水泥基免拆模板混凝土梁受彎性能的研究進展

惠興智

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

模板工程是現澆混凝土結構施工的重要組成部分，在總工程中占據較大的比例，一般占工程總造價的30%左右、占總工期的40%左右[1]。同時，傳統模板存在周轉次數少、現場流程復雜、效率低等缺點，且模板易發生變形，導致模板密封不嚴，造成混凝土漏漿、混凝土構件表面不平整、構件變形等工程質量問題[2]。因此，探索新型的模板體系尤為重要，而使用免拆模板為改進傳統模板形式提供了一種新的方法。

免拆模板是指在施工階段起到支撐、定型的作用，在使用階段作為整個構件的一部分參與受力而無需拆卸的模板。免拆模板的使用可以有效節約人工資源，提高工程的經濟效益和社會效益。近些年來，免拆模板逐漸被應用于混凝土建筑中的各個部分，包括混凝土梁、柱、墻體以及板等構件。不少學者也開展了大量相關試驗，設計并制作了不同形式的半預制混凝土梁，研究了免拆模板材料及形式對混凝土構件承載力性能的影響[3]。

本文以目前較為常用的U型水泥基模板為研究對象，歸納了該類免拆模板的研究進展和優缺點，總結并分析了普通混凝土（Normal Concrete，NC）免拆模板、纖維編織網（Textile Reinforced Concrete，TRC）免拆模板、超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）免拆模板所制作的混凝土梁的受彎性能。

1 免拆模板混凝土梁的受彎性能

1.1.1 NC免拆模板

Xiao等[4]設計了如圖1a所示的U型NC免拆模板。免拆模板的混凝土立方體抗壓強度為50 MPa，側板的厚度為50 mm，高度為梁截面高度的3/5，內部預先架設了受拉縱筋和箍筋，可以在工廠完成免拆模板的制備和養護。試驗中開展了現澆混凝土梁與半預制混凝土梁的四點彎曲加載試驗，研究了模板的配筋率對半預制混凝土梁受彎性能的影響。研究發現，在加載過程中半預制混凝土梁與普通混凝土梁的跨中截面的梁應變分布與中性軸的垂直距離呈線性，符合平截面假定。另外，隨著模板配筋率的增加，半預制梁的破壞模式也從適筋破壞轉變為超筋破壞，且相同配筋率下，半預制梁的極限彎矩Mu和普通現澆混凝土梁的Mu僅有0.95%的誤差。試驗結果說明了U型模板與后澆混凝土的整體性較好，可以作為混凝土梁的一部分參與受力，可以在實際工程中進行推廣。

吳方伯團隊[5]發現NC免拆模板在實際工程中存在的因長度過大而導致的運輸不便以及模板破碎斷裂的問題，提出并設計了如圖1b、1c所示的拼裝式NC免拆模板。該類拼裝式免拆模板的混凝土強度等級為C40，并由多個200 mm長的U形模塊組成，可運至施工現場采用定位件和螺栓將多個模塊進行組裝，完成免拆模板的組裝和后澆混凝土的澆筑，形成U型拼裝模板混凝土梁（見圖1d）。通過三點加載試驗，對比了半預制梁與普通現澆混凝土梁的受彎性能：在加載過程中，半預制梁跨中截面的應變分布基本符合平截面假定；半預制梁的開裂荷載較小，但兩者極限荷載的大小基本一致；半預制梁的裂縫開展位置集中出現在各U形模塊的拼接處，裂縫數量較少，且基本沿接縫位置垂直向上發展；最后，兩種混凝土梁的荷載-撓度曲線基本一致，承載力性能相當；但是，半預制梁的延性系數和極限撓度相較現澆梁分別低14%和17%。

圖1 NC免拆模板梁構造形式示意圖[4-5]（單位：mm）

1.1.2 TRC免拆模板

TRC屬于一種新型的水泥基纖維增強復合材料，通常采用將纖維編織網材料布設于細粒混凝土內部，以提高混凝土材料的抗彎性能、抗裂性能和延性，并降低整體自重。以TRC為基材制備U型免拆模板，可以提高免拆模板的整體力學性能，降低自重，提高半預制混凝土梁的安全性。

Catherine等[6]選用高強碳纖維粗紗和玻璃纖維粗紗編織網設計了TRC免拆模板，并將其用作免拆底板制備了半預制混凝土梁，具體的截面尺寸和纖維網示意圖如圖2所示。通過設置不同編織網參數（纖維間距、層數等），開展了梁構件的受彎性能試驗。試驗發現較高的纖維層數和新舊混凝土的鑿毛處理可以使得半預制混凝土梁獲得較高的承載力性能和變形能力。另外，使用玻璃纖維織粗紗可以提高免拆模板混凝土梁的極限承載力，但是延性則有所下降。試驗證實了該TRC預制底板作為混凝土梁免拆模板的可行性。但是，在施工過程中仍需要側模來進行新拌混凝土的澆筑工作，增加了施工成本，降低了施工效率。

