一種運用于高寒地區的保溫組合模板設計

摘要：本文旨在設計一種用于高寒地區的塑料保溫組合模板，運用真空層隔熱的原理，通過模板材料的空間設計，在模板的面層實現夾層空腔，采用真空泵排除模板面層空腔內的空氣，用特制的橡膠塞封堵預留的排氣孔，最終實現模板面層呈現真空狀態。本設計采用目前比較流行的聚丙烯等硬質塑料為基材，加入玻璃纖維、劍麻纖維、防老化助劑等增強材料，經過復合層壓工藝制成的工程塑料作為模板的制造材料。材料的強度應能滿足承受現場使用周期變形和高原外界大氣壓碾壓變形。工程實體運用中本模板能有效使新澆筑完的混凝土不受外界環境溫度變化的影響，在模板封閉空間創造一個利于混凝土強度提升的溫度，最終實現延長高寒地區混凝土施工有效時間的目的。

關鍵詞：高寒地區;塑料模板;真空保溫

中圖分類號：TQ322.9

1引言

隨著國家越來越重視邊疆開發，西藏、新疆等高寒邊疆地區的建設項目越來越多。但嚴寒的自然條件制約了施工進度，特別是對混凝土的澆筑有著很大的影響。怎樣使嚴寒環境中所澆筑的混凝土的強度上升速度、養護時間不受環境溫度的影響，或者在零下5℃時能照常施工，對加快工程建設進度和確保工程質量有著重大的意義。我們日常生活中常常用到保溫杯、保溫瓶，他們能隔絕水熱與外界的聯系，大大的降低熱量的散發速率，從而長時間的保持水的溫度。本文塑料真空保溫模板的設計思路來源于此，我們可以設想，如果在模板的面層能有一個跟保溫杯類似的隔熱真空層，這樣不就能保證澆筑完的混凝土熱量不被外界環境溫度影響，從而達到保溫目的。

2保溫模板的設計原理

保溫模板的設計原理和保溫瓶的原理一樣，我們都知道熱力傳播有三種途徑，輻射、對流和傳遞，如果能通過采取辦法和手段隔絕上述三種熱力傳播途徑，就能保證物體原有的溫度，從而起到保溫的作用。

2.1本設計選擇阻斷熱力傳播的研究方向

根據熱力學第二定律我們可以知道熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體，但不可能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。新澆混凝土的溫度遠遠高于外界環境溫度，所以如何阻斷混凝土自身熱量散發是本設計的總體思路。首先分析一下熱力傳播的三種途徑。（1）熱力輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象，是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的熱傳方式，它不依賴任何外界條件而進行。一般的熱力輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播，由于電磁波的傳播無需任何介質，所以熱力輻射是在真空中唯一的傳熱方式。從上述表述中可以看出，本設計的真空保溫模板是沒法杜絕熱力輻射的熱量傳播方式，故阻斷熱力輻射不作為本設計的研究方向。（2）對流傳熱是在流體流動過程中發生的熱量傳遞現象，主要是質點位置的移動，使溫度趨于均勻。液體和氣體之間的傳熱主要是對流傳熱。因為混凝土凝固后為固體，故阻斷對流傳熱不作為本設計的研究方向。（3）傳導傳熱是指溫度不同的物體直接接觸，由于自由電子的運動或分子的運動而發生的熱交換現象。傳熱過程中，物體的微觀粒子不發生宏觀的相對移動，而在其熱運動相互振動或碰撞中發生動能的傳遞，宏觀上表現為熱量從高溫部分傳至低溫部分。故阻斷傳導傳熱作為本設計的主要研究方向。

2.2本設計的實現途徑

上述已明確如何阻斷傳導傳熱是本設計的主要研究方向。也就是說怎樣有效的隔絕新澆混凝土和外界氣體之間的傳導傳熱是本設計的關鍵。傳導傳熱是由不同溫度的兩個物體直接接觸而產生的一種熱力傳播現象，怎么可以避免或者盡可能減少兩個物體之間的接觸是本設計的一個難點。以現有的工程技術，從工程經濟和使用方面等出發，作者認為要想完全避免不同溫度兩個物體直接接觸很難實現也不太現實。故從怎樣盡可能的避免兩個物體直接接觸出發來最終實現本設計的意圖。經過仔細思量結合現階段工程材料技術，作者最終選定采用比較新穎先進的工程塑料做為保溫模板的基材。因為工程塑料具有較好的延展性、可塑性和密封性，同時也具有一定的強度、剛度和穩定性，制作成的模板能夠滿足工程建設需要。本設計區別傳統鋼制組合模板的地方在于在模板面層設置雙層面板，雙層面板之間用加筋肋板連接，肋板上設置小孔，保證面板之間的空腔為一個聯通的空間。以現有的塑料加工技術，本設計在工廠中能夠實現。現實社會中我們常見的一種食品儲存技術，就是采用真空泵將塑料包裝的食品抽成真空。故在工廠加工時直接將面板空腔加工成真空狀態，或現場操作中在面板空腔側面預留抽氣孔采用真空泵抽成真空都可行。綜上所述，通過運用工程塑料制作成可以減少傳導傳熱的真空夾層，在模板面層有效減少混凝土和外界氣溫之間的熱量傳遞，最終實現本設計的目的，讓模板給新澆筑的混凝土起到保溫的目的。

