的實驗得到：玻璃纖維材料能與混凝土很好地協同工作，并大幅度提高了混凝土/玻璃纖維復合梁的抗彎能力；素混凝土梁的破壞是典型的脆性斷裂，而復合梁可以承受較大的變形，復合梁破壞時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構，從而保證兩者共同工作，形成新的玻璃纖維結構，提高復合梁的綜合效果。

同時，國外學者Julie Brennan和Remo Pedreschi[9]等人從纖維網的角度分析了結構的織網模板，得出了新制作工藝與其他工藝相比，其組成結構更能提高模板性能的結論；Brameshuber 和Wolfgang[10]通過研究證明了利用纖維網增強混凝土構件，其制作的模板構件有良好的力學性能；S. Verbruggen，O. Remy [11]等人通過四點抗彎試驗和數值模擬模擬，證實了TRC模板使結構在抗剪方面得到增強；基于微觀和細觀的分析，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彎曲試驗[12]。

美國的Mirmiran教授和shahaw[13-14]等人認為使用FRP（纖維增強聚合物）作為永久性模板，最有效的用途是作為柱模板。他們采用長纖維卷繞法、自旋澆筑法或傳遞涂樹脂模塑法將 FRP 制成環向密封的環形薄壁筒作為永久性柱模板，在其內部澆筑混凝土形成復合柱，并對這種復合柱的強度、延性、受力性能、長細比限制、抗沖擊性能以及該模板對混凝土的橫向約束性能進行了系統研究。

2 超高韌性混凝土永久性模板疊合構件研究

超高韌性水泥基復合材料（Ultra High Toughness Cementitious Composite，簡稱UHTCC）作為新型高性能混凝土材料，有著良好的物理力學性能，具有較高的抗拉、抗彎、抗剪、抗扭強度，以及具有卓越的抗沖擊和抗疲勞性能[15-18]。同時，UHTCC材料具有良好的耐腐蝕性和抗滲性，超高韌性水泥基復合材料能夠與混凝土粘結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層的剝落。

普通混凝土抗拉強度較低，韌性差，開裂后裂縫難以控制且隨著強度的提高，混凝土收縮和脆性問題突出使得當結構受到外部荷載時，混凝土保護層裂縫開展迅速且容易出現剝落嚴重影響結構耐久問題，減短結構使用壽命。超高韌性水泥基復合材料通過摻入纖維，通過纖維的橋聯作用，能有效控制裂縫的產生和擴展。已有研究表明：1）UHTCC直接拉伸極限拉應變可穩定達到3%以上，且極限破壞時裂縫平均間距在3mm以下，具有超高韌性和高損傷容限； 2）在無界面劑、錨筋等增強界面粘結強度的措施下， UHTCC與混凝土兩者間具有較好的粘結性能； 3） UHTCC在不摻加引氣劑的條件下具有良好的抗凍性能，經過300次凍融循環仍能保持較高的彎曲抗拉強度和彎曲韌性，能在水工結構和海洋平臺建設中得到良好的應用； 4）UHTCC在微裂縫狀態下具有優越的抗滲性能，使得超高韌性水泥基復合材料在結構中具有廣闊的應用前景。

重慶交通大學劉毅[19]研究PVA 纖維增強水泥復合材料作為結構型永久性模板，在連續剛構橋梁上的應用，分析模板結構的受力情況，以及結構成型后模板與結構之間的復合受力情況。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比試驗，得出 PVA永久模板對混凝土抗彎抗裂能力及梁破壞后的延性的增強作用；并且對試驗進行了有限元模擬分析，得到了很好的契合。

哈爾濱工業大學的鄭海勇[20]設計了三個截面為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。研究表明：從試驗得到的滯回性能、承載力、延性耗能系數、剛度強度退化等性能指標上來看，預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，各項性能指標參數降低的幅度基本都控制在 10%的范圍以內；從現場施工的角度出發，分析了預制模板在施工荷載下的應力應變

狀態和裂縫開展情況。分析結果表明，預制模板在施工荷載下具有良好的工作性能，不會產生裂縫。可見此類預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制模板用于永久性模板是可行的。

香港科技大學梁堅凝[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力，并分析了在GFRP Bar加固模板下構件的4點彎曲理論計算和試驗結果。得出：預制澆筑的高延性永久性模板不僅施工方便，且作為結構構件的一部分參與受力提高了構件的受力性能，高延性水泥基復合材料很好的控制裂縫產生與擴展有效防止疊合梁的脫粘破壞。

吉林大學王彤[22]利用水泥基復合材料與鋼絲網制作永久性模板，研究永久性模板與后澆混凝土之間的協同工作性能，考慮了在不同粘結處理方式下疊合梁的界面粘結性能和傳力機理，試驗表明：永久模板必須經過鉆孔處理后，才能保證混凝土與模板的粘結性能；對于未進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，對于永久模板與混凝土之間的粘結性能越有利，疊合梁的承載力越大；具有較好粘結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，在實際工程中，進行界面處理的永久模板制作的混凝土構件，在承載力及正常使用情況下，要優于普通混凝土構件。

大連理工大學李賀東[23]采用不同的極限拉應變和抗壓強度澆筑7種上表面不同的薄板以及3種不同內表面的形狀的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。試驗表明：UHTCC永久性模板的使用不僅提高混凝土構件的承載力，而且使素混凝十的破壞模式實現從準脆性到延性破壞的轉變，使結構變得更安全，更能夠有效地將混凝土中的單一裂縫分散到UHTCC中的多條細密裂縫，提高了構件的耐久性能和使用壽命；試驗過程中，經過抹面成型表面光滑的永久性模板與后澆混凝土粘結良好，表明應變硬化水泥基復合材料水久性模板與后澆混凝土間的粘結性能得到很好的保障。

東北林業大學王鈞[24]提出一種新型的鋼纖維活性粉末混凝土永久性模板，并且基于現有的規范的模板側壓力理論，建立兩端固接計算模型，提出了鋼纖維活性粉末混凝土永久性模板合理的理論計算方法并根據試驗結果分析給出永久性柱模板的壁厚取值與設計建議。

3總結與展望

超高韌性混凝土在制備方面上使用了大量的工業廢料，在節約資源和環境保護方面具有重大意義。同時，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構共同受力，增強結構的受力性能，保護結構內部不受侵蝕，大大提高了結構的使用壽命。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際工程中的周轉損耗，符合可持續發展，具有客觀的社會經濟價值。

采用UHTCC作為制作永久性模板的材料。我國開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、增強機理、物理力學性能等方面，對于永久性模板的應用研究較少。

對于永久性模板的界面粘結效果、在循環荷載作用、長期荷載作用及在實際惡劣環境中的抗腐蝕性能研究還不夠完善，仍需要大量的試驗研究。

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【項目基金】華僑大學研究生科研創新能力培育計劃資助項目（課題編號：1611404008）