惠興智

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

模板工程是現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工的重要組成部分，在總工程中占據(jù)較大的比例，一般占工程總造價(jià)的30%左右、占總工期的40%左右[1]。同時(shí)，傳統(tǒng)模板存在周轉(zhuǎn)次數(shù)少、現(xiàn)場(chǎng)流程復(fù)雜、效率低等缺點(diǎn)，且模板易發(fā)生變形，導(dǎo)致模板密封不嚴(yán)，造成混凝土漏漿、混凝土構(gòu)件表面不平整、構(gòu)件變形等工程質(zhì)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(jìn)傳統(tǒng)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(gè)構(gòu)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(jié)約人工資源，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近些年來，免拆模板逐漸被應(yīng)用于混凝土建筑中的各個(gè)部分，包括混凝土梁、柱、墻體以及板等構(gòu)件。不少學(xué)者也開展了大量相關(guān)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并制作了不同形式的半預(yù)制混凝土梁，研究了免拆模板材料及形式對(duì)混凝土構(gòu)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(duì)象，歸納了該類免拆模板的研究進(jìn)展和優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)并分析了普通混凝土（Normal Concrete，NC）免拆模板、纖維編織網(wǎng)（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(shè)計(jì)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(qiáng)度為50 MPa，側(cè)板的厚度為50 mm，高度為梁截面高度的3/5，內(nèi)部預(yù)先架設(shè)了受拉縱筋和箍筋，可以在工廠完成免拆模板的制備和養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)中開展了現(xiàn)澆混凝土梁與半預(yù)制混凝土梁的四點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，研究了模板的配筋率對(duì)半預(yù)制混凝土梁受彎性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在加載過程中半預(yù)制混凝土梁與普通混凝土梁的跨中截面的梁應(yīng)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(yù)制梁的破壞模式也從適筋破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槌钇茐?，且相同配筋率下，半預(yù)制梁的極限彎矩Mu和普通現(xiàn)澆混凝土梁的Mu僅有0.95%的誤差。試驗(yàn)結(jié)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(shí)際工程中進(jìn)行推廣。

吳方伯團(tuán)隊(duì)[5]發(fā)現(xiàn)NC免拆模板在實(shí)際工程中存在的因長(zhǎng)度過大而導(dǎo)致的運(yùn)輸不便以及模板破碎斷裂的問題，提出并設(shè)計(jì)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(qiáng)度等級(jí)為C40，并由多個(gè)200 mm長(zhǎng)的U形模塊組成，可運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)采用定位件和螺栓將多個(gè)模塊進(jìn)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(diǎn)加載試驗(yàn)，對(duì)比了半預(yù)制梁與普通現(xiàn)澆混凝土梁的受彎性能：在加載過程中，半預(yù)制梁跨中截面的應(yīng)變分布基本符合平截面假定；半預(yù)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(yù)制梁的裂縫開展位置集中出現(xiàn)在各U形模塊的拼接處，裂縫數(shù)量較少，且基本沿接縫位置垂直向上發(fā)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(dāng)；但是，半預(yù)制梁的延性系數(shù)和極限撓度相較現(xiàn)澆梁分別低14%和17%。

圖1 NC免拆模板梁構(gòu)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(qiáng)復(fù)合材料，通常采用將纖維編織網(wǎng)材料布設(shè)于細(xì)?；炷羶?nèi)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(xué)性能，降低自重，提高半預(yù)制混凝土梁的安全性。