3保溫組合模板的設計模型

3.1保溫模板材料的選擇

隨著四新技術的普及和應用，近年來以聚丙烯等硬質塑料為基材，加入玻璃纖維、劍麻纖維、防老化助劑等增強材料，經過復合層壓等工藝制成的工程塑料模板開始流行起來。綜合傳統的鋼模板、木模板，以及新近流行的鋁模板，塑料模板具有易加工、可塑性好、氣密性強，能滿足作者的設計材料要求。同時高強塑料在加入肋板的基礎之上，強度足夠媲美木模板，可以滿足建筑工程對模板強度的需求。

3.2保溫模板型號的設計

組合式模板可分為模塊組合和材料組合，其中模塊組合模板有組合鋼模板、組合塑料模板、組合鋁合金模板;材料組合模板有鋼（鋁）框膠合板模板和鋼（鋁）框塑料模板[1]。工程創新源于實踐，為了保證保溫模板有更好的靈活性和實用性，筆者根據定型組合鋼模板的常用型號來設計本文的保溫塑料模板。根據工程實踐中常用的模數制，將其長度以300mm為一個進位，寬度以50mm為一個進位，其中的U型卡孔長度為150mm，同長度、寬度的模數一致。在使用時可根據需要進行拼裝。利用長度為600mm、900mm、1500mm和寬度100mm、150mm、200mm、300mm的模板，可以組裝成以50mm為進位的各種版面尺寸，這個尺寸可以靈活地滿足各種工程的需要。

4保溫模板的設計思路及示意圖

因為本文采用了傳統的定型組合模板的型號設計方式，故在模板圖繪制時，本文選取300mm×1500mm型號來做一示意和說明。

4.1設計圖思路一

根據組合模板的尺寸，樣式跟傳統組合鋼模板的樣式基本相同，都由面層，背楞和螺栓孔構成，如圖1所示。最關鍵的地方是塑料模板面層的設置，面層必須滿足幾個特點：（1）面層必須具有足夠的強度、剛度和穩定性。能滿足施工過程中澆筑混凝土時對模板的沖擊力和側壓力。（2）面層是本設計的關鍵地方，可在工程加工過程中直接抽成真空，在面層空腔內應設有專門用來減少模板表面變形的支撐肋板，在肋板之間應設置空氣連通孔，保證在加工過程中整個面層空腔形成真空狀態，以達到保溫效果。肋板的設置數量和稠密程度，應以保證模板面層在抽成真空時能抵抗住外界大氣壓強度，不止被大氣壓壓制面層變形為宜。另外高寒地區，空氣大氣壓較低，所以模板面層材料的選擇和肋板的設置數量相較低海拔的地方應該較少為宜，這樣盡可能減少兩個物體之間的接觸面積，避免熱量的傳導，從而起到提高保溫效率的目的。（3）面層厚度h的確定。因為本文只是理論，沒有經過現場試驗，h的厚度應從現場試驗中確定。作者認為h的厚度應根據工程建設所在地外界氣溫條件要求來確定。不同地方的氣溫條件，取值也應有不同，在外界溫度較低的嚴寒地區，h取值應該較大，反之亦然。

4.2設計圖思路二

在設計思路一的基礎上，其他不做改變，只改變塑料模板面層。主要是防止目前塑料加工廠真空加工技術不成熟而設置的。如圖三所示，可在塑料模板面層的外邊界留置抽氣孔，工程實現運用中采用真空泵將塑料模板面層抽成真空，再用氣密性橡膠塞進行封堵。本設計可以很好的降低加工技術難度，同時為后續的使用維修降低了技術難度。

4.3上述兩種設計思路的優缺點分析

設計思路一的優點有：（1）有利于施工進度。由工廠一次加工成型，減少了現場抽成真空的操作環節，提升了現場施工工效，節約了施工時間，同時加快了施工進度。（2）保溫性能較高。由工廠一次加工成型，設計思路一模板真空度相較設計思路二說較高，因為現場操作來現場是人為操作，夾層中的空氣難免排除不是很干凈，這樣增加了兩物體之間的直接接觸面積，降低了保溫塑料模板的保溫效果。設計思路一的缺點有：（1）加工難度較大。因為在工廠中一次加工成型，在加工的過程中要保證模板面層呈真空狀，增加了加工的難度。（2）損壞后不宜修復。在現場使用過程中若因操作不當造成真空面層破損，不宜修復。