圖2 NC免拆模板梁構造形式[6]（單位：mm）

Yin等[7]則提出了將TRC與U型免拆模板相結合的思路，制備了如圖3所示的25 mm厚的TRC免拆底模板和25 mm厚的U型TRC免拆模板，用以制作半預制混凝土梁，并開展對比試驗分析現澆混凝土梁與兩種半預制混凝土梁的受彎性能的區別。在破壞模式上現澆混凝土梁為適筋破壞。TRC免拆底板混凝土梁的破壞主要是TRC底板的脫離，造成加載過程中中性軸上移，加速了試件的破壞。TRC-U型免拆模板混凝土梁的破壞模式與現澆混凝土梁相似，裂縫發展和撓度發展均較慢，未出現模板脫落問題；在承載力性能上，使用TRC底板和TRC-U型模板分別提高了50%和60%的開裂荷載。另外，TRC底板梁的極限承載力與現澆混凝土梁基本一致，而TRC-U型梁的極限承載力則提高了10%。試驗說明了TRC-U型免拆模板可以較好地與后澆混凝土形成良好的整體，有效提高了半預制混凝土梁的承載力性能。

圖3 TRC-U型免拆模板梁截面形式示意圖[7]（單位：mm）

1.1.3 UHPC免拆模板

UHPC作為新一代的高性能混凝土材料，具有優異的力學性能和耐久性，抗壓強度可達100 MPa以上。將UHPC用于U型免拆模板的制作，可以大大降低預制模板的厚度，降低運輸和建造成本[8]，可以實現較好的經濟效益和社會效益。

梁興文等[9]基于UHPC優異的力學性能，制作了如圖4a所示的U型免拆UHPC模板。UHPC模板由2塊等長的10 mm UHPC側板和一塊10 mm厚度的底板拼接而成。通過四點彎曲試驗比較了現澆混凝土梁和免拆模板混凝土梁的受彎性能，發現免拆UHPC模板梁具有較好的整體性，跨中截面的縱向應變分布基本符合平截面假定，受彎性能與現澆混凝土梁相似。首先，UHPC模板與后澆混凝土黏結性能較好，在加載過程中未出現明顯的滑移和剝離現象，僅在梁破壞后出現了底板脫離現象。對于梁的承載力性能，10 mm厚度免拆模板的使用便能夠有效提高半預制梁的剛度，并使同截面尺寸的普通混凝土梁提高約50%的開裂荷載和12%的極限抗彎承載力。

圖4 UHPC免拆模板梁截面形式示意圖（單位：mm）

Dong等[10]設計了不同厚度的U型UHPC免拆模板，測試了3種相同截面尺寸的BFRP筋混凝土梁構件的承載力，研究了不同UHPC模板厚度對混凝土梁受彎性能的影響。截面形式如圖4b所示，現澆混凝土梁的保護層厚度為20 mm，UHPC模板的厚度t取15 mm和25 mm，其中BFRP筋在預制UHPC模板時進行半埋處理，以增加后澆混凝土與模板間的黏結性能。試驗結果指出，該形式的UHPC模板可以與后澆混凝土形成良好的黏結，在加載過程中參與承力工作。另外，研究發現UHPC模板的使用主要提升了半預制梁的抗裂性能，提高了約70%，但極限承載力僅提高了約3%，主要是因為UHPC主要在梁截面的邊緣，隨著荷載的增加，UHPC產生裂縫并逐步退出工作。

2 水泥基免拆模板梁的研究方向和建議

綜合混凝土梁U型免拆模板的研究概況，使用水泥基材料制作構件的免拆模板具有一定可行性。但是免拆模板梁作為一種較新的組合結構，目前的研究主要關注免拆模板混凝土梁的承載力性能，其他功能性的研究則相對較少。在此主要根據U型免拆模板混凝土梁的結構特點，提出以下新的研究方向和建議：

a）免拆模板構造的改進。通過上述研究進展可以發現，水泥基免拆模板可以顯著提高混凝土梁的開裂荷載，但在提高混凝土梁的極限承載力上并不突出。因此有必要對免拆模板的構造進行改進，通過在模板內部加筋、新舊混凝土界面加肋等措施提高免拆模板的承載力性能，以提高半預制梁的承載力性能。

b）免拆模板混凝土梁的耐久性。免拆模板的使用可以提高梁構件的耐久性[8]，但目前針對水泥基免拆模板混凝土梁耐久性能的研究較少，尤其是針對UHPC免拆模板混凝土梁的耐久性研究。免拆模板梁存在新舊混凝土界面，在腐蝕環境下新舊混凝土的界面可能會存在劣化現象，有必要研究腐蝕環境下免拆混凝土梁的劣化機理。

c）免拆模板混凝土梁的抗火性能。免拆模板的使用可以提高梁構件的耐火性能[8]，可以通過改進免拆模板的材料、構造形式等參數提高模板的耐火性，降低半預制混凝土內部的核心鋼筋混凝土的損傷，但目前針對水泥基免拆模板混凝土梁抗火性能的研究較少。

3 結論

水泥基免拆模板可以替代傳統模板，有效節約人工資源，加快施工進度，提高工程的經濟效益和社會效益。本文概述了U型水泥基模板混凝土梁受彎性能的研究進展，根據相關的研究成果，水泥基免拆模板與后澆混凝土間的黏結性能較好，可以參與梁構件的整體受力，跨中截面的應變分布符合平截面假定。免拆模板混凝土梁的受彎性能優于現澆混凝土梁，采用高性能混凝土材料制備免拆模板可以顯著提高半預制混凝土梁的開裂荷載，但是對極限抗彎承載力性能的提升較小。

另外，本文基于目前免拆模板混凝土梁受彎性能的研究現狀與不足，針對免拆混凝土梁的結構特點，提出了包括免拆模板構造的改進、免拆模板混凝土梁的耐久性及抗火性能研究的3點建議。