Catherine等[6]選用高強(qiáng)碳纖維粗紗和玻璃纖維粗紗編織網(wǎng)設(shè)計(jì)了TRC免拆模板，并將其用作免拆底板制備了半預(yù)制混凝土梁，具體的截面尺寸和纖維網(wǎng)示意圖如圖2所示。通過設(shè)置不同編織網(wǎng)參數(shù)（纖維間距、層數(shù)等），開展了梁構(gòu)件的受彎性能試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)較高的纖維層數(shù)和新舊混凝土的鑿毛處理可以使得半預(yù)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(yàn)證實(shí)了該TRC預(yù)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(cè)模來進(jìn)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(gòu)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(jié)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(yù)制混凝土梁，并開展對(duì)比試驗(yàn)分析現(xiàn)澆混凝土梁與兩種半預(yù)制混凝土梁的受彎性能的區(qū)別。在破壞模式上現(xiàn)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(xiàn)澆混凝土梁相似，裂縫發(fā)展和撓度發(fā)展均較慢，未出現(xiàn)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(xiàn)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(yàn)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(yù)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(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，抗壓強(qiáng)度可達(dá)100 MPa以上。將UHPC用于U型免拆模板的制作，可以大大降低預(yù)制模板的厚度，降低運(yùn)輸和建造成本[8]，可以實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

梁興文等[9]基于UHPC優(yōu)異的力學(xué)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(zhǎng)的10 mm UHPC側(cè)板和一塊10 mm厚度的底板拼接而成。通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)比較了現(xiàn)澆混凝土梁和免拆模板混凝土梁的受彎性能，發(fā)現(xiàn)免拆UHPC模板梁具有較好的整體性，跨中截面的縱向應(yīng)變分布基本符合平截面假定，受彎性能與現(xiàn)澆混凝土梁相似。首先，UHPC模板與后澆混凝土黏結(jié)性能較好，在加載過程中未出現(xiàn)明顯的滑移和剝離現(xiàn)象，僅在梁破壞后出現(xiàn)了底板脫離現(xiàn)象。對(duì)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(yù)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(shè)計(jì)了不同厚度的U型UHPC免拆模板，測(cè)試了3種相同截面尺寸的BFRP筋混凝土梁構(gòu)件的承載力，研究了不同UHPC模板厚度對(duì)混凝土梁受彎性能的影響。截面形式如圖4b所示，現(xiàn)澆混凝土梁的保護(hù)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(yù)制UHPC模板時(shí)進(jìn)行半埋處理，以增加后澆混凝土與模板間的黏結(jié)性能。試驗(yàn)結(jié)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(jié)，在加載過程中參與承力工作。另外，研究發(fā)現(xiàn)UHPC模板的使用主要提升了半預(yù)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?yàn)閁HPC主要在梁截面的邊緣，隨著荷載的增加，UHPC產(chǎn)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(gòu)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(jié)構(gòu)，目前的研究主要關(guān)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(duì)較少。在此主要根據(jù)U型免拆模板混凝土梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出以下新的研究方向和建議：

a）免拆模板構(gòu)造的改進(jìn)。通過上述研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，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(duì)免拆模板的構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，通過在模板內(nèi)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(yù)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(gòu)件的耐久性[8]，但目前針對(duì)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(duì)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(huán)境下新舊混凝土的界面可能會(huì)存在劣化現(xiàn)象，有必要研究腐蝕環(huán)境下免拆混凝土梁的劣化機(jī)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(gòu)件的耐火性能[8]，可以通過改進(jìn)免拆模板的材料、構(gòu)造形式等參數(shù)提高模板的耐火性，降低半預(yù)制混凝土內(nèi)部的核心鋼筋混凝土的損傷，但目前針對(duì)水泥基免拆模板混凝土梁抗火性能的研究較少。

3 結(jié)論

水泥基免拆模板可以替代傳統(tǒng)模板，有效節(jié)約人工資源，加快施工進(jìn)度，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jìn)展，根據(jù)相關(guān)的研究成果，水泥基免拆模板與后澆混凝土間的黏結(jié)性能較好，可以參與梁構(gòu)件的整體受力，跨中截面的應(yīng)變分布符合平截面假定。免拆模板混凝土梁的受彎性能優(yōu)于現(xiàn)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(yù)制混凝土梁的開裂荷載，但是對(duì)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(xiàn)狀與不足，針對(duì)免拆混凝土梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了包括免拆模板構(gòu)造的改進(jìn)、免拆模板混凝土梁的耐久性及抗火性能研究的3點(diǎn)建議。