設計思路二的優點有：（1）加工簡單。缺點是（1）保溫效果較差。

5塑料保溫模板的優點和缺點分析

塑料保溫模板的優點分析：（1）經濟效益方面。相較傳統的保溫方式來說，從工序上減少了時間，操作更為簡便。不像傳統保溫的方式如：采取掛簾，包裹黑心棉，保暖被，草墊、在鋼模板肋空處填充保溫巖棉材料等，同時模板能反復拆裝，多次利用，節約了施工投入成本。（2）施工進度方面。冬季鋼筋混凝土施工影響施工進度最關鍵的因素時混凝土等強，也就是要混凝土強度滿足《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB50204-2015）要求時才能進行模板拆除和上部結構施工或下道工序施工。而采用保溫模板，混凝土的強度提升能達到或等同于內地混凝土強度的提升速度，在高寒地區也就相當于加快了施工進度，延長了可用于施工的有效天數。（3）塑料模板綠色環保。相較于傳統的木模板來說，塑料模板具有綠色環保的特點。使用塑料模板能有效減少木材的消耗和浪費，并且塑料模板的回收利用率高，可在損壞后回收進行多次加工利用。（4）塑料真空保溫模板質量輕，能降低人力資源消耗。拼裝式組合塑料模板質量輕，模板強度和剛度高，不易變形[2]。相較于傳統的鋼模板來說，塑料真空組裝模板質量很輕，一般一個工人能很輕松的搬動和安裝。這樣大大減少了組合鋼模板安裝時人工浪費的情形，提高了工效。

塑料保溫模板的缺點分析：（1）塑料材質在高寒地區容易變得硬脆，容易損壞。因為本文的核心思想是提出制作出一個塑料空心夾層，形成真空，用于斷絕混凝土和外界空氣之間的熱傳導。所以塑料保溫面層的質量決定著本方案的可行性和實用性。怎么找到合適的能用于高寒地區不易被損壞的塑料材質成為一個關鍵因素。也許現階段用于制作塑料模板的材質能滿足本設計的要求，但是在耐久性和實用性方面還有待考究。（2）對模板面層真空保溫層的加工技術要求高。我們都知道對保溫和傳熱起著關鍵性的三個影響因素：熱對流、熱傳導和熱輻射。我們在加工塑料模板面層時不但在技術上要實現真空，還要使得面層盡可能的光滑，或者在內部面層設置阻隔膜。在高真空條件下，輻射傳熱是熱量傳遞的主要形式之一[3]。在面層內部設置真空絕熱阻隔膜可有效反射和散射電磁波，阻止熱量的傳導。

6保溫模板的應用前景

我國在世界上被稱為“基建狂魔”，最近幾年基礎設施建設取得了極大的成就。隨著我國建筑業的不斷發展， 國家大力推行綠色施工、節能減排舉措[4]。其中，發展綠色施工技術是保證綠色建筑有效推行的重要環節[5]。在鋼筋混凝土建設領域模板的安裝和加工技術已非常成熟。但高寒地區，特別是西藏和新疆地區的鋼筋混凝土建設受氣候影響嚴重。如果本設計的保溫模板能夠研制成功，可以用于正在建設的川藏鐵路、邊疆地區的水電站、公路、鐵路及配套基礎設施建設等項目，也可用于“南水北調西線工程”。所以本設計應用前景非常廣闊，值得探索和研究。

7結語

作為一名建筑行業的從業人員，作者親身經歷過中國南水北調中線工程建設，也參加過市政工程建設，近幾年在西藏地區從事基礎設施建設項目工作。而高寒高海拔地區混凝土施工環境非常惡劣，施工難度大，混凝土澆筑質量直接影響到項目能否順利完成[6]。作者從多年的工作經驗出發，想著若能有一種可減少高原地區混凝土澆筑時間的保溫措施，豈不為我們加快建設美麗邊疆的步伐添磚加瓦，錦上添花。作者根據實際工作需要，在保溫瓶的身上得到啟發，因此有了這個設計，希望本設計能夠得到模板制造廠家和行業愛好者的探討、研究、深化和應用。通過本設計的思路，能研制出一種可應用于高寒地區給新澆混凝土保溫的實用型塑料真空保溫模板。

參考文獻

[1]高峰，石亞明.我國建筑模板產品現狀與展望[J].施工技術，2017，46（02）：98-101.

[2]桂凱飛.拼裝式組合塑料模板在路基邊坡防護中的應用[J].中國水運（下半月），2021，21（02）：121-122.

[3]陳照峰，張俊雄，王偉偉，沙李麗，胡雅，沈勝，李承東，葉信立.真空絕熱板技術的研究現狀及發展趨勢[J].南京航空航天大學學報，2017，49（01）：1-16.

[4]張繼超.DM現澆混凝土外墻外模板與保溫一體化施工技術[J].施工技術，2017，46（04）：29-32.

[5]陸亮.建筑工程施工中鋁合金模板綜合價值研究[D].太原：太原理工大學，2017.

[6]閔小龍.高寒高海拔地區混凝土澆筑工程探析[J].智能城市，2018，4（14）：24-25.

作者簡介：

邢鐸（1987），男，大學本科，工程師，主要從事工程建設、項目質量管理工作。單位：中國水利水電第七工程局有限公司。